腫瘍微小環境に対する温熱療法の影響を調査するための計算モデリングアプローチ

要約

この記事では、双極子高周波温熱療法システムによって供給される加熱後の間質流体圧力の過渡温度プロファイルと結合時空間変動をシミュレートするプロトコルについて説明します。このプロトコルは、インターベンショナル温熱療法技術に対する腫瘍微小環境を特徴付ける生物物理学的パラメータの応答を評価するために使用できます。

要約

腫瘍微小環境の生物物理学的特性は、正常組織とは大きく異なります。血管性の低下、リンパドレナージの欠如、間質圧の上昇など、さまざまな特徴が、治療薬の腫瘍への浸透を減少させます。腫瘍内の局所温熱療法は、間質液圧などの微小環境特性を変化させる可能性があり、薬物浸透の改善につながる可能性があります。この文脈では、マルチフィジックス計算モデルは、腫瘍微小環境内の生物物理学的パラメータ間の相互作用に関する洞察を提供し、局所温熱療法の生体効果をテストする実験の設計と解釈を導くことができます。

この論文では、電流分布、生体熱伝達、および流体力学を記述する偏微分方程式を結合する計算モデルのための段階的なワークフローについて説明します。主な目的は、バイポーラ無線周波デバイスによってもたらされる温熱療法が腫瘍内の間質液圧に及ぼす影響を研究することです。電流分布、生体熱伝達、および間質流体圧力をリンクする数式のシステムを提示し、熱介入によって誘発される可能性のある間質流体圧力の分布の変化を強調します。

概要

間質液圧 (IFP) の上昇は、固形腫瘍の特徴です¹.過透過性血管から間質への体液の漏出は、腫瘍内静脈の圧迫と^{リンパ管の不}在による体液の排出によって不均衡になります^1,2,3。固形応力や硬直など、腫瘍微小環境(TME)内で異常な他の生物物理学的パラメータと協調して、IFPの上昇は全身および局所の薬物送達の有効性を損ないます^4,5,6。固形腫瘍の間質液圧は、^{正常組織の1}〜3mmHgと比較して、5mmHg(膠芽腫および黒色腫)から30mmHg(腎細胞癌)の範囲です2。高IFPは、腫瘍の縁に向かう流体の流れを増加させる原因となり、間質細胞、浸潤細胞、およびその他の細胞外成分をせん断応力にさらします^1,4。機械生物学的変化は、例えば、血管新生、がん細胞の遊走および浸潤をサポートする内皮発芽の増加、トランスフォーミング成長因子β(TGF-β)発現、および間質硬化....

プロトコル

1. バイポーラ無線周波数システムのモデルを構築する

1. インターフェースを設定するための準備手順
   1. COMSOL Multiphysics を起動し、Model Wizard をクリックします。
   2. Space Dimensionとして3Dを選択します。
   3. AC/DC Physics モジュールを選択 |電界と電流 |電流。
   4. 熱伝達モジュールの選択 |固体中の熱伝達。
   5. 数学モジュールの選択 |PDE インターフェース |係数フォームPDE。
   6. スタディを選択 |時間に依存します。「完了」をクリックします。
   7. Comsol 作業スペースが表示されたら、次の操作を行います。
      1. マルチフィジックスの選択 |電磁加熱。このステップでは、電磁電力損失密度が生体熱伝達方程式の熱源として自動的に結合されます。
         注: マルチフィジックス が自動的に表示されない場合は、

結果

腫瘍内の高い間質液圧が均一に分布し、末梢で正常値 (0-3 mmHg) まで低下することが TME の特徴です。 図4 と 図5 は、温度(A)、格子間流体圧力(B)、流体速度(C)の初期条件(t = 0分)を示しています。加熱開始前の初期温度が33°Cのとき、腫瘍内の間質液圧の値は約9mmHgであり、末梢では3mmHgに減少します。これらの値は 、in vivo 実験中に測定された(.......

ディスカッション

私たちは、腫瘍の熱および間質流体圧力プロファイルに対するRF-hyperthermiaの影響を研究するために、非定常電気熱シミュレーションと流体力学シミュレーションを組み合わせるための計算モデリングプロトコルを提示します。重要な側面は、温度と血管圧の間に存在する関係を捉えることができる数値ワークフローの構築にあり、それが間質液圧の変化を促進します。

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資料

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