Содержание под давлением
Опухоли, как и здоровые ткани, для выживания нуждаются в кислороде и питательных веществах.
Чтобы удовлетворить потребности растущей опухоли, кровеносные сосуды из окружающих тканей начинают врастать в опухоль. Тем не менее, в отличие от нормальной ткани, эти новообразованные кровеносные сосуды дезорганизованы, извилистые и неплотные. Считается, что высокое давление, наблюдаемое в опухолях, является результатом этих аномальных кровеносных сосудов, которые пропускают жидкость и белки в область между опухолевыми клетками, известную как интерстициальное пространство.
В нормальных тканях строго регулируемая разница в давлении вытягивает питательные вещества из кровеносных сосудов ткани в интерстициальное пространство, где они могут быть поглощены клетками.
Лекарства, проходящие через кровь, также полагаются на эту разницу давления, чтобы достичь клеток. Когда давление в интерстициальном пространстве увеличивается, как в случае многих опухолей, лекарства менее склонны покидать кровеносные сосуды.
В результате пациенты с опухолями с высоким межуточным давлением часто получают менее чем адекватную дозу химиотерапии или других типов противораковых препаратов. Кроме того, высокое интерстициальное давление также может способствовать снижению уровня кислорода в опухолях.
Поскольку для эффективности лучевой терапии требуется присутствие кислорода, опухоли с высоким межуточным давлением часто менее восприимчивы к лучевой терапии.
Окно возможностей
Результаты недавних клинических испытаний и исследований на животных предполагают, что класс противораковых препаратов, называемых ингибиторами ангиогенеза, может временно снижать интерстициальное давление и повышать эффективность химиотерапии и лучевой терапии.
Ингибиторы ангиогенеза предотвращают рост новых кровеносных сосудов и давно исследуются как способ остановить рост опухоли. Недавно была выдвинута гипотеза, что после введения этих лекарств существует короткое окно, в течение которого кровоток к опухолям фактически нормализуется. Это окно дает возможность более эффективно доставлять химиотерапевтические препараты и лучевую терапию.
Однако из-за отсутствия эффективных методов измерения межуточного давления опухоли определение оптимального времени для начала химиотерапии или лучевой терапии в рамках этого окна нормализации остается проблемой.
"Сейчас единственный способ измерить давление — воткнуть иглу внутрь опухоли.
Это непрактично для клинического применения », — говорит Бабак Зиайе, доктор философии.D, директор лаборатории биомедицинских микроприборов в Университете Пердью.
Беспроводной датчик давления
После разговоров с онкологами-радиологами, с которыми он сотрудничает, Цзяи решил заняться созданием датчика давления опухоли. Его увлекла новизна проекта. «Никто не делал этого раньше», — сказал Зиайе. "Никто не работал над этим и даже не пытался это сделать."
При поддержке NIBIB Цзяи и его исследовательская группа создали новый датчик, который можно имплантировать в опухоль для беспроводной передачи показаний давления межклеточной жидкости. Датчик представляет собой адаптацию технологии, разработанной в 1950-х годах под названием капсула Гайтона, которая представляет собой перфорированную капсулу, которая после имплантации позволяет интерстициальной жидкости проходить через нее.
Последующее введение иглы в капсулу обеспечивает прямой доступ к интерстициальной жидкости для измерения давления.
Используя специальные методы микротехнологии, Цзяи создал миниатюрный беспроводной датчик давления и объединил его с капсулой, подобной Гайтону, чтобы он мог генерировать показания внутреннего давления без использования иглы и считывать их удаленно.
Недавно Зиаи и его команда протестировали устройство, имплантировав его в опухоли поджелудочной железы у мышей, и смогли показать снижение интерстициального опухолевого давления после введения ангиогенного ингибитора.
«Это прекрасный пример силы науки о конвергенции», — сказала Тиффани Лэш, доктор философии, программный директор по сенсорным технологиям в NIBIB. «Объединение знаний из естественных наук и физических наук с инженерными концепциями может помочь в решении важных клинических проблем. Речь идет о творческом мышлении для создания новых способов лечения болезней."