Przejdź do treści

Astronomia pomaga w walce z nowotworami

Symulacje światła w bliskiej podczerwieni (NIR) przenikającego do tkanki skóry

Techniki opracowane przez astronomów mogą pomóc w walce z nowotworami m. in. piersi i skóry. Charlie Jeynes z Uniwersytetu Exeter zaprezentował wyniki badań na ten temat 3 lipca na spotkaniu astronomicznym NAM 2019 na Uniwersytecie w Lancaster.
                          
Duża część współczesnej astronomii wciąż bazuje na technikach wykrywania i analizy światła widzialnego. Naukowcy badają na przykład światło rozpraszane, pochłonięte i ponownie emitowane w obłokach gazu i pyłu, uzyskując tym sposobem "ukryte" informacje o ich wnętrzach. Pomimo znacznych różnic w skali procesów zachodzące w świetle przechodzącym przez ludzkie ciało procesy te bywają bardzo podobne do tych obserwowanych w kosmosie. Gdy w naszym ciele, tak jak w kosmosie, występuje jakaś anomalia - na przykład tkanka rakowa - widzimy wyraźną zmianę w zachowaniu się przechodzącej przez nie fali świetlnej.

W przypadku większości nowotworów ogromne znaczenie ma odpowiednio wczesne zdiagnozowanie problemu. Pewne oznaki choroby pojawiają się z dużym wyprzedzeniem, ale są niewidoczne gołym okiem i niewielkie. Na przykład nowotwory mogą prowadzić do powstawania niewielkich pokładów wapnia w tkankach. Twory te można wykrywać na drodze zmiany długości fali światła podczas jego przechodzenia przez tkankę.

Zespół z Exeter doszedł przy tym do wniosku, że popularne programy komputerowe opracowane do badania powstawania gwiazd i planet mogą być zastosowane do wczesnej detekcji takich formacji w tkankach. - Światło jest podstawą postępów w medycynie, takich jak pomiary dotlenienia krwi u wcześniaków czy leczenie plam przebarwieniowych na skórze laserem. Istnieje więc naturalne powiązanie [medycyny] z astronomią - mówi Charlie.

We współpracy z fizykiem Nickiem Stone zespół udoskonala astronomiczne modele komputerowe tak, by jak lepiej zrozumieć, w jaki sposób wykrywane światło może być zmieniane przez tkanki ludzkie i napotykane w nich nieprawidłowości. Ostatecznym celem naukowców jest opracowanie szybkiego testu diagnostycznego, który pozwoli na przykład uniknąć niepotrzebnych biopsji, poprawiając szanse na przeżycie tysięcy kobiet. Prowadzone są adekwatne już prace z lekarzami klinicznymi ze szpitala RD&E w Exeter. Wszystko to ma utorować projektowi drogę do większych badań klinicznych, a ostatecznie do wdrożenia w praktyce.

W drugim podobnym projekcie zespół z Exeter opracowuje model komputerowy pozwalający na nowatorskie leczenie tzw. nieczerniakowego raka skóry. Jest to najczęstszy rodzaj nowotworu pośród ponad 80 000 przypadków zgłaszanych w Anglii każdego roku. Oczekuje się, że do 2020 roku choroba ta stanie się jeszcze bardziej powszechna, a koszty związane z jej leczeniem wzrosną.

Naukowcy współpracujący z Alison Curnow z Akademii Medycznej w Exeter wykorzystują swój oparty na modelowaniu fizycznym kod do opracowania symulowanego „wirtualnego laboratorium” do badania różnych metod leczenia tego nowotworu skóry. Skuteczny atak ma być zdaniem zespołu podwójny i powinien opierać się z jednej strony na podawaniu leków aktywowanych światłem (terapia fotodynamiczna) i nanocząstek ogrzanych światłem (terapia fototermiczna).

Symulacja pokazuje, w jaki sposób nanocząstki złota w wirtualnym guzie skóry są ogrzewane przez ekspozycję na światło o długości fali typowej dla bliskiej podczerwieni. Po 1 sekundzie napromieniowania guz ogrzewa się o 3 stopnie Celsjusza. Po 10 minutach ten sam guz ogrzewa się o 20 stopni - wystarczy to, by zniszczyć jego komórki. Jak dotąd terapia fototermiczna z nanocząsteczkami okazała się skuteczna u szczurów, ale użycie kodów modelowania komputerowego pozwoli prawdopodobnie zawęzić warunki eksperymentalne pozwalające na rozwijanie tej samej metody leczenia u ludzi.

-Postępów w nauce nigdy nie należy postrzegać w izolacji od innych dziedzin wiedzy. Astronomia nie jest wyjątkiem i chociaż nie można tego wcześniej przewidzieć, związane z nią odkrycia i techniki badawcze często przynoszą korzyści całemu społeczeństwu. Nasza praca jest tego doskonałym przykładem i jestem naprawdę dumny z tego, że pomagamy naszym kolegom lekarzom prowadzić wojnę z rakiem - podsumowuje Charlie Yenes.

Co dalej? Kolejne kroki badań obejmują wykorzystanie modeli 3D renderowanych na podstawie obrazów rzeczywistych guzów i symulację ich “odpowiedzi” na różne schematy leczenia. Dane na temat takich odpowiedzi prowadzą do poznania głębszej wiedzy i stworzenia podstaw do porównywania wyników różnych modeli. W ten sposób zespół będzie w stanie przewidzieć, czy jakieś konkretne rodzaje leczenia są bardziej skuteczne w przypadku konkretnego typu guza, co umożliwi lekarzom uzyskanie większej liczby opcji w zakresie wybrania optymalnego planu leczenia.


Czytaj więcej:

 

Źródło: University of Exeter

Na zdjęciu: Symulacje światła w bliskiej podczerwieni (NIR) przenikającego do tkanki skóry pokazują, że po 1 sekundzie napromieniowania nowotwór osadzony na głębokości 9 mm w skórze, z naniesionymi wcześniej złotymi nanocząsteczkami absorbującymi podczerwień, nagrzewa się o około 3 stopnie, a po 10 minutach - o ponad 20 stopni Celsjusza. To wystarczająca dawka termiczna, aby zabić komórki nowotworowe. Źródło: C. Jeynes