במהלך הליך המכונה לייזר ליתוטריפסיה, אורולוגים משתמשים בלייזר קטן ומונחה וידאו כדי לפוצץ אבני כליה כואבות, שעלולות להזיק לחלקים.
עדיף למטופל אם אורולוגים יכולים לשבור אבנים בכליות עד כמה שאפשר, באופן אידיאלי לאבק שניתן לשאוב החוצה בבטחה – אבל שימוש בלייזרים חזקים יותר יוצר חום נוסף שעלול לפגוע ברקמה הסובבת ולפגוע בחולה.
ברור שאתה לא רוצה לשאוב יתר על המידה את האנרגיה לתוך הכליה שלך, כי זה משהו מאוד מסוכן. מה שאנו מדגימים בעבודתנו הוא דרך לנצל טוב יותר את אנרגיית הלייזר שכבר מופעלת".
אסט. פרופ' פו-צ'ון הסו, בית הספר להנדסה מולקולרית של אוניברסיטת שיקגו פריצקר (UChicago PME)
Hsu היה שותף בכתיבת מאמר חדש שפורסם ב מדע מתקדםתוצאה של שיתוף פעולה של מהנדסים ורופאים מ- UChicago PME ואוניברסיטת דיוק שחלו דרך לשפר את יעילות הלייזרים על אבנים בכליות, מבלי לשנות את הלייזרים. עבודה זו עלולה לגרום לניתוחים קצרים יותר, החלמה מהירה יותר ופחות הישנות של מחלה שפוגעת ב-11% מהאמריקאים והעלתה את הוצאות הבריאות הלאומיות ביותר מ-2 מיליארד דולר בשנת 2000 בלבד.
"זוהי דוגמה קלאסית לאופן שבו חיבור נקודות יכול ליצור משהו שיש בו טרנספורמציה", אמר Hsu, שהמחקר שלו כולל בעיקר חומרי בנייה ובדים מחזירי חום.
מחבר שותף מייקל ליפקין, אורולוג ב-Duke Health, תיאר את שיתוף הפעולה בין מהנדסים ורופאים כהזדמנות לשניהם.
"זו הזדמנות מצוינת כקלינאי להיות מסוגל לשתף פעולה עם מדעני מחקר ברמה עולמית כדי לתקוף בעיה שיש לה יתרונות ישירים עבור המטופלים שלנו", אמר ליפקין. "סוגים אלה של שותפויות הם קרקע פורייה לרעיונות נהדרים שמשנים את העולם".
פתרון בפתרון
כדי לשפר את ביצועי הלייזר מבלי לשנות את הלייזר עצמו, הצוות הבינתחומי דרש פתרון חדשני. חדשני מִלְחִית פִּתָרוֹן.
רופאים משתמשים בתמיסת מלח – מים מלוחים עדין – כדי להרחיב את החלק החלול של הכליה ולשמור על הנראות במהלך ההליך. חלק גדול מאנרגיית הלייזר מתפזר בדרך כלל במלוחים בצורה של חום. החוקרים גילו שהוספת ננו-חלקיקים כהים שסופגים אורכי גל לייזר לתמיסת מלח זו שומרת את הלייזר ממוקד באבן, במקום להשתקף או להתפוגג.
זה משפר את כמות אנרגיית הלייזר המועברת ונספגת באבנים בכליות, תכונה שרבים חשבו שלא ניתן לתמרן בקלות, אמר המחבר המקביל להנדסה באוניברסיטת דיוק פרופ' פיי ז'ונג.
"לכל לייזר יש אורך גל מובנה משלו המבוסס על הטכנולוגיה שבאמצעותה הלייזר נוצר. אנשים חשבו, 'אם אורך הגל קבוע, אינך יכול לשנות את הספיגה של הלייזר בנוזל העבודה או באבן שאתה מנסה לכוון אליה'", אמר ג'ונג. "Nanofluid מביא ממד חדש, בלתי תלוי בהרכב האבן, ללא תלות בלייזר, שיכול להשפיע על ההליך הפיזי המורכב מאוד הזה."
אבל לא כל ננו-נוזל מתאים להליך רפואי, אמר המחבר הראשון צ'ינגסונג פאן, חוקר פוסט-דוקטורט ב- UChicago PME.
"קודם כל, התמיסה צריכה להיות סופגת באורכי הגל של הלייזר, שהם בסביבות 2,000 ננומטר או שני מיקרומטרים", אמר פאן. "הקריטריון השני הוא שהננו-חלקיקים יתפזרו היטב במים כי ככה אנחנו משקים את הכליה. והקריטריון השלישי – והקריטריון הכי חשוב – הוא שזה צריך להיות בטוח".
בדיקות על אבנים בכליות שגודלו במעבדה גילו שהצוות פגע בכל שלושת הסימנים. הננו-נוזל שיפר את יעילות אבלציית האבנים ב-38-727% בטיפול נקודתי ו-26-75% בטיפול סריקה. טבילת תאים חיים בננו-נוזל לפרקי זמן שונים של עד 24 שעות הוכיחה שתמיסת הננו-חלקיקים היעילה גם היא לא רעילה ובטוחה.
אולם בפועל, החומר הזה לעולם לא יהיה במגע עם תאים כמעט כל כך הרבה זמן. Lithotripsy הוא הליך אמבולטורי שנמשך כ-30 דקות. Hsu מקווה ששיפור יעילות הספיגה יכול לקצץ את הזמן הזה ל-10 דקות.
"אם אתה מבלה יותר מדי זמן בניתוח הזה, אזי פסולת חום מהלייזר תצטבר, וזה בעצם הולך להיות מזיק יותר מהאבלציה עצמה", אמר הסו.
אבנים שונות, לייזרים שונים
המחקר התמקד בלייזרי הולמיום:יטטריום-אלומיניום-גרנט (Ho-YAG) ואבני כליות שגדלו במעבדה. תקן הזהב לליטוטריפסיה בלייזר, Ho-YAG הוא ללא ספק סוג הלייזר הנפוץ ביותר – אך רחוק מלהיות היחיד – בשימוש.
"חלק מהלייזרים מתפקדים היטב בניקוי אבק, לייזרים אחרים מתפקדים טוב יותר בפיצול, אבל אף לייזר לא יכול לבצע ביצועים יוצאי דופן הן באבק והן בפיצול", אמר ג'ונג. "אלא אם כן אתה בבית חולים גדול כמו אוניברסיטת שיקגו או דיוק, ייתכן שרופאי הקהילה לא יוכלו להרשות לעצמם מספר לייזרים. לננופלואיד יש פוטנציאל לשפר את הביצועים של כל לייזר בתרחישים קליניים שונים."
השלבים הבאים כוללים בדיקה כדי לראות כיצד הטכניקה החדשה שלהם עובדת באמצעות לייזרים נפוצים אחרים של lithotripsy וכיצד היא משפיעה על אבנים אמיתיות בכליות, במקום שגודלו במעבדה.
מחברת שותפה כריסטין פיין, יו"ר דונלד מ. אלשטדט של המחלקה להנדסת מכונות ומדעי החומרים של תומס לורד באוניברסיטת דיוק, כינתה את המחקר "דוגמה טובה לאופן שבו מחקר יסודי מתורגם ליישומים קליניים".
"אחד ההיבטים המרגשים ביותר של המחקר הזה הוא איך צוות של מדענים וקלינאים עבדו יחד תוך שימוש במומחיות שלהם כדי להתמודד עם שאלה חשובה – איך לטפל טוב יותר באבנים בכליות", אמר פיין.
