Ανάπτυξη Μεθόδων / Τεχνικών Για Τη Δοσιμετρία Στη Στοχευμένη Φωτοδυναμική Θεραπεία

Abstract

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται την ανάπτυξη μεθοδολογιών για τη δοσιμετρία στη φωτοδυναμική θεραπεία (ΦΔΘ), είτε αυτή εφαρμόζεται ως μονοθεραπεία, είτε εφαρμόζεται εντός ενός συνδυαστικού θεραπευτικού σχήματος. Εστιάζει στην υφιστάμενη ανάγκη εξατομικευμένης αντιμετώπισης της νόσου του καρκίνου, σε επίπεδο ασθενούς. Προκειμένου να καταστεί αυτό εφικτό, απαιτείται η ανάπτυξη υπολογιστικών μεθόδων, οι οποίες, μετά την in situ δοκιμή τους σε εργαστηριακό περιβάλλον, δοκιμάζονται σε in vivo συνθήκες. Άλλωστε, ζώντας στην εποχή της τέταρτης βιομηχανικής επανάστασης, όπου ο ψηφιακός κόσμος διαδραματίζει πρωταγωνιστικό ρόλο, η υπολογιστική μοντελοποίηση της έρευνας καλείται να γίνει το πρώτο βήμα κάθε πειραματικής μελέτης. Σήμερα, η βιοφωτονική και η νανοτεχνολογία διαδραματίζουν εξέχοντες ρόλους στη διαφορική απεικόνιση, στο σχεδιασμό της στοχευμένης ΦΔΘ καθώς και στη δοσιμετρία της. Παγκοσμίως αλλά και στη χώρα μας, οι προοπτικές δείχνουν ένα συνεχώς αυξανόμενο ενδιαφέρον για τη διάδοση της ΦΔΘ, με επιταχυνόμενες προσπάθειες για την επιστημονική τεκμηρίωση των πρωτοκόλλων θεραπείας και δοσιμετρίας της. Η ίδια η φύση της ΦΔΘ, η οποία στηρίζεται σε φαινόμενα οπτικής, βιοφωτονικής, μοριακής φυσικής, φαρμακοκινητικής, κυτταροβιολογίας και ιατρικής φυσικής, ανεβάζει τον πήχη της δυσκολίας της εξατομικευμένης δοσιμέτρησης του φαινομένου. Ως εκ τούτου, το παρόν πόνημα ξεκινά εισάγοντας τον αναγνώστη στη διαχρονική προσπάθεια αντιμετώπισης του καρκίνου. Εν συνεχεία, παρουσιάζεται η ΦΔΘ, ένας από τους λίγους μη-επεμβατικούς τρόπους αντιμετώπισης της νόσου. Δίνονται στοιχεία για τους τρεις θεμέλιους λίθους της, δηλαδή τη μονοχρωματική μη-ιοντίζουσα ακτινοβολία, τη φωτοευαισθητοποιό ουσία και το οξυγόνο. Παράλληλα, αναλύονται τόσο τα πλεονεκτήματα όσο και τα μειονεκτήματα της μεθόδου. Προς αντιμετώπιση του βασικότερου εξ αυτών, το οποίο είναι το περιορισμένο βάθος δράσης, προτείνεται η ενίσχυση του θεραπευτικού αποτελέσματος υπό ένα συνδυαστικό σχήμα θεραπείας, μέσω της προσθήκης νανοδομών. Επομένως, παρεμβάλλεται ένα σύντομο τρίτο κεφάλαιο, αφιερωμένο στη, βασιζόμενη σε νανοσωματίδια, φωτοθερμική θεραπεία. Το τέταρτο κεφάλαιο ολοκληρώνει το απαιτούμενο θεωρητικό υπόβαθρο, αναλύοντας θέματα που άπτονται της δοσιμετρίας της ΦΔΘ. Εν συνεχεία, παρουσιάζεται διεξοδικά ο κώδικας «PDT Simulator» που αναπτύχθηκε για την υπολογιστική προσομοίωση της φωτοδυναμικής δράσης στην περιοχή του όγκου και πέριξ αυτής. Αποτελείται από μικρότερους αλγόριθμους, οι οποίοι υλοποιούνται στο περιβάλλον του προγράμματος «Matlab». Αυτοί υπολογίζουν και παρουσιάζουν μέσω χρωματικών χαρτών, βασικά δοσιμετρικά μεγέθη σχετιζόμενα με τη δέσμη φωτός, όπως τη συγκέντρωση της φωτοευαισθητοποιού ουσίας, του οξυγόνου αλλά και την επαγόμενη καταστροφή του όγκου – στόχου. Επιπροσθέτως, δίνεται και ένα παράδειγμα εφαρμογής του κώδικα για την πληρέστερη κατανόησή του. Το κεφάλαιο έξι που ακολουθεί είναι αφιερωμένο στην κατασκευή προσομοιωτών βιολογικών ιστών από γέλη αγαρόζης και στη μελέτη φωτοθερμικών φαινομένων. Μοντελοποιούνται από απλές έως και σύνθετες / ρεαλιστικές γεωμετρίες, οι οποίες αναπαριστούν όγκους που έχουν ενεθεί με διαλύματα νανοσωματιδίων και ακτινοβολούνται με δέσμες laser. Τα εξαχθέντα αποτελέσματα είναι απαραίτητα για την παραμετροποίηση και έλεγχο του κώδικα που παρουσιάζεται στο κεφάλαιο επτά. Σε αυτό, αναλύεται η ανάπτυξη μίας εύχρηστης εφαρμογής, υπό το όνομα «Thermal Effects Simulator». Στηρίζεται στη χρήση του προγράμματος «COMSOL Multiphysics» και μοντελοποιεί τα επαγόμενα φωτοθερμικά φαινόμενα, μετά την ακτινοβόληση ζώου (μυός) που φέρει καρκινικό όγκο, είτε πρόκειται περί φωτοδυναμικής είτε περί φωτοθερμικής θεραπείας. Το επόμενο κατά σειρά κεφάλαιο παρουσιάζει την in silico αλλά και in vivo εφαρμογή ΦΔΘ σε μύες, δίνοντας έμφαση στη δοσιμετρία του φαινομένου, υπό το πρίσμα της δέσμης ακτινοβόλησης. Με βάση τα αποτελέσματα που προκύπτουν σχεδιάζεται, μοντελοποιείται, εκτελείται και σχολιάζεται, στο κεφάλαιο εννέα, μία βελτιστοποιημένη, συνδυαστική εκδοχή της προαναφερθείσας μελέτης, μέσω της χρήσης των υπολογιστικών μεθόδων που αναπτύχθηκαν κατά τη διεξαχθείσα έρευνα. Επιπροσθέτως, παρουσιάζεται μία διάταξη φωτοδυναμικής και φωτοθερμικής θεραπείας, με έμφαση στη φορητότητα. Τέλος, στο κεφάλαιο δέκα παρατίθενται τα συμπεράσματα της παρούσας διατριβής καθώς και οι μελλοντικοί στόχοι. Αξίζει να σημειωθεί πως μετά τη βιβλιογραφία ακολουθεί εντός παραρτήματος, ένα σύντομο δείγμα της απόδοσης στα ελληνικά, του μοναδικού πλήρους και διεθνώς αναγνωρισμένου πρωτοκόλλου φωτοδυναμικής θεραπείας, όπως και ο κώδικας «PDT Simulator» που αναπτύχθηκε. Όπως προκύπτει από την παρούσα έρευνα, η δοσιμετρία της ΦΔΘ, αν και ιδιαιτέρως πολύπλοκη, δύναται να προσεγγιστεί με τη βοήθεια υπολογιστικών μεθόδων. H χρήση δέσμης ακτινοβόλησης κατάλληλου μήκους κύματος, είναι καθοριστικής σημασίας για την ενεργοποίηση της φωτοευαισθητοποιού ουσίας και την εκκίνηση κυτταροτοξικών φαινομένων. Μάλιστα, ακόμα και αυξημένοι χρόνοι θεραπείας δεν μπορούν να αντισταθμίσουν πλήρως μία πιθανώς μη-κατάλληλη επιλογή πηγής φωτός. Όσον αφορά παράπλευρα θερμικά φαινόμενα, επαγόμενα από την ακτινοβόληση κατά τη ΦΔΘ, αυτά μπορούν να θεωρηθούν αμελητέα. Αναφορικά με τη δράση της θεραπείας, αν και εξαιρετικά εντοπισμένη, αποτελεί ταυτόχρονα και την αχίλλειο πτέρνα της καθότι, υπό επιφανειακή ακτινοβόληση του όγκου, οι εν τω βάθει περιοχές αυτού σαφώς υποδοσιάζονται. Μάλιστα, η επιπρόσθετη ύπαρξη υποξικών περιοχών υποβαθμίζει έτι περαιτέρω το θεραπευτικό αποτέλεσμα. Προς ενίσχυση του τελευταίου μπορεί να εφαρμοστεί επικουρικά φωτοθερμική θεραπεία, μέσω της χρήσης νανοσωματιδίων, λόγω του μεγαλύτερου βάθους δράσης της και της απουσίας εξάρτησής της από το διαθέσιμο οξυγόνο. Σε κάθε περίπτωση, τα θερμικά φαινόμενα δεν έχουν τον ίδιο τοπικό χαρακτήρα. Επομένως, ο πολύ προσεκτικός ορισμός των παραμέτρων της φωτοθερμικής θεραπείας είναι εκ των ουκ άνευ. Μόνο τότε, μπορεί να αντιμετωπιστεί η περιφέρεια του όγκου, χωρίς βλαπτικά αποτελέσματα για τους πέριξ υγιείς ιστούς. Συμπερασματικά, ο κώδικας «PDT Simulator» και η εφαρμογή «Thermal Effects Simulator» που αναπτύχθηκαν, φαίνεται πως είναι σε θέση να προσομοιώσουν επιτυχώς τη συνδυαστική φωτοδυναμική και φωτοθερμική θεραπεία, προφυλάσσοντας από φαινόμενα υπέρ- ή υποδοσιασμού. Μετά την κλινική επιβεβαίωσή τους, δύναται να αποτελέσουν ένα ιδιαιτέρως χρήσιμο εργαλείο στα χέρια του ιατρού και του φυσικού ιατρικής, για το σχεδιασμό, τη δοσιμέτρηση της θεραπείας καθώς και την πρόγνωση του θεραπευτικού αποτελέσματος.