Framgångsrik behandling av hjärntumörer är fortfarande en utmaning. Kirurgiskt avlägsnande är ofta det bästa alternativet, men oförmågan att helt ta bort alla cancerceller kan leda till återfall och metastaser. Tumörbehandlingsfält (TTF), som använder alternerande elektriska fält för att avbryta cancercellers förmåga att dela sig, ger ett potentiellt nytt behandlingsalternativ för hjärntumörer. För glioblastompatienter levereras TTF efter kirurgisk resektion och avslutad kemoterapi och strålbehandling. Kliniska prövningar har visat att tekniken särskilt kan förlänga överlevnaden för vissa patienter.
Kommersiellt godkända TTF-apparater i klinisk användning är dock krångliga att använda. Patienter med rakade huvuden bär en kepsliknande enhet som innehåller transduktormatriser som levererar TTF:erna till hjärnan under rekommenderade 18 timmar dagligen, under ett föreskrivet antal dagar. Locket används med en elektrisk fältgenerator, en strömkälla och en anslutningskabel.
Forskare i Kinas Guangdong-provins har nu utvecklat ett lovande alternativ: en implanterbar ultraljudsdriven tumörbehandlingsenhet (UP-TTD). Det trådlösa TTF-systemet i chipstorlek kan vara till stor nytta, göra behandlingen lättare för patienter att genomgå, och potentiellt också minska kostnaderna.
Chefsutredare Bingzhe Xu, av Sun Yat-sen University i Shenzhen, och medforskare testade framgångsrikt UP-TTD vitro med mänskliga cancerceller och in vivo- med laboratorieråttor. Skriver in Vetenskap Förskott, noterar de att enheten hämmade tillväxthastigheten för mänskliga tumörceller med cirka 58 % och minskade storleken på maligna tumörer i råtthjärnor med 78 % jämfört med kontroller.
Cellcykelstopp
TTF: er fungerar genom att störa mitos, processen för celldelning, som förekommer oftare i cancerceller än i friska celler. TTF:erna påverkar inte normala neurala celler, utan verkar snarare på specifika högladdade proteiner i cancercellerna som är nödvändiga för celldelning, och bromsar därigenom tumörtillväxt och dess förmåga att sprida sig.
För att skapa sin implanterbara enhet integrerade Xu och kollegor alla komponenter i ett enda flexibelt membranchip med en tjocklek på mindre än 500 µm, som kan anpassa sig till de oregelbundna ytorna inuti hjärnan. Kärnkomponenten är en trådlös ultraljudsenergiomvandlare som kopplar mekaniska ultraljudsvibrationer med en triboelektrisk generator för att omvandla mekanisk till elektrisk energi. UP-TTD är packad i ett tunt lager av biokompatibelt material för biosäkerhet och är designad för att upprätthålla en stabil produktion under varierande miljöförhållanden.
Vid extern ultraljudsexcitation genererar UP-TTD ett inställbart elektriskt växelfält. För patientsäkerhet rekommenderar teamet en ultraljudseffekttäthet på 0.2 till 0.4 W/cm2 och mellanfrekventa elektriska fält på 100 till 300 kHz.
Forskarna analyserade först effekten av UP-TTD på glioblastomceller vitro. Efter 12 timmars exponering för UP-TTD hämmades tumörproliferationshastigheten signifikant. De implanterade sedan enheten i hjärnan på tumörbärande råttor. Jämfört med kontrolldjur som inte fick någon behandling, visade de behandlade råttorna mycket mindre områden av cancer, vilket tyder på en signifikant tumörhämmande effekt in vivo.
Säkerhetskontroll
Höga nivåer av ultraljudsenergi kan utöva oväntade termiska och mekaniska effekter som kan orsaka nekros, apoptos och onormalt cellbeteende. Av denna anledning registrerade forskarna temperaturförändringar i realtid efter implantation av enheten och i en kontrollgrupp av tumörbärande råttor som endast behandlades med ultraljud. Ingen av råtthjärnorna i någon av grupperna upplevde signifikant temperaturökning, och det fanns inga inflammatoriska svar under en 21-dagars observationsperiod.
Huvudmonterad magnetisk enhet krymper hjärntumör
Förutom att lindra behovet av att använda skrymmande utrustning och att bära en keps, kräver UP-TTD endast en minimalt invasiv teknik för att implanteras. Dessutom kan flera enheter implanteras för att öka den terapeutiska effekten. I motsats till traditionella TTF:er som behandlar huvudet som en helhet, möjliggör den implanterbara enheten en kontrollerbar volym så liten som 1 cm3 – mer än 1000 gånger bättre rumslig upplösning än befintliga tekniker. UP-TTD är kompatibel med de flesta kommersiella ultraljudsenheter, vilket utökar möjligheten för allmän användning.
"De uppmuntrande resultaten av UP-TTD ökar möjligheten till en ny modalitet för behandling av hjärncancer", skriver författarna. "Denna enhet ger inte bara en säker, effektiv och pålitlig implanterbar lösning för behandling av hjärntumörer, utan ger också nytt hopp för räddningen av patienter med hjärntumörer."
