S napětím sledujeme nejnovější trendy a proud informací posíláme k vám…

Přístroj pro ireverzibilní elektroporaci z VUT v Brně

Datum: 30.04.2016

elektroporace_(4)_640 elektroporace_(3)_640

Na Ústavu výkonové elektrotechniky a elektroniky Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií Vysokého učení technického v Brně probíhá vývoj přístroje pro ireverzibilní elektroporaci (IRE) rakovinových buněk. Tento přístroj je primárně určen pro preklinickou fázi výzkumu a umožňuje pracovat s metodou elektroporace několika týmům z různých oblastí medicíny. Podobné zařízení již sice v ČR existuje, pro řadu odborníků však není dostupné, především z důvodů jeho ceny. Proto vznikl požadavek na vytvoření vzorku nového přístroje, kterým lze zmíněný standardně používaný systém NanoKnife od firmy AngioDynamics nahradit. Nově navržený přístroj má oproti originálnímu až trojnásobný výkon a k tomu navíc vysokou variabilitu nastavení, což značně rozšiřuje možnosti jeho využití v experimentální praxi.

Zadavatelem celého projektu byla Fakultní nemocnice Brno. Myšlenka vývoje elektroporačního zařízení vznikla v roce 2014. FN Brno Radiologická klinika zadala výrobu funkčního vzorku elektroporačního zařízení FEKT VUT v Brně. Nyní se jedná o spolupráci se zástupci izraelského Hadassah Hebrew University Medical Center a americkým Beth Israel Deaconess Medical Center Boston. Na spolupráci s FN Brno a elektrotechnickou fakultou se také podílí Biofyzikální ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně, jenž dlouhodobě spolupracuje s FEKT v oblasti přístrojové techniky v medicíně.

Co je to vlastně elektroporace rakovinových buněk?

1-1

Obr. 1: Dírky v buněčné membráně nádorové buňky

 

2-1

Obr. 2: Řez játry po aplikaci IRE. Cévy, trubičky a další kolagenní struktury jsou bez poškození

Ireverzibilní elektroporace je nová, nontermální, minimálně invazivní metoda léčby primárních a sekundárních nádorů, která představuje alternativu k běžně používané radiofrekvenční ablaci (RFA), na rozdíl od které nedochází k tepelné destrukci tkáně. Do oblasti, kde se předpokládá zhoubný nádor, se zasunou jehlicové elektrody, do kterých je po úvodním nastavení vyslána série několika desítek krátkých elektrických pulsů o napětí 1500 až 4000 voltů. Jeden puls trvá v řádu desítek mikrosekund a mezi jednotlivými pulsy v sérii bývá interval zhruba jedné vteřiny. Cílem metody je vznik malých pórů na buněčných stěnách viz Obr 1. vlivem působení vysoké elektrické intenzity. To vede ke ztrátě integrity buněčné membrány, poškození homeostázy a následné apoptóze buněk. Elektroporací narušená buňka tedy postupně odumře, avšak vazivové struktury (cévy, nervy apod.) zůstanou na rozdíl od RFA nepoškozené, viz Obr 2. Po odumření buněk poškozené místo obroste novými zdravými buňkami, kdežto původní nádorová tkáň této regenerace není schopna.

Alternativní využití přístroje

V budoucnu je možno přístroj využít i pro velkoplošnou reverzibilní elektroporaci. V takovém případě by se elektrody do orgánu nezapichovaly, ale měly by podobu velkoplošné vodivé mřížky, například z uhlíku. Ta by umožnila provést elektroporaci naráz po celé šíři daného orgánu. To je potřeba především při elektrochemoterapii, kdy dočasně vytvořené póry v buňkách slouží jako brána pro prostup cytostatik dovnitř buněk. Jako další oblast využití přístroje lze uvést zprůchodňování žlučových nebo močových cest za pomoci unikátního balónového elektroporačního katetru. Ten je na povrchu opatřen elektrodami a po zavedení do místa zúžení žlučové cesty se naplní fyziologickým roztokem. Tím se elektrody přitlačí na stěnu trubičky a zajistí se tak dostatečné kontaktování. Po přivedení série elektrických pulsů buňky ve stěně povolí a dojde k roztažení nežádoucího zúžení. Po krátké době po zákroku se póry v buňkách opět zacelí a tím je po vytažení katetru trubička zprůchodněna. Další využití metody lze nalézt v kardiologii, kde se dá metoda patrně využít i pro léčbu srdečních arytmií. Zde se plánuje využít monopolární katetrové aplikátory, které jsou v současnosti vyvíjeny ve spolupráci s ICRC FNUSA Brno.

Obr. 3: Fotografie hotového vzorku přístroje

Obr. 3: Fotografie hotového vzorku přístroje

Vnitřní uspořádání přístroje

Po technické stránce představuje silová část elektroporačního přístroje spínaný zdroj, který se skládá ze vstupního usměrňovače, stejnosměrného meziobvodu, tranzistorového střídače a vysokonapěťového impulzního transformátoru s diodovým usměrňovačem na výstupu. Zdroj má maximální výstupní proud do 100 A a výstupní napětí 5 kV, což představuje impulsní výkon až 500 kW po dobu asi 0,1 ms. Řízení přístroje je zajištěno pomocí digitálního signálového mikrokontroléru Freescale, který zajišťuje veškerá měření, diagnostiku, ochrany a ovládání, stejně jako u jakéhokoliv běžného laboratorního zdroje. Netypicky extrémní výstupní parametry však sebou nesou značné realizační komplikace, proto není vývoj zdaleka u konce.

 

4-1

Obr. 4: Testování přístroje v laboratořích UVEE – zkouška tepelného zatížení tkáně při elektroporaci.

Závěr

Funkce prvního vzorku přístroje byla předběžně testována na půdě Veterinární a farmaceutické univerzity Brno, jak ve spojení s tradičními jehlicovými elektrodami tak i se zmiňovaným balonovým katetrem. Sérií úspěšných experimentů s přístrojem bylo předvedeno, že Spolupráce Radiologické kliniky Fakultní nemocnice Brno, centra ICRC Fakultní nemocnice U Svaté Anny, Biofyzikálního ústavu Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně a Fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně, představuje účelnou platformu, která by v budoucnu mohla přinést nezanedbatelný pokrok v medicíně.

5-1

Obr. 5: Aplikace balonového katetru do vzorku jater

Ústav výkonové elektrotechniky a elektroniky
Vysoké učení technické v Brně
Ing. Dalibor Červinka Ph.D., Ing. Petr Procházka Ph.D., Ing. Jan Martiš
Ing. Veronika Novotná
Radiologická klinika Fakultní nemocnice Brno Bohunice
MUDr. Tomáš Andrašina, Ph.D.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *