정밀의학을 위한 바늘 조사를 통한 종양 내 초음파

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 6513(2022) 이 기사 인용

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물리학과 생명과학 간의 학제간 혼선을 기반으로 정밀의학 기반 진단 및 치료 전략은 최근 많은 의료 분야, 특히 종양학에서 새로운 공학적 접근법의 실제 적용 가능성에 대해 큰 주목을 받고 있습니다. 이 프레임워크 내에서 다양한 규모의 기계적 손상을 유도하기 위해 종양의 암세포를 공격하는 데 사용되는 초음파의 사용은 전 세계 학자와 과학자들로부터 점점 더 많은 관심을 받고 있습니다. 이러한 고려 사항을 염두에 두고 임시 탄성 역학 솔루션과 수치 시뮬레이션을 기반으로 조직 내부의 초음파 전파에 대한 in silico 모델링에 대한 파일럿 연구를 제안합니다. Lab-on-Fiber 기술을 기반으로 한 새로운 진단 플랫폼으로 바늘 속의 병원으로 세례를 받았으며 이미 특허 대상이 되었습니다. 분석을 통해 얻은 결과 및 관련 생물물리학적 통찰은 물리학, 공학 및 의학 분야 간의 시너지 효과 증대에서 시작하여 정밀 의학의 미래 응용 분야에서 중심 역할을 할 수 있는 새로운 통합 진단 및 치료 접근법을 구상할 수 있는 길을 열 수 있다고 생각됩니다. 생물학.

환자에 대한 부수적 영향을 줄여야 할 필요성은 광범위한 임상 적용 범주의 최적화에서 점진적으로 중요한 위치를 차지해 왔습니다. 이 목표를 위해 정밀 의학1,2,3,4,5은 ​​본질적으로 두 가지 주요 접근법을 따라 환자에게 전달되는 약물 용량을 줄이는 전략적 목표가 되었습니다. 첫 번째는 환자의 게놈 특성에 따라 설계된 치료법을 기반으로 합니다. 두 번째는 종양학의 표준이 되고 있는 국소 치료법을 활용하여 적은 양의 약물을 방출하지만 더 높은 정밀도로 전신 약물 전달 절차를 피하는 것을 목표로 합니다. 궁극적인 목표는 화학요법제나 방사성 핵종 약물의 전신 전달과 같은 많은 치료 접근법의 부정적인 부작용을 취소하거나 최소한 최소화하는 것입니다. 방사선 요법도 암의 유형, 위치, 방사선량 및 기타 요인에 따라 건강한 조직에 높은 내재적 위험을 수반할 수 있습니다. 교모세포종 치료에서6,7,8,9 수술은 주요 암을 제거하는 데 성공하지만, 전이가 없더라도 작은 암 침윤이 많이 존재할 수 있습니다. 완전히 제거되지 않으면 상대적으로 짧은 시간 내에 새로운 암 덩어리가 재생될 수 있습니다. 이 경우, 앞서 언급한 정밀 의학 전략은 이러한 침입을 감지하기 어렵고 상당히 넓은 지역에 분산되어 있기 때문에 적용하기가 매우 어렵습니다. 이러한 장애물은 정밀의학을 통해 재발을 예방하는 확실한 결과를 얻는 가능성을 방해하므로 사용되는 약물의 독성 수준이 극적으로 높을 수 있지만 여러 상황에서 전신 약물 전달 접근법이 선호됩니다. 이 문제를 극복하기 위한 이상적인 치료법은 건강한 조직을 보존함으로써 암세포를 선택적으로 공격할 수 있는 최소 침습적 전략의 채택을 의미합니다. 이러한 주장에 따르면 단일 세포 시스템과 중규모의 세포 이형 클러스터 모두에서 암과 건강한 세포에 다른 영향을 미치는 것으로 입증된 초음파 진동의 사용에 의해 가능한 해결책이 제공되는 것으로 보입니다. 11,12.

기계적인 관점에서 볼 때 건강한 세포와 ​​암세포는 실제로 서로 다른 자연 공명 주파수를 나타냅니다. 이 특성은 암세포의 세포골격 구조12,13의 기계적 특성의 종양성 변화와 관련이 있으며, 이에 따라 종양 세포는 평균적으로 정상 세포보다 더 변형 가능합니다. 결과적으로, 자극의 초음파 주파수를 최적으로 선택함으로써 선택된 영역에서 유도된 진동은 건강한 숙주 주변에 미치는 영향을 최소화함으로써 살아있는 암 구조에 손상을 줄 수 있습니다. 아직 완전히 이해되지 않은 이러한 효과에는 초음파로 인한 고주파 진동으로 인한 일부 세포 구조 구성 요소의 파괴(원칙적으로 쇄석술과 매우 유사14)뿐만 아니라 기계적 피로와 유사한 현상으로 인한 세포 손상이 포함될 수 있습니다. 세포 프로그램과 기계생물학을 변경합니다. 이러한 이론적 해결책이 매우 적합해 보임에도 불구하고 불행하게도 뼈의 존재와 일부 유방 종양 덩어리 때문에 두개골 내 적용과 같이 무반향의 생물학적 구조가 초음파의 직접적인 투여를 방해하는 경우에는 채택할 수 없었습니다. 지방 조직의 약화가 잠재적인 치료 효과를 제한할 수 있는 위치에 배치됩니다. 이러한 문제를 극복하려면 가능한 최소 침습으로 조사 부위에 도달할 수 있는 임시 고안된 프로브를 사용하여 초음파를 국부적으로 적용하는 것이 필요합니다. 이를 염두에 두고 우리는 "바늘 위의 병원"15이라는 혁신적인 기술 플랫폼을 만들 수 있는 가능성과 관련된 아이디어를 활용하려고 생각했습니다. '바늘 속의 병원' 개념은 단일 의료용 바늘에 다양한 기능을 통합하는 것을 기반으로 진단 및 치료 응용을 위한 최소 침습 의료 도구의 개발을 구상합니다. "바늘 위의 병원" 섹션에서 더 광범위하게 논의된 바와 같이, 이러한 소형 장치는 본질적인 특성으로 인해 광섬유 기반 프로브16,17,18,19,20,21가 제공하는 장점에 주로 의존합니다. 표준 의료용 바늘20,22의 루멘에 삽입됩니다. LOF(Lab-on-Fiber) 기술23이 제공하는 유연성을 활용함으로써 광섬유는 실제로 액체 및 조직 생검 기반을 포함하여 진단 및 치료 모두를 위한 소형 플러그 앤 플레이 장치를 실현하기 위한 고유한 플랫폼으로 떠오르고 있습니다. 관련 생체 분자의 검출24,25, 광 제어 국소 약물 전달26,27, 고정밀 국소 초음파 기반 영상28, 열 치료29,30 및 광학 분광학31을 기반으로 한 암 조직 인식에 관한 것입니다. 이 프레임워크에서는 "바늘 속 병원" 장치의 기반이 되는 국소적 접근 방식을 활용하여 바늘을 통한 초음파 전파를 활용하여 관심 영역 내부로 초음파를 유도할 수 있는 가능성을 연구했습니다. 상주 생물학적 구조의 국부적 자극. 이로써 앞서 언급한 두개골 내 수술과 같이 내부에 작은 구멍이 있는 연조직의 작은 고형 덩어리뿐만 아니라 세포까지 초음파 처리하여 위험한 부위에 최소 침습성을 지닌 저강도 치료용 초음파를 직접 적용할 수 있습니다. 바늘을 삽입하려면 두개골이 필요합니다. 초음파가 일부 유형의 암32,33,34 발병을 저지하거나 지연시킬 가능성이 있을 수 있다고 보고하는 최근 이론적 결과와 실험적 발견에 동기를 부여받은 제안된 접근 방식은 적어도 원칙적으로 중요한 상충 관계를 해결하는 데 도움이 될 수 있습니다. 침습성과 치료 효과 사이. 이러한 고려 사항에 따라 본 연구에서는 최소 침습적 초음파 기반 암 치료를 위해 바늘 장치에 병원을 사용할 가능성을 탐구했습니다. 보다 정확하게는 "성장 의존적 초음파 주파수 추정을 위한 구형 종양 덩어리의 산란 분석" 섹션에서 우리는 탄성 환경에서 성장한 회전 타원체 고형 종양의 공명 주파수를 예측하기 위해 잘 확립된 탄성 역학 및 음향 산란 이론을 활용합니다. 성장 유발 물질 리모델링의 결과로 종양과 숙주 조직 사이에 발생하는 강성 불일치를 이용하여 액추에이터의 진동을 구동합니다. "바늘 속 병원" 섹션에서 "바늘 속 병원"이라고 부르는 시스템을 설명한 후, "초음파 유도를 위한 바늘 구성" 섹션에서 의료용 바늘을 통해 예측된 주파수로 초음파가 전파되는 과정과 그 장치를 분석합니다. 기기로부터의 음향 전력 전달에 영향을 미치는 주요 기하학적 매개변수(실제로 바늘의 내부 직경, 길이 및 날카로움)를 검사하기 위해 수치 모델을 사용하여 주변 매질에 방사선을 조사합니다. 정밀 의학을 위한 새로운 공학적 전략을 고안해야 한다는 점에서, 제안된 연구는 초음파 처리와 다른 솔루션을 결합한 통합 진단 플랫폼을 통해 관리되는 초음파 사용을 기반으로 하는 암 치료를 위한 새로운 도구를 설계하는 데 도움이 될 수 있다고 생각됩니다. 단일 바늘 내에서 표적 약물 전달, 실시간 진단 등이 가능합니다.