Dvě po sobě následující fokusované rázové vlny a jejich potenciální využití v terapii nádorů a řízeném uvolňování léčiv
ID projektu:GA202/09/1151
Poskytovatel:Grantová agentura České republiky
Období:01.01.2009 - 31.12.2011
Příjemce - koordinátorÚstav fyziky plazmatu AV ČR, v. v. i., Praha
Hlavní řešitel:Ing. Petr Lukeš, Ph.D.
Spolupříjemce / hl. řešitel(é):1. lékařská fakulta UK v Praze -- Doc. MUDr. RND Jiří Beneš, CSc.
Lékařská fakulta UP v Olomouci -- Doc. RNDr. Hana Kolářová, CSc.
Spoluřešitelé z ÚFPP. Šunka, P. Hoffer, V. Stelmashuk, V. Babický, J. Štraus

Cíle projektu: Předmětem projektu je výzkum vzájemné interakce dvou po sobě následujících (tandemových) rázových vln fokusovaných do společného ohniska (FTWS), fyzikálních a chemických účinků FTWS a stanovení jejich účinků na nádorové buňky a buněčné tkáně s cílem možného využití FTWS k terapii nádorů a řízenému uvolňování léčiv (chemoterapii). K generaci FTWS bude použit generátor rázových vln založený na řízené produkci dvou po sobě následujících tlakových vln mnohokanálovými elektrickými výboji ve vodě generovanými na kompozitní keramické anodě a jejich následné fokusaci parabolickým reflektorem a transformaci do silné rázové vlny. Kolabující kavitace vytvářené druhou vlnou v primární kavitaci generují sekundární, velmi krátkovlnné rázové vlny, které mohou interagovat se strukturami buněčných rozměrů. Předpokládáme, že tímto způsobem bude možné narušovat buňky nádorových tkání a při použití v kombinaci se sonosenzitivními protinádorovými léčivy případně zvýšit účinnost chemoterapie nádorů. Tyto předpoklady budou ověřovány na nádorových buňkách a buněčných tkáních, liposomech a ex vivo a in vivo experimentech na laboratorních zvířatech.

Dosažené výsledky: Byl zkonstruován nový generátor tandemových rázových vln s fixním zpožděním mezi oběma vlnami (10 μs) využívající principu závislosti doby šíření rázové vlny (počátečního tlakového impulsu) z výbojové válcové anody do ohniska na jejím průměru. Byly popsány parametry generované rázové vlny (tzn. amplituda, časový vývoj a tlakový profil rázové vlny v ohnisku) v závislosti na fyzikálních parametrech elektrického výboje generovaného na kompozitních elektrodách a na časovém zpoždění mezi oběma tlakovými vlnami. Byla popsána dynamika kavitací v ohnisku vyvolaných tandemovými rázovými vlnami. Byl formulován model analytického stanovení amplitudy tlaku a časového vývoje sekundární rázové vlny v ohniskové oblasti z časového vývoje poloměru kavitací. Byl prokázán zásadní vliv kavitací tvořených rázovou vlnou na jejich fyzikálních účincích vyvolaných ve vodě. Bylo prokázáno, že fokusované rázové vlny silně interagují se strukturami buněčných rozměrů. In vitro byly exponovány suspenze nádorových buněk, chondrocytů, fibroplastů a erytrocytů. Se zvyšujícím se počtem rázů se snižovala životnost všech sledovaných buněk a hemolýza erytrocytů. Dále bylo prokázáno in vivo, že tandemové rázové vlny mohou bezkontaktně lokálně narušovat měkké tkáně v předem známém místě uvnitř těla pokusných zvířat. Metodou magnetické rezonance bylo na laboratorních potkanech a králících prokázáno mechanické rozrušení tkání způsobené účinkem rázových vln v místě ohniska hlouběji pod povrchem. Tkáně nad ním byly bez poškození. Byly ověřeny protinádorové účinky rázových vln a při použití v kombinaci s účinkem chemoterapeutik. Bylo prokázáno in vivo, že rázová vlna je schopna zpomalit nárůst nádoru a zvýšit potenciaci terapeutického účinku intravenózně aplikovaného cytostatika cis-platiny nebo fotosensitizéru Photosan na růst tumorů transplantovaných laboratorním potkanům pravděpodobně potenciovaný kavitacemi produkovanými tandemovými rázy a také zvýšenou permeabilitou buněčné membrány nádorových buněk.

Související výsledky:

Lukeš P., Šunka P., Hoffer P., Stelmashuk V., Poučková P., Zadinová M., Zeman J., Dibdiak L., Kolářová H., Tománková K., Binder S., Beneš J.: Focused tandem shock waves in water and their potential application in cancer treatment. Shock Waves 24 [1] (2014) 51-57. [ Link ]
[International Symposium on Shock Waves/28./. Manchester, 17.07.2011-22.07.2011]

Beneš J., Zeman J., Poučková P., Zadinová M., Šunka P., Lukeš P.: Biological effects of tandem shock waves demonstrated on magnetic resonance. Bratislavske Lekarske Listy 113 [6] (2012) 335-338. [ Link ]

Lukeš P., Šunka P., Hoffer P., Stelmashuk V., Beneš J., Poučková P., Zadinová M., Zeman J.: Generation of Focused Shock Waves in Water for Biomedical Applications. Plasma for Bio-Decontamination, Medicine and Food Security. Dordrecht : Springer, 2012 - (Machala, Z.; Hensel, K.; Akishev, Y.) s. 403-416. ISBN 978-94-007-2851-6 [ Link ]

Zeman J., Hach J., Dibdiak L., Šunka P., Lukeš P., Hoffer P., Sedláček R., Kociová K., Beneš J.: Účinek rázové vlny na kostní cement a její potenciální využití v ortopedii. Ortopedie 6 [3] (2012) 100-102. [ Anotace ] [ Link ]

Stelmashuk V., Lukeš P., Hoffer P.: Effect of solution conductivity on shock wave pressure generated by multichannel electrical discharge in water. 28th International Symposium on Shock Waves. Volume 2, Part XXI: Special Session Medical and Biological Applications. Berlin Heidelberg : Springer Verlag GmbH, 2012 - (Kontis, K.), s. 599-604 ISBN 978-3-642-25684-4 [ Link ]

Lukeš P., Šunka P., Hoffer P., Stelmashuk V., Beneš J., Poučková P., Zadinová M., Zeman J., Dibdiak L., Kolářová H., Tománková K., Binder S.: Focused tandem shock waves in water and their potential application in cancer treatment. 28th International Symposium on Shock Waves. Volume 2, Part XXI: Special Session Medical and Biological Applications. Berlin Heidelberg : Springer Verlag GmbH, 2012 - (Kontis, K.), s. 839-845 ISBN 978-3-642-25684-4 [ Link ]

Stelmashuk V., Lukeš P., Hoffer P.: Effect of solution conductivity on shock wave pressure generated by multichannel electrical discharge. Proceedings of 28th International Symposium on Shock Waves. Manchester : Springer Verlag, 2011. P-2698-P-2698. ISBN 978-3-642-25687-5.
[International Symposium on Shock Waves/28./. Manchester (GB), 17.07.2011-22.07.2011]

Lukeš P., Šunka P., Hoffer P., Stelmashuk V., Beneš J., Poučková P., Zeman J., Dibdiak L., Kolářová H., Tománková K., Binder S.: Focused tandem shock waves in water and their potential application in cancer treatment. Proceedings of 28th International Symposium on Shock Waves. Manchester : Springer Verlag, 2011. P-2849-P-2849. ISBN 978-3-642-25687-5.
[International Symposium on Shock Waves/28./. Manchester (GB), 17.07.2011-22.07.2011]

Hoffer P., Šunka P., Lukeš P.: Dynamics of cavitation induced by focused tandem shock waves in water. WDS'11 Proceedings of Contributed Papers: Part II: Physics of Plasmas and Ionized Media. Praha : MATFYZPRESS, 2011 - (Šafránková, J.; Pavlů, J.) s. 267-272. ISBN 978-80-7378-185-9.
[WDS 2011 - Annual Conference of Doctoral Students /20./. Prague (CZ), 31.05.2011-03.06.2011]

Hoffer P., Šunka P., Stelmashuk V.: Dynamics of cavitations induced by tandem shock waves in water. Proceedings of the XXIX International Conference on Phenomena in Ionized Gases. Cancun, Mexico : Institute of Physics (IOP)., 2009. PA4-5-8. ISBN N. - (ICPIG). [ Anotace ]
[International Conference on Phenomena in Ionized Gases 2009/29th./. Cancún (MX), 12.07.2009-17.07.2009]