مدل‌ عددي مبتني بر تصوير براي دارورساني به تومورهاي جامد

Image-based numerical model for drug delivery to solid tumors

امروزه با توجه به افزايش مرگ‌و‌مير ناشي از تومورهاي سرطاني، توجه محققين بسياري به يافتن روش‌ها و ابزارهايي جهت تشخيص و درمان صحيح تومور معطوف شده است. در ميان اين روش‌ها، استفاده از مدل‌هاي رياضي و شبيه‌سازي‌هاي عددي در كنار مطالعات باليني مي‌تواند به درك صحيح مكانيزم دارورساني به تومور كمك كرده، كارآيي درمان دارويي را ارتقا داده و اثر پارامترهاي فيزيولوژيكي مختلف را بر رفتار تومورها نشان ‌دهد. هدف اصلي اين پژوهش استفاده از يك مدل چندمقياسي مبتني بر مدل‌سازي رياضي و نيز ديناميك سيالات محاسباتي براي بررسي رسانش دارو به تومور و پيش‌بيني اثر درمان است. مدل فيزيولوژيكي واقعي‌تر شده‌ي تومور نسبت به مدل‌هاي پيشين با به‌دست آوردن هندسه شبكه مويرگي از يك تصوير و نيز درنظر گرفتن ناحيه نكروز و جذب سلولي مورد بررسي قرار مي‌گيرد. در ادامه، مدل‌سازي جريان سيال و رسانش دارو در فضاي ميان بافتي انجام مي‌گيرد. نسبت سلول‌هاي كشته شده توموري بعد از درمان بافت سرطاني با دوكسوروبيسين در حدود 69/03 درصد به‌دست آمده است. نتايج نشان مي‌دهند كه مقدار غلظت در ناحيه نكروز بسيار پايين بوده و تنها مقدار كمي دارو به‌واسطه ديفيوژن به درون ناحيه نكروز نفوذ مي‌كند. يافته‌هاي مطالعه‌ي حاضر مي‌تواند به درك بهتر مكانيزم دارورساني به تومورهاي جامد براي غلبه بر موانع ميكرو محيطي تومور با هدف اثر بخشي بهتر درمان كمك كند.

Due to the high mortality rates associated with cancerous tumors, many researchers are focused on finding methods and tools for early detection and effective treatment. Among these, mathematical models and numerical simulations along with clinical studies can help provide better understanding of drug delivery mechanisms, enhance the efficacy of therapy, and demonstrate the effect of various physiological parameters on tumor behavior. The main objective of this study is to use a multiscale model based on mathematical modeling and computational fluid dynamics to evaluate drug delivery to a solid tumor and to predict treatment efficacy. A more-realistic physiological model of the tumor compared to the previous models is examined by obtaining the capillary-network’s geometry from an image, as well as by considering the necrotic area and cellular uptake. Fluid flow modeling and drug delivery simulation are then performed for the interstitium. The fraction of killed cells is obtained approximately 69.03% after the cancerous tissue is treated with doxorubicin. Results also demonstrate that the drug concentration in the necrotic area is very low; only a small amount of the drug penetrates into the necrotic area by diffusion. The findings of this study may help researchers better understand the mechanism of drug delivery to solid tumors, —a necessary step in overcoming the micro-environmental barriers of tumors that impede treatment efficacy.