وقتی گرما هدفمند می‌شود/ راهی نو برای کاهش آسیب به بافت سالم در درمان سرطان

علی اصغر طاهری در گفت‌وگو با ایسنا اظهار کرد: این پژوهش در قالب پایان‌نامه کارشناسی ارشد رشته مهندسی مکانیک انجام شده است. این پژوهش با تمرکز بر مدل‌سازی عددی انتقال حرارت در درمان غیرتهاجمی تومور سرطانی انجام شده و اثر میدان الکترومغناطیسی، نانوذرات مغناطیسی و مواد تغییر فازدهنده(PCM) را بر توزیع دما در بافت توموری و بافت سالم بررسی می‌کند. هدف اصلی، افزایش موضعی دمای تومور و کاهش آسیب حرارتی به بافت‌های سالم اطراف است.

این محقق در توضیح روش درمانی هایپرترمیا، گفت: در سال‌های اخیر، این روش به‌دلیل توانایی در افزایش پاسخ درمانی، کاهش مقاومت تومور و بهبود کنترل موضعی بیماری، مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. در هایپرترمیا، دمای بافت هدف معمولاً به حدود ۴۱ تا ۴۳ درجه سانتی‌گراد می‌رسد؛ محدوده‌ای که می‌تواند بدون آسیب جدی به بافت‌های سالم، موجب تخریب سلول‌های سرطانی شود.

وی با اشاره به چالش‌های بالینی این روش، تصریح کرد: یکی از مهم‌ترین محدودیت‌های هایپرترمیا، کنترل دقیق و یکنواخت دما در ناحیه تومور است. افزایش بیش از حد دما می‌تواند به بافت‌های سالم آسیب بزند و در مقابل، گرمایش ناکافی اثربخشی درمان را کاهش می‌دهد؛ به همین دلیل، پژوهش‌های اخیر بر توسعه روش‌های پایدار و قابل‌کنترل گرمایش متمرکز شده‌اند.

وی با اشاره به روش‌های اعمال گرما افزود: از انرژی الکترومغناطیسی، امواج فراصوت و هایپرترمیای القایی مغناطیسی برای گرم‌کردن بافت توموری استفاده می‌شود. در روش‌های پیشرفته، با تزریق نانوذرات مغناطیسی و اعمال میدان متناوب، گرما به‌صورت هدفمند در محل تومور تولید می‌شود.

این پژوهشگر افزود: استفاده از میدان‌های الکترومغناطیسی و نانوذرات مغناطیسی به‌عنوان روشی هدفمند برای تولید گرما در محل تومور، به‌طور گسترده بررسی شده است. این نانوذرات در حضور میدان مغناطیسی متناوب، گرما تولید کرده و امکان تمرکز انرژی در بافت سرطانی را فراهم می‌کنند.

طاهری توضیح داد: در این پژوهش، علاوه بر نانوذرات سوپرپارامغناطیسی، از مواد تغییر فازدهنده (PCM) نیز برای پایدارسازی دمای بافت استفاده شده است. این مواد با جذب گرمای اضافی هنگام تغییر فاز، از افزایش ناگهانی دما جلوگیری کرده و به حفظ بافت‌های سالم اطراف تومور کمک می‌کنند.

وی ادامه داد: نتایج مدل‌سازی عددی نشان می‌دهد که نانوذرات مغناطیسی موجب تمرکز گرما در مرکز تومور می‌شوند و در عین حال، PCMها نوسانات دمایی را کاهش می‌دهند. این ترکیب، امکان دستیابی به توزیع دمای یکنواخت‌تر و ایمن‌تر را در فرآیند هایپرترمیا فراهم می‌کند.

این پژوهشگر با اشاره به سازوکارهای اثرگذاری هایپرترمیا، گفت: درمان‌های مرتبط با این روش به دو دسته مستقیم و غیرمستقیم تقسیم می‌شوند؛ در درمان مستقیم، گرما موجب تخریب سلول‌های سرطانی می‌شود و در درمان غیرمستقیم، هایپرترمیا با افزایش حساسیت سلول‌ها به شیمی‌درمانی و پرتودرمانی، اثربخشی این درمان‌ها را تقویت می‌کند.

به گفته طاهری، هایپرترمیا یک روش مکمل محسوب می‌شود و بیشترین کاربرد آن در تومورهای پیشرفته، عودکننده یا غیرقابل جراحی است؛ به‌ویژه در مواردی که درمان‌های متداول به‌تنهایی پاسخ مناسبی نمی‌دهند. مطالعات نشان داده‌اند که ترکیب هایپرترمیا با شیمی‌درمانی و پرتودرمانی می‌تواند حساسیت سلول‌های سرطانی را افزایش داده و مقاومت درمانی را کاهش دهد.

طاهری با بیان اینکه هایپرترمی از نظر گستره درمان به موضعی، ناحیه‌ای و کل بدن تقسیم می‌شود، گفت: انتخاب نوع روش به محل و اندازه تومور و شرایط بیمار بستگی دارد و هدف در همه روش‌ها، تمرکز حداکثری گرما در تومور و حداقل آسیب به بافت سالم است.

این پژوهشگر تأکید کرد: تمرکز بر مدل‌سازی عددی، نانوذرات و مواد پیشرفته نشان می‌دهد که هایپرترمیا در حال حرکت از یک رویکرد تجربی به سمت یک درمان هدفمند، قابل‌کنترل و ایمن در مسیر کاربرد بالینی است.

علی‌اصغر طاهری، با تأکید بر اهمیت مدل‌سازی انتقال حرارت در بافت‌های زنده گفت: در درمان‌های مبتنی بر هایپرترمیا، تعیین دقیق توزیع دما در بافت‌های دارای پرفیوژن خونی نقش کلیدی در ایمنی و اثربخشی درمان دارد و بدون درک صحیح رفتار گرمایی بافت، کنترل دما عملاً امکان‌پذیر نیست.

وی افزود: انتقال حرارت دربافت‌های بیولوژیکی فرآیندی پیچیده است که تنها به هدایت گرما محدود نمی‌شود، بلکه عواملی مانند جریان خون، پرفیوژن، تولید گرمای متابولیکی و تبادل حرارت میان شریان‌ها و وریدها در آن نقش دارند. به همین دلیل، مدل‌های زیست‌گرمایی به‌عنوان ابزار تحلیلی استاندارد در مطالعات هایپرترمیا مورد استفاده قرار می‌گیرند.

طاهری با اشاره به نقش معماری عروقی بدن توضیح داد: خون از طریق شریان‌های اصلی وارد بافت شده و پس از عبور از شبکه‌های میکروواسکولار، از طریق وریدها به قلب بازمی‌گردد. این ساختار عروقی علاوه بر تغذیه بافت، یکی از مهم‌ترین مسیرهای انتقال و تنظیم گرما در بدن محسوب می‌شود. در شرایط گرمایش، افزایش جریان خون و بازگشت خون گرم‌شده به قلب به متعادل‌سازی دمای بدن کمک می‌کند.

این پژوهشگر با اشاره به مدل‌های ریاضی رایج در این حوزه گفت: معادله زیست‌گرمایی پنس یکی از پرکاربردترین مدل‌ها برای پیش‌بینی توزیع دما در بافت است که هدایت حرارت، پرفیوژن خون و گرمای متابولیکی را در نظر می‌گیرد. با این حال، این مدل محدودیت‌هایی مانند فرض یکنواخت بودن دمای خون و نادیده گرفتن جزئیات جریان خون در مقیاس عروقی دارد.

وی ادامه داد: به همین دلیل، مدل‌های پیشرفته‌تری مانند مدل‌های وُلف، کلینگر، چن و هولمز و همچنین مدل وینباوم-جی‌جی-لیمانز(WJL) توسعه یافته‌اند که انتقال حرارت جابجایی ناشی از جریان واقعی خون و اثر پراکندگی گرمایی را با دقت بیشتری توصیف می‌کنند. این مدل‌ها به‌ویژه در بافت‌های دارای رگ‌های بزرگ یا پرفیوژن بالا اهمیت ویژه‌ای دارند.

طاهری با اشاره به مدل WJL توضیح داد: در این مدل، شریان‌ها و وریدها به‌صورت جفت‌های نزدیک با جریان‌های مخالف در نظر گرفته می‌شوند و بخشی از گرمای خون شریانی پیش از رسیدن به بستر مویرگی، به خون وریدی منتقل می‌شود. این پدیده نقش مهمی در تعدیل دمای بافت و ایجاد تعادل حرارتی موضعی دارد.

به گفته وی، نتایج مقایسه‌ای نشان می‌دهد که در بسیاری از شرایط بالینی، مدل‌های پیشرفته زیست‌گرمایی نسبت به مدل پنس، توصیف واقع‌بینانه‌تری از رفتار حرارتی بافت ارائه می‌دهند و می‌توانند مبنای مناسب‌تری برای طراحی درمان‌های ایمن هایپرترمیا باشند.

این پژوهشگر با اشاره به نقش روش‌های عددی، افزود: برای حل معادلات میدان الکتریکی و زیست‌گرمایی در هندسه‌های واقعی، لازم است این معادلات به‌صورت عددی گسسته‌سازی شوند. معمولاً ابتدا میدان پتانسیل الکتریکی در نواحی تومور و بافت سالم محاسبه می‌شود، سپس شدت میدان و گرمای تولیدشده استخراج شده و در نهایت، توزیع دمای گذرا در بافت به‌دست می‌آید.

طاهری تأکید کرد: پایداری عددی در این فرآیند اهمیت بالایی دارد و انتخاب صحیح گام‌های زمانی و مکانی باعث می‌شود نتایج شبیه‌سازی مستقل از اندازه شبکه محاسباتی بوده و همگرایی مناسبی داشته باشند. این موضوع اعتبار مدل عددی را برای استفاده در طراحی درمان‌های مبتنی بر میدان‌های الکترومغناطیسی افزایش می‌دهد.

وی خاطرنشان کرد: توسعه مدل‌های زیست‌گرمایی پیشرفته و روش‌های حل عددی دقیق، پل ارتباطی میان شبیه‌سازی و کاربرد بالینی هایپرترمیا است و امکان کنترل هدفمند دما، تمرکز گرما در بافت توموری و جلوگیری از آسیب به بافت سالم را فراهم می‌کند.

طاهری، با تشریح نتایج یک مطالعه عددی در حوزه مدل‌سازی میدان الکترومغناطیسی و انتقال حرارت در بافت توموری، گفت: در گام نخست، رفتار حرارتی بافت بدون استفاده از نانوذرات مغناطیسی بررسی شد تا نقش مستقل میدان الکتریکی در افزایش دما ارزیابی شود. در این مدل، بافت سالم و تومور به‌صورت یک دامنه دوبعدی در نظر گرفته شدند و توزیع میدان الکتریکی و دما با فرض خواص دی‌الکتریک ثابت برای هر ناحیه محاسبه شد.

وی افزود: نتایج نشان داد که اگرچه با افزایش توان میدان الکتریکی می‌توان دمای بافت توموری را افزایش داد، اما تمرکز گرما به‌طور کامل به ناحیه تومور محدود نمی‌ماند و بخش‌هایی از بافت سالم نیز در معرض دماهای بالا قرار می‌گیرند. به گفته وی، در حالت‌های ساده گرمایش، افزایش دما در تومور همواره با افزایش ناخواسته دما در بافت سالم همراه است و این موضوع می‌تواند خطر آسیب حرارتی به بافت‌های اطراف را افزایش دهد؛ بنابراین استفاده از میدان الکتریکی به‌تنهایی امکان کنترل دقیق و موضعی دما را فراهم نمی‌کند.

این پژوهشگر با اشاره به بخش دوم مطالعه، اظهار کرد: در ادامه، مدل توسعه‌یافته‌ای ارائه شد که در آن نانوذرات مغناطیسی به‌صورت هدفمند در ناحیه تومور در نظر گرفته شدند و گرمای تولیدشده ناشی از برهم‌کنش این نانوذرات با میدان الکترومغناطیسی به‌عنوان یک منبع حرارتی اضافی وارد معادلات زیست‌گرمایی شد.

طاهری توضیح داد: نتایج شبیه‌سازی‌ها نشان داد که با حضور نانوذرات مغناطیسی، دمای ناحیه تومور به‌طور متوسط چند درجه افزایش می‌یابد و بیشینه دما به‌صورت متمرکزتری در مرکز تومور شکل می‌گیرد؛ موضوعی که باعث می‌شود بافت سالم اطراف نسبت به حالت بدون نانوذرات، آسیب حرارتی کمتری را تجربه کند. وی تأکید کرد که پارامترهایی مانند اندازه و غلظت نانوذرات، خواص مغناطیسی آن‌ها و فرکانس میدان الکترومغناطیسی، نقش تعیین‌کننده‌ای در میزان گرمای تولیدشده و الگوی توزیع دما دارند.

به گفته این پژوهشگر، در مدل‌سازی سه‌بعدی نیز ناحیه تومور و بافت سالم اطراف با در نظر گرفتن خواص حرارتی و فیزیولوژیکی متفاوت شبیه‌سازی شدند و نتایج نشان داد که افزودن نانوذرات مغناطیسی از جنس اکسید آهن می‌تواند دمای بیشینه تومور را تا حدود ۱۶ درجه سانتی‌گراد افزایش دهد، در حالی که این افزایش دما عمدتاً در مرکز تومور متمرکز باقی می‌ماند و به‌طور یکنواخت به بافت سالم گسترش نمی‌یابد.

طاهری در ادامه با اشاره به استفاده هم‌زمان از نانوذرات مغناطیسی و میکرو/نانوذرات تغییر فازدهنده(PCM)، گفت: نتایج مدل‌سازی سه‌بعدی نشان داد که PCMها با جذب گرمای نهان در هنگام تغییر فاز، نقش یک سپر حرارتی را ایفا کرده و از افزایش بیش از حد دما در بافت سالم اطراف جلوگیری می‌کنند، در حالی که دمای درمانی مورد نیاز در ناحیه تومور حفظ می‌شود.

وی خاطرنشان کرد: این نتایج نشان می‌دهد که ترکیب میدان الکترومغناطیسی با نانوذرات مغناطیسی و مواد تغییر فازدهنده، نسبت به روش‌های ساده‌تر، امکان تمرکز بهتر گرما، کنترل دقیق‌تر دما و کاهش آسیب به بافت سالم را فراهم می‌کند و می‌تواند مبنای طراحی روش‌های ایمن‌تر و هدفمندتر هایپرترمیا پیش از ورود به مراحل تجربی و بالینی باشد.

به گزارش ایسنا، نتایج این پژوهش که در قالب پایان‌نامه کارشناسی ارشد انجام شده، منجر به انتشار ۴ مقاله علمی در نشریات معتبر داخلی و بین‌المللی شده است. مقالات منتشرشده در این حوزه بر مدل‌سازی عددی هایپرترمیا، تحلیل عدم‌قطعیت در گرمایش القایی با نانوذرات مغناطیسی و استفاده از مواد تغییر فازدهنده برای حفاظت حرارتی بافت سالم تمرکز دارند.  این پژوهشگر که دارای رتبه ۱۶ کنکور دکتری در رشته مهندسی مکانیک، تاکنون موفق به انتشار ۱۱ مقاله علمی ISI و ISC شده است و هم اکنون در حال انجام پایان نامه دکتری خود در دانشگاه زنجان است.

منبع : ایسنا