2014: "Удаленный" ультразвуковой скальпель для неинвазивной хирургии

Сотрудники физического факультета МГУ (группа д.ф.-м.н. В.А.Хохловой, кафедра акустики) в коллаборации с учеными из университета штата Вашингтон (Сиэтл, США) разработали инновационный метод неинвазивного хирургического вмешательства: операция проводится фокусированным ультразвуком, который механически разрушает больную ткань, а от ее остатков организм избавляется сам.

В хирургии считается, что, чем меньше разрез, тем легче переносится операция. Яркий пример тому — эндоскопические операции, где хирург действует через прокол. В конце XX века в медицинскую практику стал входить новый перспективный метод, где операция идет вообще без внешних разрезов: рабочим инструментом хирурга является ультразвук. Метод носит название неинвазивной хирургии с помощью высокоинтенсивного фокусированного ультразвука (HIFU, в английском варианте). Его суть состоит в тепловой денатурации тканей за счет поглощения энергии фокусированного ультразвукового пучка; в дальнейшем переработка продуктов денатурации производится организмом самостоятельно. В настоящее время ультразвуковая хирургия применяется для лечения ряда серьезных болезней. Так, в 2004 году метод был одобрен американским агенством Министерства здравоохранения FDA для лечения миомы матки, а еще в конце 1990-х в Европе его начали применять в лечении рака простаты.

Ученые МГУ в сотрудничестве с коллегами из университета штата Вашингтон (Сиэтл, США) в течение последних лет развивали инновационную модификацию метода под названием «гистотрипсия с кипением» (от boiling histotripsy, в английском варианте). Отличие метода от традиционной ультразвуковой хирургии состоит в том, что разрушение ткани происходит механическим методом, без нагревания. По словам д.ф.-м.н. В.А. Хохловой, доцента кафедры акустики физического факультета МГУ, принимавшей участие в исследованиях, новый метод лишен многих недостатков теплового HIFU — дороговизны, опасности перегрева промежуточных тканей (ребер и кожи), а также того, что диффузия тепла от фокуса может повреждать ткани, стенки сосудов и кости вокруг облучаемого участка. «Часто вызывает недоумение само название метода — гистотрипсия с кипением, — говорит В.А. Хохлова. — Кипение предполагает нагрев ткани до высоких температур, а конечный результат нашего метода — механическое разрушение ткани практически без ее тепловой денатурации».

Ранее ученые развивали свой метод, используя ткани различных органов ex vivo, и вот недавно им удалось показать его работоспособность in vivo, на живой ткани — как модель была выбрана печень свиньи. Соответствующая публикация вышла в авторитетном журнале PNAS (PNAS, v. 111(22), 2014, 8161–8166).

Суть метода заключается в использовании нелинейных акустических волн, профиль которых содержит ударные фронты — резкие скачки давления — для механического разрушения тканей, например, при лечении доброкачественных и злокачественных опухолей. Цепь явлений, происходящих в тканях, состоит в следующем. Высокоинтенсивные, но очень короткие (миллисекундной длительности) ультразвуковые импульсы фокусируются внутрь биоткани. При распространении от излучателя за счет нелинейных эффектов профиль ультразвуковой волны искажается, и в фокусе на каждом периоде волны образуются ударные фронты. Такие волны совершенно иным образом воздействуют на ткань по сравнению с гармоническими волнами. Так, нагрев ткани в фокусе при поглощении ультразвуковой энергии на разрывах может происходить в сотни раз быстрее, в течение миллисекунд. В результате в фокусе происходит локальное взрывное вскипание ткани и образуется паровая полость миллиметрового размера. При этом размер перегретой области – около ста микрон, а размер образующейся полости гораздо больше, поэтому при расширении полость быстро охлаждается. Взаимодействие ультразвука с этой полостью приводит к разрушению ткани вокруг нее, генерации акустического фонтана, атомизации биоткани внутрь полости и ее заполнению жидкой перемолотой тканью, состоящей из субклеточных компонентов размером не более ядра клетки.

«Развитие метода началось, собственно, с идеи использования эффективного нагревания ткани в режиме ударно-волнового воздействия, поскольку одной из основных проблем клинического применения HIFU является длительность облучения. В основных клинических установках используется МРТ-контроль температуры в фокусе, поэтому процедура получается и длительной, и дорогой. Время, необходимое для облучения опухоли размером порядка нескольких кубических сантиметров, обычно составляет несколько часов. Мы хотели ускорить абляцию, используя более эффективный нагрев ткани нелинейными ультразвуковыми волнами с ударными фронтами. И при этом оказалось, что некоторые импульсно-периодические режимы такого воздействия не только быстро нагревают ткань, но могут разрушать ее механически», — рассказывает В.А. Хохлова.

Идея использования нелинейных эффектов для разработки новых режимов разрушения биологических тканей в HIFU родилась на кафедре акустики физического факультета МГУ. Специалисты МГУ приняли участие также в разработке специальных методов измерения и расчета нелинейных полей, создаваемых источниками ультразвуковой хирургии, моделировании воздействия ультразвука на ткани, исследовании физических механизмов такого воздействия; численное моделирование проводились на суперкомпьютерах «Чебышев» и «Ломоносов» в МГУ.

Метод гистотрипсии с кипением еще не введен в клиническую практику, но потенциально может решить многие проблемы, которые существуют при использовании тепловой денатурации тканей ультразвуком. «Воздействие быстрое, предсказуемое и с гораздо лучшей пространственной локализацией, т.е. более эффективное и безопасное. В работе, опубликованной в PNAS, была также обнаружена селективность разрушений по типу тканей. Например, оказалось, что стенки сосудов разрушить довольно сложно. Это обеспечивает их защиту при облучении участков ткани, которые находятся близко к сосудам. Перемолотый объем ткани гораздо быстрее рассасывается организмом, чем объем «сваренной» ткани и даже может выводиться из организма естественным путем», — рассказывает В.А. Хохлова. По ее словам, новый метод открывает и совершенно новые возможности использования ультразвука в медицине, в этом направлении уже ведутся активные исследования.

Разрушение ткани на субклеточные компоненты может иметь перспективу для стимуляции иммунного отклика организма при лечении онкологических заболеваний. Уже ведутся работы по точечному механическому разрушению ткани методом гистотрипсии с целью высвобождения в кровообращение биомаркеров рака или других заболеваний. Следующий за таким воздействием анализ крови позволит диагностировать заболевание с высокой точностью и, возможно, подобрать эффективный метод лечения.

Тот факт, что пороги разрушения тканей различных типов сильно отличаются, может оказаться перспективным для получения очищенных сосудистых структур в исследованиях по созданию искусственных органов. Механические локальные разрушения в ткани сердца с помощью ультразвука могут инициировать рост микрососудов и, таким образом, способствовать восстановительным процессам после инфаркта. Разрушение определенных участков тканей сердца — новый метод лечения различных видов аритмий. «Можно воздействовать через кости черепа на участки мозга для разрушения опухолей и лечения тремора. Такие операции, хотя и единичные, уже реально делаются в нескольких клиниках США», — поясняет В.А. Хохлова.

«В отличие от света, тело человека почти прозрачно для звуковых волн, поэтому фокусировку можно осуществлять на любой глубине и даже через кости грудной клетки проводить облучение таких важных органов как сердце и печень. Фактически мы имеем «удаленный» высокоточный хирургический скальпель. Интересно, что очень многое в области HIFU было сделано еще в 50-е–70-е годы прошлого столетия, как в нашей стране, так и за рубежом. Но сейчас, на основе современных достижений в области визуализации и компьютерных технологий, происходит новый виток в развитии этой области медицины», — заключает ученый.

к.х.н. Иван ОхапкинУправление инновационной политики и международных научных связей
по материалам сайта www.msu.ru