Численное изучение условий подавления первичных очагов злокачественной опухоли и регенерации костных тканей в позвоночнике при ударно-волновой терапии

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 23-79-01107

НазваниеЧисленное изучение условий подавления первичных очагов злокачественной опухоли и регенерации костных тканей в позвоночнике при ударно-волновой терапии

Руководитель Еремина Галина Максимовна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл

Конкурс №84 - Конкурс 2023 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-106 - Проблемы механики в проектировании новых материалов

Ключевые слова злокачественные образования позвоночника, деградация костных тканей, регенерация костных тканей, ударно-волновая терапия, компьютерное моделирование, метод подвижных клеточных автоматов

Код ГРНТИ76.03.29

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
По данным статистики (Kaprin et al. (Eds.) 2022) на 2021 г. в Российской Федерации состоят под диспансерным наблюдением с онкологическими заболеваниями 3 940 529 человек. Впервые выявлено максимальное число 580 415 случаев злокачественных новообразований. Остеосаркома позвоночника являются одним из видов рака приводящих к быстрой инвалидизации человека (Jiang Z.-Y. et al., 2022). При этом считается, что поток интерстициальной жидкости в костном матриксе способствуют развитию неопластического процесса (Kuchumov A.G. 2010, Lynch et al., 2020). Данный факт объясняется тем, что костная ткань обладает привлекательными физическими свойствами, которые облегчают инвазию опухоли (Oprea-Lager et al., 2021). Таким образом, механическое воздействие может также играть ключевую роль в стимулировании активности как опухолевых, так и костных клеток и способствовать поведению опухолевых клеток во время «порочного круга» рака. Ранее считалось, что внешняя механическая стимуляция (в том числе ударно-волновая терапия, УВТ) может привести к увеличению пролиферации раковых клеток в первичных и вторичных очагах опухоли. Однако недавние исследования показали, что к росту и миграции раковых клеток приводит относительно небольшие величины сжимающего напряжения до 40 кПа, а большая амплитуда может привести к остановке роста опухоли (Kalli M. et al., 2018). В работах последнего десятилетия (Mattyasovszky S.G. et al., 2018, Liao Y. et al., 2020) было показано, что высокоинтенсивное ударно-волновое нагружение приводит к разрушению первичных и вторичных очагов раковой опухоли. В то же время большие величины внешнего механического воздействия могут приводить к деградации костных тканей. Поэтому актуальным является исследование влияния уровня механической стимуляции (УВТ) на поражённые злокачественными образованиями сегменты позвоночника с целью регенерации костных тканей и деактивизации раковых областей (Verbruggen A.S.K. et al., 2022). В РФ в статусе стандарта лечения недоброкачественных опухолей в позвоночнике является хирургическая тактика лечения, фармакологическая и лучевая терапия. Разработок по внедрению УВТ при лечении первичных и вторичных очагов раковой опухоли в позвоночнике не ведётся. Данный проект впервые направлен на численное исследование механического поведения грудного отдела позвоночника, пораженных злокачественнными образованиями при динамическом воздействии (ударно-волновом) с помощью метода подвижных клеточных автоматов. На первом этапе запланировано проведение валидации и верификации моделей здоровых тканей позвоночника и тканей, пораженных злокачественной опухолью. На втором этапе предлагается создание моделей и проведение расчетов по численному исследованию напряженно-деформированного состояния сегмента грудного отдела позвоночника при динамическом нагружении. На третьем этапе проекта будет создана модель отдела пораженного злокачественной опухолью при ударно-волновом воздействии. Полученные результаты позволят оценить диапазон механических нагрузок, способствующих регенерации костных тканей и деактивизации первичных очагов рака, и станут научной основой для разработки инструментария для определения параметров терапии, основанной на внешнем механическом воздействии (ударно-волновое) при первичных очагах раковой опухоли в позвоночнике. См. литературу в аннотации на английском языке.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Еремина Г.М., Смолин А.Ю. Разработка численной пороупругой модели остеосаркомы на основе метода подвижных клеточных автоматов Тезисы докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», 11-14 сентября 2023 года, Томск, Россия., с. 261-262 (год публикации - 2023)

2. Еремина Г.М., Смолин А.Ю. Effect of patient-specific factors on regeneration in lumbar spine at healthy disc and total disc replacement. Computer simulation Computer Methods and Programs in Biomedicine, 108172 (год публикации - 2024)
10.1016/j.cmpb.2024.108172

3. Еремина Г.М., Смолин А.Ю. Моделирование ударно-волнового нагружения сегмента грудного отдела позвоночника, пораженного остеосаркомой Известия вузов. Физика, T.67, №6б с. 44-49 (год публикации - 2024)
10.17223/00213411/67/6/7

4. Еремина Г.М., Смолин А.Ю., Мартышина И.П Численное исследование ударно-волнового нагружения на условия для деактивации клеток рака Известия вузов. Физика, T.67, №6б с.39-43 (год публикации - 2024)
10.17223/00213411/67/6/6

5. Еремина Г.М., Смолин А.Ю. Numerical study of therapeutic shockwave treatment on a thoracic spine segment Russian Physics Journal, Russian Physics Journal (год публикации - 2024)
10.1007/s11182-024-03301-2

6. Мартышина И.П., Еремина Г.М., Смолин А.Ю. Numerical Study of the Effect of Shock-Wave Loading of the Bone Matrix with Sarcoma on the Conditions for the Drug Transfer at Mesoscale Russian Physics Journal (год публикации - 2024)
10.1007/s11182-024-03309-8

7. Еремина Г.М., Смолин А.Ю. Численное исследование терапевтического ударно-волнового нагружения на сегмент грудного отдела позвоночника Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Тез. докл. Междунар. конф., 9-12 сентября 2024 г., Томск, Россия / Ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН. –2024.– С. 217-218. (год публикации - 2024)

8. Еремина Г.М., Смолин А.Ю. Numerical study of the shock wave effect on tumour in bone tissue Procedia Structural Integrity, 2024. 65(1):92-96. (год публикации - 2024)
10.1016/j.prostr.2024.11.014

9. Еремина Г.М., Смолин А.Ю. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УДАРНО-ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА РАКОВУЮ ОПУХОЛЬ В КОСТНОЙ ТКАНИ Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций. Материалы XVIII международной конференции. Екатеринбург, 2024. С. 60. , Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций. Материалы XVIII международной конференции. Екатеринбург, 2024. С. 60. (год публикации - 2024)

10. Мартышина И.П., Еремина Г.М., Смолин А.Ю. Численное исследование влияния ударно-волнового нагружения костного матрикса с саркомой на условия переноса лекарственных препаратов на мезоуровне Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, Тез. докл. Междунар. конф., 9-12 сентября 2024 г., Томск, Россия / Ин-т физики прочности и материаловедения СО РАН. –2024.– С. 262-263 (год публикации - 2024)

11. Еремина Г.М., Смолин А.Ю. PHYSIOLOGICAL LOADING INFLUENCE ON THORACIC SPINE SEGMENT WITH CANCER. IN-SILICO STUDY OF MECHANICAL ASPECTS Research on Biomedical Engineering (год публикации - 2025)

12. Еремина Г.М., Смолин А.Ю. ЧИСЛЕННОЕ Р ИССЛЕДОВАНИЕ УДАРНО-ВОЛНОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СЕГМЕНТ ПОЗВОНОЧНИКА,А ПОРАЖЕННОГО ОСТЕОСАРКОМОЙ 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики» памяти Д.А. Индейцева: сборник аннотаций, 19–21 июня, 2024 г. – 299 с., 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики» памяти Д.А. Индейцева: сборник аннотаций, 19–21 июня, 2024 г. – 299 с. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1) Разработана численная макромодель воздействия терапевтической ударной волны от одного источника на сегмент грудного отдела позвоночника, пораженного опухолью. На основе этой модели получены следующие результаты. − При малоинтенсивном терапевтическом ударно-волновом воздействии (УВВ) 0.01-0.025 мДж/мм2 наблюдаются условия для подавления опухоли. − При среднеинтенсивном 0.05- 0.1 мДж/мм2 условия для подавления рака наблюдаются в нижней области пораженной зоны в объеме до 35% опухоли. При данном диапазоне акустического воздействия образуется зона с благоприятными условиями для дальнейшего роста опухоли и стромы объемом около 25%. − При высокоинтенсивном 0.15 и 0.2 мДж/мм2 условия для деактивации неопластического процесса наблюдаются в объеме менее 40% опухоли; образуется зона с условиями для дальнейшего роста клеток саркомы и образованию стромы объемом около 25%. Также негативным эффектом высокоинтенсивного акустического воздействия вблизи приложения нагружения является достижение величин гидростатического давления близких к пределу прочности костных тканей. − Для запуска трансфера здоровых клеток и лекарственных средств подходит среднеинтенсивное УВВ при инвазивной установке аппликатора (более 0.15 мДж/мм2). − Остеопорозные изменения небольшой степени несущественно влияют на паттерн гидростатического давления и давления флюида в порах. Таким образом, необходимости в изменении тактики лечения нет. Впервые показано, что инвазивная техника установки аппликатора подходит для деактивации раковых клеток и структурной перестройки костной ткани в новообразование в диапазоне мало и среднеинтенсивного воздействия. Более подробная информация представлена в работах: Eremina, G.M., Smolin, A.Y. Numerical study of therapeutic shockwave treatment on a thoracic spine segment. Russ Phys J 67, 1699–1705 (2024). https://doi.org/10.1007/s11182-024-03301-2 Martyshina, I.P., Eremina, G.M. & Smolin, A.Y. A Numerical Study of the Effect of Shock-Wave Loading of the Bone Matrix with Sarcoma on the Conditions for the Drug Transfer at Mesoscale. Russ Phys J 67, 1759–1765 (2024). https://doi.org/10.1007/s11182-024-03309-8 2) Разработана численная макромодель воздействия терапевтической ударной волны от одного источника на сегмент грудного отдела позвоночника, пораженного опухолью, при неинвазивной технике расположения аппликатора. На основе этой модели получены следующие результаты. − При малоинтенсивном и среднеинтенсивном УВВ 0.01-0.15 мДж/мм2 наблюдаются условия для деактивации раковых клеток по всей поверхности раковой опухоли. Рост плотности потока энергии приводит к увеличению толщины зоны с благоприятными условиями для отмирания раковых клеток и дифференцировки остеобластов. Однако в центре опухоли наблюдается область с условиями, благоприятными для дальнейшего деления и пролиферации раковых клеток, объем этой зоны не существенно зависит от величины плотности потока энергии. − При высокоинтенсивном УВВ терапевтическом ударно-волновом воздействии (более 0.15 мДж/мм2) на поверхности опухоли со стороны источника акустического воздействия наблюдаются области с благоприятными условиями для дальнейшего роста опухоли и образования защитной оболочки (стромы) вокруг неопластического процесса. − При неинвазивной технике УВВ создаются благоприятные условия для трансфера здоровых стволовых клеток и питательных веществ в опухоль при малоинтенсивном и среднеинтенсивном нагружении. − Остеопорозные изменения небольшой степени несущественно влияют на паттерн гидростатического давления и давления флюида в порах. В центре опухоли наблюдается область с условиями, благоприятными для дальнейшего деления и пролиферации раковых клеток, объем этой зоны несущественно зависит от величины плотности потока энергии, что в свою очередь является неблагоприятным фактором для использования неинвазивной техники УВВ в целях деактивации опухоли. Впервые показано, что неинвазивная методика установки аппликатора способствует созданию условий для трансфера клеток и деактивации клеток в поверхностных слоях опухоли. Еремина Г.М., Смолин А.Ю., Численное исследование механического поведения сегмента позвоночника с остеосаркомой при физиологических и акустических нагрузках. "Вестник Томского государственного университета. Математика и механика" 2025 № 94, в печ. (WOS SCOPUS RSCI) Eremina, G.M. & Smolin, A.Y.Physiological loading influence on thoracic spine segment with cancer” was sent for publication. in-silico study of mechanical aspects. Research on Biomedical Engineering», the article is currently at the review stage (2025) in press.(WOS SCOPUS RSCI) 3) Впервые с помощью метода подвижных клеточных автоматов была разработана структурно-механическая модель воздействия ударной волны от одного источника на сегмент грудного отдела позвоночника с опухолью и эндопротезом ближайшего межпозвоночного диска (при инвазивном технике расположения аппликатора в непосредственной близости на уровне позвонка пораженного опухолью). По результатам моделирования можно сделать следующие выводы. - Замена здорового межпозвоночного диска на искусственный элемент существенно влияет на распределение гидростатического давления. - Терапевтическое УВВ создает условия для роста опухоли и образования защитной стромы. Таким образом, эндопротезирование соседних элементов с пораженным участком позвоночника может быть противопоказанием для применения ударно-волновой терапии. Более подробная информация представлена в работе: 1. Eremina G.M., Smolin A.Y. Effect of patient-specific factors on regeneration in lumbar spine at healthy disc and total disc replacement. Computer simulation Computer Methods and Programs in Biomedicine 2024. 250, 108172. (WOS SCOPUS Q1 RSCI)

Публикации

Возможность практического использования результатов
На данном этапе непосредственной возможности использования результатов проекта в экономике нет. Показана принципиальная возможность деактивации раковой опухоли со структурной перестройкой и трансфера в пораженную область стволовых клеток и лекарственных препаратов за счёт локального применения ударно-волновой терапии. Сформулирован диапазон плотности потока энергии аппаратов УВТ, наиболее рациональный при инвазивной и неинвазивной методике расположения аппликатора при сопутствующих дегенеративно-дистрофических изменениях и эндопротезировании. Разработанные компьютерные модели могут составить основу для расчёта параметров УВТ для конкретного пациента с учётом его физиологических особенностей. Таким образом, результаты данного проекта являются фундаментальной основой для проведения дальнейших прикладных исследований с целью разработки персонализированных планов лечения онкологических заболеваний опорно-двигательного аппарата.