Innovativer Ansatz zur Verbesserung der Laserlithotripsie bei Nierensteinen

Innovativer Ansatz zur Verbesserung der Laserlithotripsie bei Nierensteinen

Bei einem Verfahren namens Laserlithotripsie verwenden Urologen einen kleinen, videogesteuerten Laser, um schmerzhafte und potenziell schädliche Nierensteine ​​in Stücke zu sprengen.

Für den Patienten ist es besser, wenn Urologen Nierensteine ​​so fein wie möglich zerkleinern können, idealerweise zu Staub, der sicher abgesaugt werden kann – aber der Einsatz stärkerer Laser erzeugt zusätzliche Hitze, die das umliegende Gewebe schädigen und den Patienten verletzen kann.

Natürlich möchten Sie nicht zu viel Energie in Ihre Niere pumpen, denn das ist sehr gefährlich. Was wir mit unserer Arbeit zeigen, ist eine Möglichkeit, die bereits eingesetzte Laserenergie besser zu nutzen.“

Asst. Prof. Po-Chun Hsu, University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME)

Hsu ist Co-Autor eines neuen Artikels, der in veröffentlicht wurde Fortgeschrittene Wissenschaftdas Ergebnis einer Zusammenarbeit von Ingenieuren und Ärzten der UChicago PME und der Duke University, die eine Möglichkeit entwickelt haben, die Effizienz von Lasern bei Nierensteinen zu verbessern, ohne die Laser zu wechseln. Diese Arbeit könnte zu kürzeren Operationen, schnelleren Genesungen und einem geringeren Wiederauftreten einer Krankheit führen, von der 11 % der Amerikaner betroffen sind und die die nationalen Gesundheitsausgaben allein im Jahr 2000 um mehr als 2 Milliarden US-Dollar erhöht hat.

„Dies ist ein klassisches Beispiel dafür, wie das Verbinden von Punkten etwas Transformierendes schaffen kann“, sagte Hsu, der sich in seiner Forschung hauptsächlich mit wärmereflektierenden Baumaterialien und Stoffen befasst.

Co-Autor Michael Lipkin, Urologe bei Duke Health, beschrieb die Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren und Ärzten als Chance für beide.

„Für einen Kliniker ist es eine großartige Gelegenheit, mit erstklassigen Forschern zusammenzuarbeiten, um ein Problem anzugehen, das unseren Patienten direkten Nutzen bringt“, sagte Lipkin. „Diese Art von Partnerschaften sind der fruchtbare Boden für großartige Ideen, die die Welt verändern.“

Eine Lösung in Lösung

Um die Leistung eines Lasers zu verbessern, ohne den Laser selbst zu verändern, benötigte das interdisziplinäre Team eine innovative Lösung. Ein innovatives Kochsalzlösung Lösung.

Ärzte verwenden Kochsalzlösung – leicht salziges Wasser –, um den hohlen Teil der Niere aufzuweiten und während des Eingriffs die Sicht aufrechtzuerhalten. Ein Großteil der Laserenergie wird typischerweise in Form von Wärme in der Kochsalzlösung abgegeben. Die Forscher fanden heraus, dass durch die Zugabe dunkler Nanopartikel, die Laserwellenlängen absorbieren, zu dieser Salzlösung der Laser auf den Stein fokussiert bleibt, anstatt zu reflektieren oder sich aufzulösen.

Dies verbessert die Art und Weise, wie viel Laserenergie auf die Nierensteine ​​übertragen und von diesen absorbiert wird, eine Funktion, von der viele dachten, dass sie nicht einfach manipuliert werden könne, sagte der korrespondierende Autor der Duke University, Ingenieur Prof. Pei Zhong.

„Jeder Laser hat seine eigene inhärente Wellenlänge, basierend auf der Technologie, mit der der Laser erzeugt wurde. Die Leute dachten: ‚Wenn die Wellenlänge fest ist, kann man die Absorption des Lasers in der Arbeitsflüssigkeit oder im Stein, den man anvisieren möchte, nicht ändern‘“, sagte Zhong. „Nanofluid bringt eine neue Dimension, unabhängig von der Steinzusammensetzung, unabhängig vom Laser, die diesen sehr komplexen physikalischen Vorgang beeinflussen kann.“

Aber nicht jedes Nanofluid sei für einen medizinischen Eingriff geeignet, sagte Erstautor Qingsong Fan, Postdoktorand am UChicago PME.

„Zuallererst sollte die Lösung bei den Wellenlängen des Lasers, die bei etwa 2.000 Nanometern oder zwei Mikrometern liegen, absorbierend sein“, sagte Fan. „Das zweite Kriterium ist, dass sich die Nanopartikel gut im Wasser verteilen, denn so bewässern wir die Niere. Und das dritte – und wichtigste Kriterium – ist, dass es sicher sein sollte.“

Tests an im Labor gezüchteten Nierensteinen ergaben, dass das Team alle drei Ziele erreichte. Das Nanofluid verbesserte die Steinabtragungseffizienz um 38–727 % bei der Punktbehandlung und um 26–75 % bei der Scanning-Behandlung. Das Eintauchen lebender Zellen in das Nanofluid über verschiedene Zeiträume bis zu 24 Stunden zeigte, dass die wirksame Nanopartikellösung auch ungiftig und sicher war.

In der Praxis wird dieses Material jedoch nie annähernd so lange mit Zellen in Kontakt bleiben. Die Lithotripsie ist ein ambulanter Eingriff, der etwa 30 Minuten dauert. Hsu hofft, dass durch eine Verbesserung der Absorptionseffizienz diese Zeit auf 10 Minuten verkürzt werden könnte.

„Wenn Sie zu viel Zeit mit dieser Operation verbringen, sammelt sich die Abwärme des Lasers an, und das wird tatsächlich schädlicher sein als die Ablation selbst“, sagte Hsu.

Andere Steine, andere Laser

Die Studie konzentrierte sich auf Holmium:Yttrium-Aluminium-Granat (Ho-YAG)-Laser und im Labor gezüchtete Nierensteine. Ho-YAG ist der Goldstandard für die Laserlithotripsie und bei weitem der am häufigsten verwendete – aber bei weitem nicht der einzige – Lasertyp.

„Manche Laser schneiden beim Stauben gut ab, andere schneiden beim Fragmentieren besser ab, aber kein Laser kann sowohl beim Stauben als auch beim Fragmentieren außergewöhnlich gute Ergebnisse erzielen“, sagte Zhong. „Wenn Sie nicht in einem großen Krankenhaus wie der University of Chicago oder Duke arbeiten, können sich niedergelassene Ärzte möglicherweise nicht mehrere Laser leisten. Nanofluid hat das Potenzial, die Leistung jedes Lasers in verschiedenen klinischen Szenarien zu verbessern.“

Zu den nächsten Schritten gehört das Testen, um zu sehen, wie ihre neue Technik mit anderen gängigen Lithotripsie-Lasern funktioniert und wie sie sich auf echte statt im Labor gezüchtete Nierensteine ​​auswirkt.

Co-Autorin Christine Payne, Donald M. Alstadt, Vorsitzende der Thomas Lord-Abteilung für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Duke University, nannte die Forschung „ein gutes Beispiel dafür, wie Grundlagenforschung in klinische Anwendungen umgesetzt wird“.

„Einer der aufregendsten Aspekte dieser Forschung ist die Art und Weise, wie ein Team aus Wissenschaftlern und Klinikern zusammenarbeitete und ihr eigenes Fachwissen nutzte, um eine wichtige Frage zu beantworten – wie Nierensteine ​​besser behandelt werden können“, sagte Payne.

Quellen: