Local low-temperature exposure: destruction, preservation, therapy

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Локальное низкотемпературное воздействие (ЛНВ) вызывает отведение теплоты от биоткани и снижение ее температуры. Это приводит к различным эффектам и ЛНВ возможно разделить на три направления: разрушение – криохирургия, сохранение – криоконсервация или гипотермия внутренних тканей, терапия – локальная криотерапия, как один из методов физиотерапевтического воздействия. Основной фактор получения того или иного эффекта с физической точки зрения – это достигаемая температура в целевой области. В обычной практике планирование и проведение ЛНВ осуществляется на основе массовых рекомендаций без учета индивидуальных особенностей. Это приводит к снижению эффективности и ограничениям по областям применения. В настоящей работе представлен принцип единого подхода к осуществлению всех частей ЛНВ, при выполнении которого удается перейти к прецизионному дозированию, повысить эффективность и расширить возможные области применения. Приведены примеры решения задач для разных частей ЛНВ и показано потенциальное повышение точности воздействия.

ПРИНЦИП ЕДИНОГО ПОДХОДА К ЛНВ

Идея принципа единого подхода осуществления ЛНВ состоит в следующем. Во-первых, это разделение процесса на три этапа: планирование, обеспечение и контроль воздействия, анализ соответствия запланированной и полученной дозы. Во-вторых, это выявление методов осуществления и критериев, влияющих на выполнение, каждого этапа. В-третьих, это поиск путей повышения точности выполнения каждого этапа для возможности прецизионного и эффективного дозирования. В настоящее время планирование выполняется на основе рекомендаций массового характера от производителей оборудования и собственного опыта медицинских работников, что потенциально может привести к достижению отрицательного эффекта. Существуют методы математического моделирования [1, 2], проведения экспериментальных исследований на модельных средах с разработкой номограмм [3, 4], на животных [5] и другие. Перспективный путь лежит как в создании экспериментально верифицированных математических моделей, так и в проведении специально-подготовленных экспериментов, нацеленных на выявление тех или иных особенностей процесса, которые повышают точность планирования. В рамках данной работы показаны примеры решения задач теплообмена экспериментально в различных приложениях, результаты которых потенциально могут способствовать прецизионному дозированию.

ПРИМЕРЫ

В качестве примера предлагается рассмотреть два случая в направлении «разрушения». Первый – повышение точности планирования криоаблации предстательной железы. Разработан и создан специальный экспериментальный стенд, позволяющий имитировать на фантоме биоткани низкотемпературное воздействие несколькими криозондами вблизи критически важной области – около уретрального канала, внутри которого размещена система нагрева и циркулирует физиологический раствор с температурой 38 °С. Проведены опыты по одновременной работе двух криозондов на расстоянии по оси 10 и 20 мм от системы нагрева. Показана важность учета при планировании начальной температуры модельной среды (фантома биоткани), которая значительно влияет на размеры зоны замораживания. Для приведенного случая потенциальное повышение точности аблации по линейным размерам может достигать более 3 мм [6].

В рамках второго случая сравнивались по эффективности различные материалы криохирургических аппликаторов: медь, латунь и искусственный сапфир, который возможно применять для воздействия и контроля зоны замораживания оптическими методами. Был разработан и создан экспериментальный стенд с возможностью смены аппликаторов одинаковых формы и размеров, но различных по материалу. Проведена серия опытов на модельной среде и показано преимущество применения сапфировых аппликаторов в плане скорости замораживания, достижения более низких температур и потенциальной возможности оптического контроля [7]. Получены сравнительные характеристики роста области замораживания, которые возможно использовать на этапе планирования криохирургических операций.

В рамках «сохранения» (криоконсервации) имеется возможность рассмотреть случай применения низкотемпературного воздействия для решения задачи одновременного сохранения каркаса биоткани и удаления слоя клеток донора, называемый децеллюляризацией, в целях трансплантологии. Решается задача экспериментального исследования режимов замораживания-размораживания для достижения вышеописанного эффекта для образцов перикарда животного происхождения. Замораживание подготовленных образцов в специальных контейнерах проводится погружением в жидкий азот с температурой -196 °С, размораживание помещением образцов в фосфатно-солевой раствор с температурой 37 °С в жидкостном термостате TERMEX BT10 (TERMEX, Томск, Россия), стабильно поддерживающем указанную температуру с точностью ±1 °С. Варьировалось время воздействия (2, 5, 10 мин), а также количество повторных циклов от 5 до 50. Получены первые положительные результаты. Показано, что решающее значение оказывает начальное влагосодержание ткани, от которого зависит образование кристаллов льда и которое необходимо контролировать для сохранения механических свойств ткани. Полученные результаты можно использовать на этапе планирования низкотемпературного воздействия в целях децеллюляризации для повышения точности процесса и нивелирования необходимости использования химических средств.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе описан принцип единого подхода для перехода от массовых рекомендаций по дозированию ЛНВ к индивидуальным. Приведены примеры решения задач теплообмена криохирургии и криоконсервации. На этапе планирования при проведении специально-подготовленных экспериментов показана важность учета начальной температуры модельной среды (фантома биоткани), а также перспективность применения сапфирового аппликатора. В рамках криоконсервации, при решении задачи децеллюляризации, получены первые положительные результаты с применением замораживания-размораживания, а также показано значительное влияние начального влагосодержания ткани.

ДОПОЛНИТЕЛЬНО

Вклад авторов: А.В. Пушкарев – разработка экспериментальных стендов, проведение экспериментальных исследований, анализ экспериментальных результатов, сбор и анализ литературных источников, написание текста и редактирование статьи; Н.Ю. Саакян – участие в проведении экспериментальных исследований, обработка экспериментальных результатов. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией).

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с проведенным исследованием и публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Исследование выполняется при поддержке гранта Российского научного фонда (№ 21-19-00676).

ADDITIONAL INFORMATION

Authors' contribution. A.V. Pushkarev – developed experimental installations, conducted experimental studies, and analyzed experimental results; N.Yu. Saakyan – participated in experimental research and the processing of experimental results. All authors made a substantial contribution to conceiving this work, acquiring, analyzing, and interpreting data for this work, drafting and revising this work, and the final approval of the version to be published, and they accept accountability for all aspects of this work.

Competing interests. The authors declare that they have no competing interests.

Funding source. This work was supported by a grant from the Russian Science Foundation (project No. 21-19-00676).

About the authors

Aleksandr V. Pushkarev

Author for correspondence.
Email: pushkarev@bmstu.ru
ORCID iD: 0000-0002-1737-7838
SPIN-code: 5796-8324

leading engineer, Cand. Sci. (Tech.)

Natalia Yu. Saakyan

Email: natali.saakyan@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-6799-5450
SPIN-code: 4390-3138

student

References

Supplementary files