Ученые НОШ МГУ показали способ применения импульсного фокусированного ультразвука в бесконтактной нейрохирургии

В качестве альтернативы стандартным методам нейрохирургии, ученые физического факультета совместно с врачами Медицинского научно-образовательного института (МНОИ) МГУ, НИИ морфологии человека и НИИ пульмонологии впервые продемонстрировали возможность бесконтактного разрушения ткани головного мозга человека ex vivo (то есть вне организма) методом гистотрипсии с кипением. Предложенный метод позволяет механически разрушать заранее намеченные локализованные участки биологической ткани в организме человека с помощью фокусировки мощных ультразвуковых импульсов миллисекундной длительности под УЗИ-контролем. Исследователи успешно показали возможность таким способом разрушать, превращая в жидкость, ткани различных участков головного мозга человека: серого и белого вещества, а также таламуса и бледного шара. На основе проведенных пилотных экспериментов планируется дальнейшее развитие метода гистотрипсии с кипением для лечения опухолей, двигательных расстройств и других заболеваний головного мозга. Об этом сообщили в пресс-службе вуза. 

Исследования проводились в рамках Научно-образовательной школы МГУ «Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина», результаты опубликованы в журнале Ultrasound in Medicine and Biology. 

В настоящее время стандартным методом радикального лечения заболеваний головного мозга является хирургическое вмешательство для удаления определенных участков мозга (например, опухолей), в процессе которого выполняются трепанация черепа (вскрытие черепной коробки) и дальнейший разрез здоровых тканей на пути к целевому участку. Такое вмешательство связано с риском кровотечений, инфекционных и иных послеоперационных осложнений, а исход операции в значительной степени зависит от размера целевого участка и его расположения в мозге.

Известные в нейрохирургии минимально инвазивные вмешательства, такие как эндоскопическая нейрохирургия, криоабляция и радиочастотная абляция, позволяют уменьшить размер трепанации и сократить период послеоперационного восстановления, однако по-прежнему требуют доступа через отверстие в черепной коробке и могут сопровождаться повреждением здоровой ткани головного мозга для достижения целевого участка. Лучевая терапия также не является неинвазивной процедурой, поскольку использует ионизирующее излучение, оказывающее разрушающее воздействие, в том числе, и на здоровые ткани мозга.

Активно развиваемые в последнее время методы неинвазивной хирургии с помощью высокоинтенсивного фокусированного ультразвука (HIFU — high-intensity focused ultrasound) обеспечивают возможность бесконтактного разрушения задаваемых участков головного мозга путем ультразвукового нагрева ткани до температур теплового некроза под контролем магнитно-резонансной (МР) термографии. Технология теплового HIFU используется в клиниках России и других стран для лечения двигательных расстройств (эссенциального тремора, тремора при болезни Паркинсона, дистонии и другие) путем создания локализованных тепловых разрушений внутри головного мозга. Однако на сегодняшний день достижимая область мозга для тепловой HIFU-хирургии ограничена центральными отделами головного мозга — таламусом и бледным шаром — из-за опасности перегрева эффективно поглощающих ультразвук костей черепа при неглубокой фокусировке. Также ограничивающими факторами являются диффузия тепла и кровотока, снижающие точность воздействия, и необходимость использования дорогостоящих аппаратов МР-томографии для контроля температуры во время операции.

«Развиваемый в нашей лаборатории метод гистотрипсии с кипением использует последовательность мощных коротких импульсов фокусированного ультразвука с ударными фронтами, вызывающих образование в фокусе паровых полостей и кавитационных микропузырьков. Их взаимодействие с ударными фронтами ультразвуковой волны приводит к механическому разрушению (ликвификации) ткани до субклеточных фрагментов, — рассказала сотрудница лаборатории медицинского и промышленного ультразвука МГУ (LIMU) Екатерина Пономарчук. — Нетепловой механизм такого воздействия может минимизировать ограничения существующих методов теплового HIFU и расширить область клинических показаний для лечения с помощью фокусированного ультразвука. Так, метод позволяет контролировать процесс воздействия с помощью обычного диагностического ультразвука (УЗИ): паро-газовые включения в ткани в процессе разрушения предстают яркими на УЗИ, а разжиженная биоткань — темной».

Проведенные ранее сотрудниками LIMU численные эксперименты уже показали возможность реализации условий и безопасного использования гистотрипсии с кипением при транскраниальной фокусировке ультразвука в ткани мозга, в том числе и близко к черепу. Была показана также принципиальная возможность УЗИ-контроля облучения за счет регистрации акустических сигналов из фокуса при схлопывании кавитационных пузырьков. Однако сама способность механически разрушать ткань человеческого мозга с использованием данного метода еще не была исследована экспериментально. В связи с этим, целью недавних исследований ученых LIMU с МНОИ МГУ, НИИ пульмонологии и НИИ морфологии человека являлось продемонстрировать экспериментально такую возможность на образцах головного мозга человека, для начала, ex vivo (то есть вне организма) и в отсутствие черепа. Ультразвуковое облучение различных тканей головного мозга человека проводилось под УЗИ-контролем с варьируемыми параметрами воздействия. Полученные разрушения анализировались на макроуровне (путем разрезания и фотографирования), микроуровне (гистологически), а также на ультраструктурном уровне (методами просвечивающей и сканирующей электронной микроскопии).

«Все эксперименты сопровождались предварительными измерениями жесткости биологических тканей, поскольку их восприимчивость к гистотрипсии в основном определяется их упругими свойствами, — отметил заведующий отделением ультразвуковой диагностики МНОИ МГУ Алексей Кадрев. — Именно поэтому диагностические методы эластографии (то есть, измерения упругости тканей с помощью ультразвука) активно помогают в развитии метода гистотрипсии с кипением».

В результате ученые показали, что ткани головного мозга человека ex vivo можно бесконтактно разрушить до субклеточных фрагментов с помощью миллисекундных ударно-волновых ультразвуковых импульсов в режиме гистотрипсии с кипением. При этом процесс разрушения удалось ускорить при использовании более коротких импульсов с большей амплитудой. Было установлено, что более жесткое белое вещество мозга, состоящее в основном из нервных волокон, разрушить сложнее, чем более мягкое серое вещество, состоящее из тел нервных клеток. Также удалось получить механические разрушения в таламусе и бледном шаре — тех отделах мозга, которые в современной клинической практике подвергаются тепловому HIFU-разрушению для лечения двигательных расстройств под контролем МРТ. 

«Полученные результаты подтверждают потенциальную возможность расширения круга заболеваний, поддающихся лечению с помощью HIFU. Дальнейшие исследования лаборатории будут направлены на экспериментальное подтверждение реализуемости метода при наличии костной ткани на пути ультразвукового пучка для приближения лабораторного эксперимента к клиническим условиям, — рассказала врач-патологоанатом отдела клинической патологии МНОИ МГУ Наталья Данилова. — Надеемся на быстрый переход к предклиническим и клиническим испытаниям. При успешном внедрении метода в клиническую практику он позволит сократить количество открытых операций на головной мозге и снизить стоимость таких вмешательств за счет возможности бесконтактного разрушения целевых участков мозга под обычным УЗИ-контролем».