Core Concepts
生物組織内の位相欠陥の存在が、がん細胞の局在化に重要な役割を果たしており、これらの欠陥を考慮した熱拡散モデルを用いることで、がん細胞の選択的な破壊と周囲の健康組織の保護を実現できる可能性がある。
Abstract
本論文は、がんの熱的アブレーション療法における微分幾何学の応用について報告している。
がんは制御不能な異常細胞の増殖であり、依然として世界で2番目に多い死因である。そのため、化学療法や放射線療法に加えて、画像誘導型の熱腫瘍アブレーションなどの新しい治療法の開発が求められている。熱アブレーション療法には2つの制約がある:1)がん細胞を破壊しつつ周囲の健康組織を損傷しないこと、2)加熱が完全に行われる必要があり、温度と加熱時間のバランスが重要である。
生物組織には位相欠陥が存在し、これらの欠陥はがん細胞の局在化に重要な役割を果たすことが分かっている。本研究では、位相欠陥を考慮した熱拡散モデルを提案し、様々な生物組織(肝臓、前立腺、皮膚)における熱アブレーション療法の効果を検討した。
位相欠陥の存在により、熱は組織内で異方的に伝播する。Pennes の生体熱方程式にこの幾何学的効果を組み込むことで、欠陥コア領域の高温維持と周囲組織の保護のバランスを取ることができる。
数値シミュレーションの結果、最適な加熱プロトコルは組織の物性に強く依存することが分かった。肝臓や前立腺腫瘍には55°C、20-50秒のコアギュレーション(凝固)プロトコルが適しており、皮膚腫瘍には75°C、20秒の蒸発プロトコルが適している一方、低温の温熱療法では腫瘍を完全に焼き尽くすことができない。
このように、位相欠陥を考慮した熱拡散モデルは、がん細胞の選択的破壊と周囲組織の保護のバランスを取るための有用なツールとなる可能性がある。ただし、本研究にはいくつかの限界があり、より詳細な生物学的知見に基づいたモデル改善が必要である。
Stats
がん細胞の完全な破壊には、少なくとも46°Cで15分間、または60°C以上で数秒間の加熱が必要である。
肝臓組織の特性値: 𝜇𝑡=1079 kg/m^3、𝑐𝑡=3540 J/(kg·°C)、𝜇𝑏=1050 kg/m^3、𝑐𝑏=3639 J/(kg·°C)、𝜔=0.1 s^-1
前立腺組織の特性値: 𝜇𝑡=1050 kg/m^3、𝑐𝑡=3639 J/(kg·°C)、𝜇𝑏=1060 kg/m^3、𝑐𝑏=3770 J/(kg·°C)、𝜔=0.03 s^-1
皮膚組織の特性値: 𝜇𝑡=1060 kg/m^3、𝑐𝑡=2846 J/(kg·°C)、𝜇𝑏=1000 kg/m^3、𝑐𝑏=3860 J/(kg·°C)、𝜔=0.1 s^-1