Inovativní přístup ke zlepšení laserové litotrypsie ledvinových kamenů

Během procedury známé jako laserová litotrypse urologové používají malý, videem naváděný laser k odstřelování bolestivých, potenciálně škodlivých ledvinových kamenů na kousky.

Pro pacienta je lepší, když urologové umí ledvinové kameny rozbít co nejjemněji, ideálně na prach, který lze bezpečně odsát – ale při použití výkonnějších laserů vzniká dodatečné teplo, které může poškodit okolní tkáň a pacienta poranit.

Je zřejmé, že nechcete přečerpat energii do ledvin, protože to je něco, co je velmi nebezpečné. V naší práci ukazujeme způsob, jak lépe využít laserovou energii, která se již používá.“

Asst. Prof. Po-Chun Hsu, University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME)

Hsu je spoluautorem nového článku publikovaného v Pokročilá vědavýsledek spolupráce inženýrů a lékařů z UChicago PME a Duke University, kteří propagovali způsob, jak zlepšit účinnost laserů na ledvinové kameny, aniž by se lasery měnily. Tato práce by mohla vést ke kratším operacím, rychlejšímu zotavení a menšímu výskytu recidivy onemocnění, která postihuje 11 % Američanů, a jen v roce 2000 zvýšila národní výdaje na zdravotnictví o více než 2 miliardy dolarů.

„Toto je klasický příklad toho, jak spojení bodů může vytvořit něco, co je transformativní,“ řekl Hsu, jehož výzkum většinou zahrnuje tepelně odrážející konstrukční materiály a tkaniny.

Spoluautor Michael Lipkin, urolog z Duke Health, popsal spolupráci mezi inženýry a lékaři jako příležitost pro oba.

„Je to skvělá příležitost pro klinického lékaře, že se může spojit se špičkovými vědeckými pracovníky a zaútočit na problém, který má přímé výhody pro naše pacienty,“ řekl Lipkin. „Tyto typy partnerství jsou úrodnou půdou pro skvělé nápady, které mění svět.“

Řešení v roztoku

Aby se zlepšil výkon laseru bez změny samotného laseru, interdisciplinární tým požadoval inovativní řešení. Inovativní solný řešení.

Lékaři používají fyziologický roztok – mírně slanou vodu – k roztažení duté části ledviny a udržení viditelnosti během procedury. Velká část laserové energie se obvykle rozptýlí ve fyziologickém roztoku ve formě tepla. Vědci zjistili, že přidání tmavých nanočástic, které absorbují vlnové délky laseru, do tohoto solného roztoku udržuje laser zaměřený na kámen, spíše než se odráží nebo rozptyluje pryč.

To zlepšuje, kolik laserové energie je přenášeno a absorbováno ledvinovými kameny, což je vlastnost, o které si mnozí mysleli, že nelze snadno manipulovat, řekl odpovídající autor inženýrství Duke University Prof. Pei Zhong.

„Každý laser má svou vlastní vlnovou délku založenou na technologii, kterou byl laser generován. Lidé si mysleli: ‚Pokud je vlnová délka pevná, nemůžete změnit absorpci laseru v pracovní tekutině nebo v kameni, na který se snažíte zaměřit‘,“ řekl Zhong. „Nanofluid přináší nový rozměr, nezávislý na složení kamene, nezávislý na laseru, který může ovlivnit tento velmi složitý fyzikální postup.“

Ale ne každá nanofluid je vhodná pro lékařský postup, řekl první autor Qingsong Fan, postdoktorandský výzkumník na UChicago PME.

„Za prvé by řešení mělo být absorpční při vlnových délkách laseru, což je kolem 2000 nanometrů nebo dvou mikrometrů,“ řekl Fan. „Druhým kritériem je, že by se nanočástice měly dobře rozptýlit ve vodě, protože tak ledviny zavlažujeme. A třetím – a nejdůležitějším kritériem – je, že by to mělo být bezpečné.“

Testy na ledvinových kamenech vypěstovaných v laboratoři odhalily, že tým zasáhl všechny tři značky. Nanofluid zlepšil účinnost ablace kamenů o 38–727 % u bodového ošetření a o 26–75 % u skenovacího ošetření. Ponoření živých buněk do nanokapaliny na různé doby trvání až 24 hodin ukázalo, že účinný roztok nanočástic byl také netoxický a bezpečný.

V praxi však tento materiál nikdy nebude v kontaktu s buňkami tak dlouho. Litotrypse je ambulantní zákrok, který trvá asi 30 minut. Hsu doufá, že zlepšení účinnosti absorpce by mohlo zkrátit tento čas na 10 minut.

„Pokud v této operaci strávíte příliš mnoho času, bude se hromadit odpadní teplo z laseru, a to bude ve skutečnosti škodlivější než samotná ablace,“ řekl Hsu.

Různé kameny, různé lasery

Studie se zaměřila na lasery holmium:yttrium-aluminium-granet (Ho-YAG) a ledvinové kameny vypěstované v laboratoři. Zlatý standard pro laserovou litotrypsi, Ho-YAG, je zdaleka nejběžnějším – ale zdaleka ne jediným – typem používaného laseru.

„Některé lasery fungují dobře při prášení, jiné lasery fungují lépe při fragmentaci, ale žádný laser nemůže fungovat výjimečně dobře jak při prášení, tak při fragmentaci,“ řekl Zhong. „Pokud nejste ve velké nemocnici, jako je University of Chicago nebo Duke, obecní lékaři si možná nebudou moci dovolit více laserů. Nanofluid má potenciál zvýšit výkon každého laseru v různých klinických scénářích.“

Mezi další kroky patří testování, aby se zjistilo, jak jejich nová technika funguje pomocí jiných běžných litotryptických laserů a jak to ovlivňuje skutečné ledvinové kameny, nikoli vypěstované v laboratoři.

Spoluautorka Christine Payne, Donald M. Alstadt předseda katedry strojního inženýrství a materiálových věd Thomase Lorda na Duke University, označila výzkum za „dobrý příklad toho, jak se základní výzkum převádí do klinických aplikací“.

„Jedním z nejvíce vzrušujících aspektů tohoto výzkumu je, jak tým vědců a lékařů spolupracoval s využitím svých vlastních odborných znalostí na řešení důležité otázky – jak lépe léčit ledvinové kameny,“ řekl Payne.