Наночастицы в растворе повышают эффективность лазерного дробления камней в почках
При процедуре лазерной литотрипсии урологи используют небольшой лазер с видеонаведением, чтобы раздробить болезненные и потенциально опасные камни в почках. Для пациента лучше, если камни разбиваются как можно мельче, в идеале в пыль, которую можно безопасно отсосать. Однако использование более мощных лазеров создает дополнительное тепло, которое может повредить окружающие ткани.
"Очевидно, вы не хотите перекачивать энергию в почку, потому что это очень опасно", — сказал доцент Инженерной школы молекулярной инженерии Прицкера Чикагского университета По-Чунь Сюй. "В нашей работе мы демонстрируем способ лучше использовать уже применяемую лазерную энергию".
Сюй стал соавтором новой статьи в Advanced Science — результата сотрудничества инженеров и врачей из UChicago PME и Университета Дьюка. Они разработали способ повысить эффективность лазеров на камнях в почках, не меняя сами лазеры. Эта работа может привести к сокращению времени операций, более быстрому восстановлению и снижению рецидивов болезни, которая поражает 11% американцев и в 2000 году увеличила расходы на здравоохранение более чем на 2 миллиарда долларов.
Решение в растворе
Чтобы улучшить работу лазера, не изменяя его, междисциплинарной команде потребовалось инновационное решение — инновационный физиологический раствор.
Врачи используют физиологический раствор (слабосоленую воду) для расширения полой части почки и поддержания видимости во время процедуры. Большая часть лазерной энергии обычно рассеивается в растворе в виде тепла. Исследователи обнаружили, что добавление в этот раствор темных наночастиц, поглощающих лазерное излучение, удерживает лазерный луч сфокусированным на камне, а не рассеивающимся.
Это улучшает количество лазерной энергии, передаваемой и поглощаемой камнями в почках. "Нанофлюид привносит новое измерение, независимое от состава камня и лазера, которое может повлиять на этот очень сложный физический процесс", — сказал профессор Пэй Чжун из Университета Дьюка.
По словам первого автора Цинсона Фана, постдока в UChicago PME, не каждый нанофлюид подходит для медицинской процедуры. Критерии:
- Раствор должен поглощать излучение на длине волны лазера (~2000 нанометров).
- Наночастицы должны хорошо диспергироваться в воде.
- Раствор должен быть безопасным.
Тесты на выращенных в лаборатории камнях показали, что команда выполнила все три критерия. Нанофлюид повысил эффективность абляции камней на 38–727% при точечной обработке и на 26–75% при сканирующей обработке. Погружение живых клеток в нанофлюид на срок до 24 часов показало, что эффективный раствор наночастиц также нетоксичен и безопасен.
На практике контакт материала с клетками никогда не будет столь длительным. Литотрипсия — это амбулаторная процедура, длящаяся около 30 минут. Сюй надеется, что повышение эффективности поглощения может сократить это время до 10 минут.
Разные камни, разные лазеры
Исследование было сосредоточено на лазерах на гольмии-иттрий-алюминиевом гранате (Ho-YAG) и выращенных в лаборатории камнях. Ho-YAG — золотой стандарт для лазерной литотрипсии, но далеко не единственный тип лазера.
"Некоторые лазеры хорошо работают на распыление, другие лучше дробят, но ни один лазер не может одинаково хорошо выполнять обе задачи", — сказал Чжун. "Нанофлюид потенциально может улучшить работу каждого лазера в различных клинических сценариях".
Следующие шаги включают тестирование новой методики с другими распространенными литотрипсическими лазерами и на реальных (а не лабораторных) камнях в почках.