Ανάπτυξη μεθόδων / τεχνικών για τη δοσιμετρία στη στοχευμένη φωτοδυναμική θεραπεία

Abstract

This doctoral thesis regards the development of methodologies for the dosimetry of photodynamic therapy (PDT), whether it is applied as a monotherapy or as a part of a combined treatment scheme. It focuses in the current need for patient-based, personalized cancer treatment. In order to achieve the aforementioned, the development of computational methods, which will be in situ tested in laboratorial environment before their in vivo application, is imperative. After all, living in the fourth industrial revolution era, where the digitalized reality plays a prominent role, computational modeling is supposed to be the very first step of any experimental study. Today, biophotonics and nanotechnology are crucial in differential imaging and also in the design and dosimetry of targeted PDT. Globally and in our country, the prospects show an ever-increasing interest in the dissemination of PDT, with accelerating efforts for the scientific documentation of its treatment and dosimetry protocols. The very nature of PDT, which is based on phenomena of optics, biophotonics, molecular physics, pharmacokinetics, cytobiology and medical physics, raises the bar of individualized dosimetry. Therefore, this manuscript begins by introducing the reader to the timeless effort to treat cancer. Afterwards, PDT is introduced, one of the few non-invasive ways to treat the disease. Information is given for its three cornerstones, namely monochromatic non-ionizing radiation, photosensitizer and oxygen. At the same time, both the advantages and the disadvantages of the method are analyzed. Focusing on the most important of the latter, which is the limited treatment depth, it is proposed to enhance the therapeutic outcome under a combinational treatment scheme, by adding nanostructures. Therefore, a short third chapter is devoted to nanoparticle-based photothermal therapy. The fourth chapter completes the required theoretical background, by analyzing issues related to the PDT dosimetry. Next follows the detailed presentation of the "PDT Simulator" code that has been developed for the computational simulation of photodynamic action in and around the tumor area. It consists of shorter algorithms, implemented in the environment of the "Matlab" software. These, calculate and present through color maps, basic dosimetric values, related to the light beam, such as the photosensitizer and oxygen concentration as well as the induced tumor destruction. In addition, an example of the application of the code is given for its comprehensive understanding. The following chapter is dedicated to the construction of agar-based biological tissue phantoms and the study of photothermal phenomena. They are modeled from simple to complex / realistic geometries, which represent tumors injected with nanoparticle solutions and irradiated with laser beams. The extracted results are necessary for the configuration and confirmation of the code presented in chapter seven, where the development of a user-friendly application, called "Thermal Effects Simulator", is presented, based on the use of the "COMSOL Multiphysics" software. It models the induced photothermal phenomena, after the irradiation of an animal (mouse) that has a cancerous tumor, whether it is subjected to photodynamic or photothermal treatment. The next chapter presents the in silico and in vivo application of PDT in mice, with emphasis on the dosimetry of the phenomenon, from a radiation beam perspective. Based on the results obtained, an optimized and combinational version of the aforementioned study is designed, modeled, executed and discussed, in chapter nine, using the computational methods developed during this research. Moreover, a photodynamic and photothermal therapy set-up is presented, with emphasis on portability. Finally, chapter ten presents the conclusions of the present study as well as the future objectives. It is worth mentioning that the references section is followed by an appendix, where a brief sample of the Greek translation of the only complete and internationally accepted photodynamic therapy protocol, as well as the developed "PDT Simulator" code are presented. According to the present study, PDT dosimetry, although particularly complex, can be assessed with the aid of computational methods. The use of a beam of appropriate wavelength is crucial for the activation of the photosensitizer molecules and the initiation of cytotoxic effects. In fact, even increased treatment times cannot fully counteract a potentially unsuitable light source choice. Regarding the potential thermal side effects of radiation during a PDT session, they can be considered negligible. As for the PDT action, although extremely localized, it is at the same time its Achilles heel, since deep areas are clearly underdosed, under superficial-based tumor irradiation. In fact, the additional existence of hypoxic areas further degrades the therapeutic effect. To enhance the latter, photothermal therapy can be auxiliary applied, through the use of nanoparticles, due to its greater depth of action and its absence of dependence on available oxygen. However, the thermal phenomena are not highly localized and therefore, the very careful choice of their parameters is crucial. Only under these circumstances can the periphery of the tumor be treated without damaging the surrounding healthy tissues. In conclusion, the developed "PDT Simulator" code and the "Thermal Effects Simulator" application, seem to be able to successfully simulate the combination of photodynamic and photothermal therapy, protecting against over- or underdosing. Once clinically confirmed, they could be a particularly useful tool in the hands of physicians and medical physicists, for treatment planning and dosimetry as well as for estimating the therapeutic outcome.

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.