Matemaattisten mallien esisuunnittelu EUS-ohjatussa haimavaurioiden laserablaatiossa (LA-EUS MOD)

Haiman duktaalinen adenokarsinooma (PDAC) on neljäs syöpäkuolemien syy länsimaissa, arviolta 57 600 uutta tapausta ja 47 050 kuolemaa Yhdysvalloissa vuonna 2020.

Koska tämän tappavan taudin aiheuttamien kuolemien määrä kasvaa nopeasti, sen arvioidaan olevan toiseksi yleisin kasvaimiin liittyvien kuolemien syy vuoteen 2030 mennessä.

PDAC:n korkea kuolleisuus johtuu useista syistä, mukaan lukien: i) huonosta varhaisesta diagnoosista, ii) vakavasta biologisesta aggressiivisuudesta ja iii) vasteen puutteesta systeemisille hoidoille.

Tällä hetkellä kirurginen resektio, eli haiman poisto, on ainoa laajalti hyväksytty hoitovaihtoehto, joka voi lisätä pitkän aikavälin eloonjäämistä. Kuitenkin vain 20 % potilaista on sopivia leikkauksia diagnoosihetkellä. Suurimmalla osalla potilaista tauti on edennyt tai metastaattinen, eikä kirurginen resektio ole mahdollinen vaihtoehto. Näissä viimeisissä tapauksissa on saatavilla vain palliatiivisia ratkaisuja.

Nykyään on kasvava kiinnostus uusien ja vaihtoehtoisten hoitostrategioiden tutkimiseen, joita voitaisiin käyttää synergiassa sädehoidon ja kemoterapian kanssa. Näihin menetelmiin kuuluu kasvainten vastaisten aineiden rokottaminen leesion sisällä laparoskooppisen, perkutaanisen tai echoendoskooppisen (EUS) ohjauksen avulla ja lokoregionaalinen ablaatio kasvaimen massan vähentämiseksi.

Tämä ratkaisu voi olla erityisen hyödyllinen niille potilaille, jotka ovat vakaat kemoterapian jälkeen, ilman merkkejä taudin taantumisesta tai etenemisestä. Ablaatio voidaan saada erilaisilla energialähteillä, kuten radiotaajuudella, mikroaaltouunilla ja laserilla.

Di Matteo ja yhteistyökumppanit suorittivat ensimmäisen tutkimuksen EUS-ohjatusta LA:sta ihmispotilailla, jotka suorittivat äskettäin prospektiivisen tutkimuksen EUS-ohjatun LA:n toteutettavuudesta tapauksissa, joissa PDAC ei toimi ja paikallisesti edennyt. Yhteensä 9 potilasta, joilla oli vaiheen III haimasyöpä, seulottiin ja heille tehtiin EUS-ohjattu LA. Kuitu asetettiin leesion yläosaan ja käytettiin seuraavia lasertehoparametreja: 2 W 800 J, 1000 J tai 1200 J; 3 W 800 J, 1000 J tai 1200 J; 4 W 800 J, 1000 J tai 1200 J. Käyttöaika vaihtelee automaattisesti välillä 200 - 600 s tehoarvojen mukaan. Menettelyn teknisessä toteutuksessa ei ollut vaikeuksia. Kuitu oli selvästi näkyvissä kohteena olevassa leesiossa koko laserenergian käytön ajan. Toimenpiteen aikana kuidun kärkeä ympäröi asteittain hyperkaikuinen alue. Tämä vaikutus ei vaarantanut leesion sisällä olevan neulan endosonografista visualisointia. Ablaation lopussa EUS korosti hyperkaikuisen alueen koettimen reitillä, jota ympäröi epähomogeeninen kudos, jossa oli hyperkaikuisia alueita. Merkittäviä komplikaatioita ei löytynyt. Kontrolli-CT-skannaukset 24 tunnin, 7 päivän ja 30 päivän jälkeen osoittivat hyvin määriteltyjä koagulatiivisia nekroottisia alueita. Keskimääräiset ablaatiotilavuudet, jotka saatiin 800 J:lla, pienenivät 85 % (1,18 cm3 24 tunnin jälkeen verrattuna 0,17 cm3 30 päivän jälkeen). Keskimääräiset ablaatiotilavuudet, jotka saatiin 1000 J:lla, pienenivät 76 % (3,16 cm3 24 tunnin jälkeen verrattuna 0,80 cm3:iin 30 päivän jälkeen). Lopuksi, keskimääräiset ablaatiotilavuudet 1200 J:lla laskivat 44 % 30 päivän kuluttua hoidosta (1,77 cm3 24 tunnin jälkeen verrattuna 0,98 cm3 30 päivän jälkeen). Näiden tulosten mukaan 4 W / 1000 J tehokonfiguraatio saavutti suurimman ablaatiovolyymin ilman kliinisiä komplikaatioita.

Leesion täydelliseen hoitoon tähtäävän tutkimuksen suorittamiseksi on tarpeen tunnistaa leesion kokoa ja sijaintia koskevat laserparametrit. Kuten Paiellan tuoreessa tutkimuksessa todettiin, laserlaitteen asetusten valinta ja käsittely vaatii tietyn oppimiskäyrän. Siksi asetusparametrien ennustava matemaattinen malli voi olla erittäin hyödyllinen ablatiivisen menettelyn yksinkertaistamiseksi. Lisäksi oikeiden parametrien puuttuessa voi esiintyä useita mahdollisia komplikaatioita, kuten akuutti haimatulehdus, verenvuoto viereisistä verisuonirakenteista, pohjukaissuolen perforaatio tai sappitievaurio.

LA:n ennustavien mallien tehokkuus on jo osoitettu joissakin ex vivo ja prekliinisissä tutkimuksissa sekä haimassa että muissa kudoksissa.

Ottaen huomioon kaikki yllä olevat näkökohdat, tämä protokolla esittelee prospektiivisen interventiotutkimuksen, jonka tarkoituksena on analysoida ja soveltaa ennustavia matemaattisia malleja laserasetusten laskemiseen haimaleesion ablaatiossa EUS-ohjatun LA:n avulla.

Tutkijat käyttävät matemaattista mallia laserparametrien (teho, hoitoaika) laskemiseen ottaen huomioon kasvaimen koon ja anatomiset ominaisuudet, kuten verisuonten läheisyyden. Tämän tutkimuksen tavoitteet kuuluvat eurooppalaisen LASER OPTIMAL-projektin (Laser Ablation: Selectivity and Monitoring for Optimal Tumor Removal, GA 759159, http://www.laseroptimal.polimi.it/) tavoitteisiin, jonka päätutkijana on professori Saccomandi. ja tohtori Di Matteo on kliinisten toimenpiteiden asiantuntija.

Tämä on prospektiivinen interventiotutkimus, johon osallistuu kaksi italialaista keskusta, Fondazione Policlinico Universitario Campus Bio-Medicon ("koordinoiva keskus") operatiivisen ruoansulatuskanavan endoskopian UOC ja Politecnico di Milanon konetekniikan laitos.

Tämä on kontrolloimaton, ei-satunnaistettu interventiotutkimuksen ei-kaupallinen tarkoitus.

Fondazione Policlinico Universitario Campus Bio-Medicon operatiivisen ruoansulatuskanavan endoskopian UOC vastaa potilaiden rekisteröinnistä ja lääketieteellisten toimenpiteiden suorittamisesta. Politecnico di Milanon konetekniikan laitos työskentelee laserparametrien arvioinnissa matemaattisen mallin avulla. Tähän tarkoitukseen käytetään ehdokkaiden leikkausta edeltäviä radiologisia kuvia.

Potilaat, joilla on vaiheen III ja IV PDAC; toimimattomat tai toimivat neuroendokriiniset kasvaimet; munuaissolukarsinoomasta johtuvat haiman etäpesäkkeet arvioidaan ja sisällytetään tutkimukseen, jos se on kelvollista.

Kaikkia potilaita seurataan koordinointikeskuksessa ilmoittautumisesta kuolemaan tai tutkimuksen loppuun.

Kuvaus opiskelumenetelmistä:

1. Preoperatiivinen radiologinen kuvanotto.

   Tutkimusyhteistyökumppanit käyttävät 7 päivän sisällä ennen LA EUS:n ohjaamaa toimenpidettä kerättyjä MR-kuvia potilaan mallin rekonstruoimiseen. Potilaan mallissa käytetään kasvaimen kokoa ja joitakin anatomisia piirteitä, kuten verisuonten läheisyyttä. Laserin optimaalisten parametrien (teho, energia, aika) arvioimiseen käytetään kuvan segmentoinnin, 3D-geometrian rekonstruoinnin ja laserkudosvuorovaikutuksen matemaattisen simuloinnin tekniikoita Scott et al. kuvaaman menetelmän mukaisesti. Mimics Innovation Suite -ohjelmistoa käytetään erityisesti kiinnostavan anatomisen osan (haima, kasvain, ympäröivät rakenteet) 3D-geometrian saamiseksi. Tämä tuodaan sitten elementtilaskentaohjelmistoon (Comsol Multiphysics), jonka avulla voidaan laskea oikeat ja potilaskohtaiset asetukset.

2. Laserparametriasetusten estimointi matemaattisella mallilla

   Matemaattinen malli perustuu elementtisimulaatioihin, jotka on toteutettu kaupallisella Comsol Multiphysics -ohjelmistolla, kuten Scott et al. ovat aiemmin ehdottaneet. Laserasetukset perustuvat Di Matteon ja työtovereiden kokeissa laskettuihin arvoihin, kuten Saccomandi et al. ovat aiemmin tehneet. ex vivo -malleissa. Tämä osa tutkimuksesta tehdään yhteistyössä Politecnico di Milanon konetekniikan laitoksen kanssa osana eurooppalaista LASEROPTIMAL-projektia (www.laseroptimal.polimi.it), koordinoi Paola Saccomandi ja jonka ulkopuolinen asiantuntija tohtori Di Matteo on.

3. LA EUS:n ohjaama

EUS suoritetaan lineaarisella FUJIFILM EG-580UT -endoskoopilla. Toimenpiteet suoritetaan potilaalle syvän sedaation alaisena vasemmalla kyljellä.

Ennalta ehkäiseviä antibiootteja annetaan välittömästi ennen toimenpidettä ja seuraavat 3 päivää (keftriaksonia 1 g kahdesti päivässä suonensisäisesti). LA suoritetaan 980 nm:n laservalolla (EUFOTON Laser Spectrum), jota ohjaa 300 μm optinen kuitu (EUFOTON). Optisen kuidun sijoitukseen käytetään 22 Gauge -neulaa (Boston Scientific Expect Slimline).

Kuidun pään ulkoneman neulan kärjestä tulee olla 5 mm. Ablaatiohoito voi alkaa, kun kuidun sijoittaminen kasvaimen sisään on oikein. Leesion sisällä neula vedetään hieman sisään ja kuitu työnnetään varovasti ulos neulan kärjestä 5 mm:n verran. Kuitu asetetaan leesion yläosaan ja laser kytketään päälle. Matemaattisen mallin arvioimia laserasetuksia käytetään. Ablaatioiden kokonaismäärä riippuu leesion radiologisista ominaisuuksista ja sijainnista. Erityistä huomiota on kiinnitettävä siihen, että kuidun kärjen, pääsuonien seinämien ja mahdollisten metallistenttien väliin jää 1 cm.