Подход к вычислительному моделированию для исследования влияния гипертермии на микроокружение опухоли

Резюме

В статье описан протокол моделирования профилей переходных температур и связанного пространственно-временного изменения давления внутритканевой жидкости после нагрева, выдаваемого системой дипольной радиочастотной гипертермии. Протокол может быть использован для оценки реакции биофизических параметров, характеризующих микроокружение опухоли, на методы интервенционной гипертермии.

Аннотация

Биофизические свойства опухолевого микроокружения существенно отличаются от нормальных тканей. Совокупность признаков, включая снижение сосудистой системы, отсутствие лимфатического дренажа и повышенное интерстициальное давление, снижает проникновение терапевтических средств в опухоли. Локальная гипертермия внутри опухоли может изменить свойства микросреды, такие как давление интерстициальной жидкости, что потенциально может привести к улучшению проникновения лекарственных препаратов. В этом контексте мультифизические вычислительные модели могут дать представление о взаимодействии между биофизическими параметрами в микроокружении опухоли и могут помочь в планировании и интерпретации экспериментов, которые проверяют биоэффекты локальной гипертермии.

В данной статье описан пошаговый рабочий процесс сопряжения вычислительной модели с дифференциальными уравнениями в частных производных, описывающими распределение электрического тока, биотеплопередачу и гидродинамику. Основной целью работы является изучение влияния гипертермии, доставляемой биполярным радиочастотным устройством, на давление интерстициальной жидкости внутри опухоли. Представлена система математических выражений, связывающих распределение электрического тока, биотеплопередачу и давление внутритканевой жидкости, подчеркивая изменения в распределении давления внутритканевой жидкости, которые могут быть вызваны тепловым воздействием.

Введение

Повышенное давление интерстициальной жидкости (ПРЖ) является отличительной чертой солидных опухолей¹. Просачивание жидкости в интерстиций из гиперпроницаемых кровеносных сосудов неуравновешивается выходом жидкости из-за сжатия внутриопухолевых вен и отсутствия лимфатических сосудов ^1,2,3. В сочетании с другими биофизическими параметрами, которые являются аномальными в микроокружении опухоли (TME), включая солидное напряжение и жесткость, повышенный уровень IFP подрывает эффективность как системной, так и местной доставки лекарств

протокол

1. Построить модель биполярной радиочастотной системы

1. Предварительные шаги по настройке интерфейса
   1. Запустите COMSOL Multiphysics и нажмите « Мастер моделирования».
   2. Выберите 3D в качестве пространственного измерения.
   3. Выберите модуль «Физика переменного/постоянного тока» | Электрические поля и токи | Электрические токи.
   4. Выберите модуль теплопередачи | Теплопередача в твердых телах.
   5. Выберите модуль «Математика» | Интерфейсы PDE | Форма коэффициента PDE.
   6. Выбра....

Результаты

Однородное распределение высокого давления интерстициальной жидкости внутри опухоли и снижение до нормальных значений (0-3 мм рт.ст.) на периферии являются отличительными чертами ТМЭ. На рисунках 4 и 5 показаны начальные условия (t = 0 мин) температуры (А), да.......

Обсуждение

Мы представляем протокол вычислительного моделирования для объединения электротермического моделирования переходных процессов с гидродинамическим моделированием для изучения влияния радиочастотной гипертермии на профили теплового и интерстициального давления жидкости в опухол?.......

Материалы

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