Nanodeeltjesoplossing helpt lasers nierstenen met verbeterde efficiëntie te verpulveren

Tijdens een procedure die bekend staat als laserlithotripsie, gebruiken urologen een kleine, videogeleide laser om pijnlijke, mogelijk schadelijke nierstenen tot gruzelementen te schieten. Het is beter voor de patiënt als urologen nierstenen zo fijn mogelijk kunnen afbreken, idealiter tot een stof die veilig kan worden afgezogen. Maar het gebruik van krachtigere lasers zorgt voor extra hitte die het omliggende weefsel kan beschadigen en de patiënt kan verwonden.

“Het is duidelijk dat je de energie niet te veel in je nieren wilt pompen, want dat is iets dat heel gevaarlijk is”, zegt de Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) Asst van de University of Chicago. Prof. Po-Chun Hsu. “Wat we in ons werk demonstreren is een manier om de laserenergie die al wordt gebruikt beter te benutten.”

Hsu is co-auteur van een nieuw artikel gepubliceerd in Geavanceerde wetenschaphet resultaat van een samenwerking van ingenieurs en artsen van UChicago PME en Duke University die pionierden in een manier om de efficiëntie van lasers op nierstenen te verbeteren, zonder de lasers te veranderen. Dit werk zou kunnen resulteren in kortere operaties, sneller herstel en minder herhaling van een ziekte die 11% van de Amerikanen treft, en zou alleen al in 2000 de nationale gezondheidszorguitgaven met meer dan $2 miljard doen stijgen.

“Dit is een klassiek voorbeeld van hoe het verbinden van punten iets kan creëren dat transformatief is”, zegt Hsu, wiens onderzoek vooral betrekking heeft op hittereflecterend materiaal. bouwmaterialen En stoffen.

Co-auteur Michael Lipkin, uroloog bij Duke Health, beschreef de samenwerking tussen ingenieurs en artsen als een kans voor beiden.

“Het is een geweldige kans als arts om samen te werken met onderzoekswetenschappers van wereldklasse om een ​​probleem aan te pakken dat directe voordelen heeft voor onze patiënten”, aldus Lipkin. “Dit soort partnerschappen zijn een vruchtbare voedingsbodem voor geweldige ideeën die de wereld veranderen.”

Een oplossing in oplossing

Om de prestaties van een laser te verbeteren zonder de laser zelf te veranderen, had het interdisciplinaire team een ​​innovatieve oplossing nodig; een innovatieve zoutoplossing.

Artsen gebruiken zoutoplossing (licht zout water) om het holle deel van de nier uit te zetten en de zichtbaarheid tijdens de procedure te behouden. Een groot deel van de laserenergie wordt doorgaans in de vorm van warmte in de zoutoplossing gedissipeerd. De onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van donkere nanodeeltjes die lasergolflengten aan deze zoutoplossing absorberen, de laser op de steen gericht houdt, in plaats van te reflecteren of weg te verdwijnen.

Dit verbetert de hoeveelheid laserenergie die wordt overgedragen naar en geabsorbeerd door de nierstenen, een kenmerk waarvan velen dachten dat het niet gemakkelijk kon worden gemanipuleerd, zei overeenkomstige auteur prof. Pei Zhong van Duke University Engineering.

“Elke laser heeft zijn eigen inherente golflengte, gebaseerd op de technologie waarmee de laser werd gegenereerd. Mensen dachten:” Als de golflengte vaststaat, kun je de absorptie van de laser in de werkvloeistof of in de steen die je probeert te richten niet veranderen, “zei Zhong. “Nanovloeistof brengt een nieuwe dimensie, onafhankelijk van de steensamenstelling, onafhankelijk van de laser, die deze zeer complexe fysieke procedure kan beïnvloeden.”

Maar niet elke nanovloeistof is geschikt voor een medische procedure, zegt eerste auteur Qingsong Fan, een postdoctoraal onderzoeker bij UChicago PME.

“Allereerst moet de oplossing absorberend zijn bij de golflengten van de laser, die ongeveer 2.000 nanometer of twee micrometer zijn,” zei Fan. “Het tweede criterium is dat de nanodeeltjes zich goed in water moeten verspreiden, want zo irrigeren we de nieren. En het derde – en het belangrijkste criterium – is dat het veilig moet zijn.”

Uit tests met in het laboratorium gekweekte nierstenen bleek dat het team alle drie de punten had behaald. De nanovloeistof verbeterde de efficiëntie van steenablatie met 38-727% bij spotbehandeling en 26-75% bij scanbehandeling. Het onderdompelen van levende cellen in de nanovloeistof gedurende verschillende perioden tot 24 uur toonde aan dat de effectieve nanodeeltjesoplossing ook niet-toxisch en veilig was.

In de praktijk zal dit materiaal echter nooit zo lang in contact komen met cellen. Lithotripsie is een poliklinische procedure die ongeveer 30 minuten duurt. Hsu hoopt dat het verbeteren van de absorptie-efficiëntie die tijd kan terugbrengen tot 10 minuten.

“Als je te veel tijd aan deze operatie besteedt, zal de afvalwarmte van de laser zich ophopen, en dat zal feitelijk schadelijker zijn dan de ablatie zelf,” zei Hsu.

Verschillende stenen, verschillende lasers

De studie concentreerde zich op holmium:yttrium-aluminium-granaat (Ho-YAG) lasers en in het laboratorium gekweekte nierstenen. De gouden standaard voor laserlithotripsie, Ho-YAG, is veruit het meest voorkomende, maar verre van het enige gebruikte type laser.

“Sommige lasers presteren goed bij het afstoffen, andere lasers presteren beter bij het fragmenteren, maar geen enkele laser kan uitzonderlijk goed presteren bij zowel het afstoffen als het fragmenteren,” zei Zhong. “Tenzij je in een groot ziekenhuis als de Universiteit van Chicago of Duke bent, kunnen plaatselijke artsen zich misschien niet meerdere lasers veroorloven. Nanofluid heeft het potentieel om de prestaties van elke laser onder verschillende klinische scenario’s te verbeteren.”

De volgende stappen zijn onder meer testen om te zien hoe hun nieuwe techniek werkt met behulp van andere veel voorkomende lithotripsielasers en hoe deze echte nierstenen beïnvloedt, in plaats van in het laboratorium gekweekte nierstenen.

Co-auteur Christine Payne, Donald M. Alstadt, voorzitter van de Thomas Lord Department of Mechanical Engineering and Materials Science aan de Duke University, noemde het onderzoek “een goed voorbeeld van hoe fundamenteel onderzoek wordt vertaald in klinische toepassingen.”

“Een van de meest opwindende aspecten van dit onderzoek is hoe een team van wetenschappers en artsen samenwerkte met behulp van hun eigen expertise om een ​​belangrijke vraag te beantwoorden: hoe nierstenen beter kunnen worden behandeld,” zei Payne.