Ein computergestützter Modellierungsansatz zur Untersuchung des Einflusses der Hyperthermie auf die Mikroumgebung des Tumors

Zusammenfassung

Der Artikel beschreibt ein Protokoll zur Simulation der transienten Temperaturprofile und der gekoppelten raumzeitlichen Variation des interstitiellen Fluiddrucks nach der Erwärmung durch ein dipolares Radiofrequenz-Hyperthermiesystem. Das Protokoll kann verwendet werden, um die Reaktion biophysikalischer Parameter, die die Tumormikroumgebung charakterisieren, auf interventionelle Hyperthermietechniken zu bewerten.

Zusammenfassung

Die biophysikalischen Eigenschaften der Tumormikroumgebung unterscheiden sich erheblich von denen normaler Gewebe. Eine Konstellation von Merkmalen, darunter eine verminderte Vaskularität, ein Mangel an Lymphdrainage und ein erhöhter interstitieller Druck, verringert die Penetration von Therapeutika in Tumoren. Lokale Hyperthermie innerhalb des Tumors kann die Eigenschaften der Mikroumgebung, wie z. B. den interstitiellen Flüssigkeitsdruck, verändern, was möglicherweise zu einer Verbesserung der Wirkstoffpenetration führt. In diesem Zusammenhang können multiphysikalische Computermodelle Einblicke in das Zusammenspiel zwischen den biophysikalischen Parametern innerhalb der Tumormikroumgebung geben und die Planung und Interpretation von Experimenten leiten, die die Bioeffekte der lokalen Hyperthermie testen.

In diesem Artikel wird ein schrittweiser Arbeitsablauf für ein Berechnungsmodell beschrieben, das partielle Differentialgleichungen koppelt, die die elektrische Stromverteilung, den Biowärmetransfer und die Fluiddynamik beschreiben. Das Hauptziel besteht darin, die Auswirkungen der Hyperthermie durch ein bipolares Radiofrequenzgerät auf den interstitiellen Flüssigkeitsdruck im Tumor zu untersuchen. Das System der mathematischen Ausdrücke, die die elektrische Stromverteilung, die Biowärmeübertragung und den interstitiellen Fluiddruck miteinander verbinden, wird vorgestellt, wobei die Änderungen in der Verteilung des interstitiellen Fluiddrucks hervorgehoben werden, die durch den thermischen Eingriff induziert werden könnten.

Einleitung

Ein erhöhter interstitieller Flüssigkeitsdruck (IFP) ist ein Kennzeichen solider Tumoren¹. Der Austritt von Flüssigkeit aus hyperpermeablen Blutgefäßen in das Interstitium wird durch den Austritt von Flüssigkeit aufgrund komprimierter intratumoraler Venen und fehlender Lymphgefäße unausgeglichen ^1,2,3. In Verbindung mit anderen biophysikalischen Parametern, die in der Tumormikroumgebung (TME) abnormal sind, einschließlich fester Belastung und Steifigkeit, untergräbt ein erhöhter IFP die Wirksamkeit sowohl der systemischen als auch der lokalen Wirkstoff....

Protokoll

1. Erstellen Sie das Modell eines bipolaren Hochfrequenzsystems

1. Vorbereitende Schritte zum Festlegen der Schnittstelle
   1. Starten Sie COMSOL Multiphysics und klicken Sie auf Model Wizard.
   2. Wählen Sie 3D als Raumdimension aus.
   3. AC /DC Physics Modul auswählen | Elektrische Felder und Ströme | Elektrische Ströme.
   4. Wärmeübertragungsmodul auswählen | Wärmeübertragung in Festkörpern.
   5. Wählen Sie das Modul Mathematik | PDE-Schnittstellen | Koeffizient Form PDE.
   6. Wählen S....

Diskussion

Wir stellen ein computergestütztes Modellierungsprotokoll vor, um transiente elektrisch-thermische Simulationen mit fluiddynamischen Simulationen zu koppeln, um den Einfluss der HF-Hyperthermie auf thermische und interstitielle Fluiddruckprofile in Tumoren zu untersuchen. Der Schlüsselaspekt liegt in der Entwicklung eines numerischen Arbeitsablaufs, der in der Lage ist, die Beziehung zwischen Temperatur und Gefäßdruck zu erfassen, die wiederum die Änderungen des interstitiellen Flüssigkeitsdrucks antreibt.

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
COMSOL Multiphysics (v. 6.0)	COMSOL AB, Stockholm, Sweden		Software used to implement the computational workflow described in the protocol
Dell 1.8.0, 11th Gen Intel(R) Core(TM) i7-11850H @ 2.50GHz, 2496 Mhz, 8 Core(s), 16 Logical Processor(s), 32 GB RAM	Dell Inc.		Laptop used to run computational simulations