مقدمة إلى شركة تومور - إنغود للميكانيكيين

فالأرام التي تنشأ في الأنسجة العظام أو تُثبتها في نسيج العظام تخلق بيئة ميكانيكية معقدة يمكن أن تضر بشدة بالسلامة الهيكلية، وتمارس الكتلة المتزايدة الضغط على العظام المتناقلة والقلية المحيطة بها، وتعطل القدرة العادية على الحمل، وتؤدي في كثير من الأحيان إلى كسور مائية، ولا يقتصر فهم هذه التفاعلات الميكانيكية على ممارسة أكاديمية(6212)؛ ويُسترشد مباشرة بتصميمات الأشعة تحتية، من أجل الحفاظ على الصبغة الصبغة.

وقد نشأ سرطان العظام الأولي، مثل الأوستريسوركوم، وسام يوينغ، والتشوندروساركوما، فضلا عن الاختلالات الفوقية من الثدي والبروتا والرئة وسرطان الكلى، نتيجة ميكانيكية مشتركة: فهي تضعف العظام، وتشمل الآليات التحلل المباشر للنسيج (توسط التكاثر بفعل عوامل النسيج الميكانيكية التي تتحكم في الأورام) وتعطل دورة إعادة التشريد الطبيعية

وتقدم هذه المادة لمحة عامة موثوقة عن كيفية قيام الباحثين بنموذج الأثر الميكانيكي لنمو الورم على هياكل العظام المحيطة بها، وندرس أنواع النماذج الحاسوبية المستخدمة، والعوامل الرئيسية التي تحدد ضعف العظام، والتطبيقات السريرية لهذه المحاكاة، والاتجاهات المستقبلية التي تعد بأن تجعل هذه الأدوات أكثر تنبؤاً ومحددة للمرضى.

لماذا نُمذِرُ تفاعلات بين الأطرافِ

فالكسور الرئوي بسبب الأورام العظمية هي تعقيدات مدمرة، وهي تسبب ألما شديدا، وفقدانا في التنقل، وكثيرا ما تتطلب إجراء جراحة طارئة أكثر اتساعا من الإجراءات المقررة، ومن ثم فإن الحساسية الأساسية للدماغ والعظمي والرطوبة هي مواقع مشتركة؛ ويمكن أن يؤدي كسر في الضبطيات إلى ضغط الدم ومشلول.

كما أن النموذج يساعد الجراحين على تخطيط عمليات إعادة التجزؤ وإعادة البناء، ففي جراحة إنقاذ الأحجارة من أجل أوستركوما، مثلا، يجب على الجراح أن يقرر مدى عظمة إزالة العيوب وكيفية إعادة بناءها (مثلا، التجميل، الميكانيكي النهائي، أو غلاف الدم المثقف).

وعلاوة على ذلك، يمكن أن تؤثر النماذج على تنمية المخدرات، إذ أن العديد من العلاجات المستهدفة، مثل المزدوجات أو المثبطات التي تستخدمها حركة رانكول (دينوسومب)، تعمل عن طريق إعاقة نشاط البستوكلات، مما يبطئ من إعادة حرق العظام، ويمكن أن يساعد النموذج الحاسوبي الذي يربط بين النمو الراقي وبين إعادة تشكيل العظام في تحديد الجداول الزمنية المثلى للتحكم والتنبؤ بالمرضى الذين هم في معظم الحالات.

أنواع النماذج الحاسوبية

نماذج العناصر النافعة

أما النهج الأكثر استخداماً لدراسة الأثر الميكانيكي للأورام على العظام فهو طريقة العناصر المحددة، إذ تقسم حركة الكهرباء والمساواة هيكل العظام إلى آلاف أو ملايين العناصر الصغيرة (التراهيدرا، سداسيدرا) وتحل معادلة الضغط، والإجهاد، والتشريد لكل عنصر تحت حمولات مطبقة، ولنموذج الورم، يغير الباحثون الخواص المادية للعناصر داخل منطقة الورم(ب)(ب)

وتحتاج حركة FEM ذات الاستبانة العالية إلى 3 بيانات تصويرية ديمينية ] من التصوير المغناطيسي المحوسب أو التصوير المغناطيسي المغنطيسي (MRI). وتوفر المسح الأشعة السينية معلومات عن الكثافة المعدنية العظام، التي يمكن رسمها إلى خصائص ميكانيكية باستخدام العلاقات التصاعدية.

والنواتج الرئيسية هي الإجهاد وتوزيع السلالات، فضلا عن عامل مدروس للسلامة (استخدام القوة العظمية في الضغط المطبق) وتشير التخفيضات في هذا العامل إلى ارتفاع مخاطر الكسور، وقد تأكدت درجة الحرارة في مواجهة التجارب المميتة والنتائج السريرية، مما يجعلها المعيار الذهبي في الميكانيكيات الأحيائية غير أن بناء نظم إيكولوجية خاصة بالمرضى ما زال يستغرق وقتا طويلا، مما يتطلب برامجيات وخبرات متخصصة.

External link: A review of finite element analysis in pathologic fracture prediction (PubMed)].

نماذج قائمة على العميل

وتأخذ النماذج القائمة على العملاء نهجاً من القاعدة إلى القمة عن طريق تحفيز سلوك فرادى الخلايا (العمال) وفقاً لمجموعة من القواعد، ويمثل كل عامل خلية ورم، أو أوستوبست، أو البستوكلاست، أو خلية محصنة، ويُعرّف التفاعلات بواسطة إشارات كيميائية بيولوجية (مثل عوامل النمو، أو قيم الإجهاد الميكانيكي)

ومن المفيد بصفة خاصة دراسة التفاعل الدينامي بين نمو الورم وإعادة تشكيل العظام، فعلى سبيل المثال، يمكن لخلايا الورم أن تنتج بروتين ذي صلة بالهرمونات، وهو ما يحفز الناموسيات على إعادة عظم العظام، ويطلق عوامل النمو التي تزيد من تشجيع انتشار الأورام، ويمكن أن يتصور وجود هذه الظواهر الإيجابية من السرطان.

وتكمن صعوبة تحديد تدابير بناء الثقة في قياس العديد من القواعد والثبات الحركية، وكثيراً ما تكون البيانات المستمدة من التجارب المأخوذة من المختبرات أو من الخزعات السريرية متفرقة، علاوة على أن تدابير بناء القدرات مكلفة حسابياً عند محاكاة أحجام كبيرة من الأنسجة في قرار الخلايا.() وتُعرض النُهج الهجينة التي تُدمج تدابير الحد من الانبعاثات التراكمية في إطار متواصل من أشكال التضخم الفلور (انظر أدناه) حلاً عملياً.

النماذج الهجينة

وتجمع النماذج الهجينة بين الميكانيكيين المتتابعين للأعضاء التناسلية والطبيعة المتميزة القائمة على القواعد للمركبات غير المحتوية على مركبات ثنائي الفينيل متعدد البروم أو التلقائية الخلوية، وفي تركيبة هجينية نموذجية، تمثل العظام كمواد مستمرة تستخدم فيها هذه المادة، بينما يحتل الورم كمجموعة من العوامل المتباينة التي تنمو وتقسم وتموت وفقاً للظروف المحلية (مثلاً، تركيز الأوكسجين، والتكفير).

ويستوعب هذا النهج كلا من الآثار الميكانيكية الكلية لنمو الورم (إعادة توزيع الإجهاد، مخاطر الكسور) والعمليات البيولوجية الميكروسكوبية التي تدفع بذلك النمو، وقد استخدمت نماذج هجينة لدراسة تطور الميستازي العظمية في سيناريوهات علاج مختلفة، مثل استخدام البزوغات أو العقاقير المضادة للمرض، ويمكن أن تدمج أيضا آثار عملية التحول الميكانيكي(ب)(ب).

External link: Hybrid multiscale models of bone metastasis (PubMed)].

العوامل الرئيسية في التأثير الميكانيكي

حجم ومكان

أما مسائل الحجم: فقد تفككت الأورام الأكبر حجماً وتخلق تركيزات أكبر من الإجهاد، غير أن الموقع له نفس الأهمية، كما أن الورم الصغير في رقبة الفينما (منطقة عالية الحمولة أثناء المشي) يمكن أن يكون أكثر خطورة من الورم الكبير في محرقة اللحاق (التي تحمل أقل حملاً) كما أن الأورام القريبة من المفاصل يمكن أن تزعزع الاستقرار في العمود الفقري المشترك أو تؤثر على سطح النسية، مما يؤدي إلى فقدان وظيفة النسية.

ويمكن للنماذج الحاسوبية أن تقيّم كمية تأثير الموقع عن طريق محاكاة كميات متعددة من روموجات الورم في مواقع مختلفة، مثلاً، يمكن أن تقارن عيب حرفي متقطع يبلغ قطره 2 سم يقع مركزياً في شفرة مقابل قطرة واحدة تقع بشكل غير دقيق بالقرب من الدفتر، ويدل النموذج على أن الآفات المتوهجة تخلق لحظات تنازلية أكبر وتزيد من حدة المخاطرة التي تتعرض لها العظام المتبقية.

الكثافة والجودة

والكثافة المعدنية للبون هي عامل حاسم في القوة الميكانيكية، فالعظم البرمجي ذو المستوى المنخفض من الديموغرافيا لديه ترابكولا أرق وسمك مرجاني مخفض، مما يجعله أكثر عرضة للضعف الناجم عن الورم، وعلى العكس من ذلك، فإن صغار المرضى الذين يعانون من ارتفاع في مستوى التراكم البيولوجي قد يتسامحون مع أورام أكبر قبل أن يصبح التراكم الوشيك وشيك.

ويمكن أن تمثل نماذج العناصر المتجانسة التي تتضمن خصائص المواد غير المتجانسة من بيانات تكنولوجيا المناخ هذه التباينات، فعلى سبيل المثال، يمكن تخصيص مناطق وحدات هونسفيلد المنخفضة لطريقة أقل، بينما تظل مناطق اليورانيوم العالي التحلل (العظمة الشرائية) شديدة الوطأة، وقد يكون للمنطقة الورمية ذاتها صورة تماثلية للكثافة بسبب النشاط الغليفي والمنفجر المختلط.

معدل النمو وخط التقدم

فالمعدل الذي يتسع فيه الورم يؤثر على مدى تأثير إعادة تشكيل العظام في الاستجابة، فالأورام البطيئة النمو تتيح بعض الوقت للعظم لكي يشكل صدع حساس (كما يُنظر إليه في داء الخيوط الحادة مثل ورم الخلايا العملاق) الذي يمكن أن يدعم العيوب، وتنمو الأورام بسرعة (مثلاً، تنمو الأورام الأرضية ذات الحجم العالي) إلى حد بعيد.

وتتضمن بعض النماذج آلية للتغذية المرتدة حيث يعرقل الحمولة الآلية نمو الورم (عن طريق الميكانيكية)، بينما يفترض البعض الآخر التوسع في النظائر، وتشير الأدلة السريرية إلى أن المناطق ذات الضغط العالي قد تعزز بالفعل بعض النيتروجين الميكانيكية، بحيث يكون التفاعل معقدا، ويمكن أيضا أن تحاكي النماذج المؤقتة آثار العلاج: يمكن أن يُنمّز نموذجا لتخفيض حجم عوامل الورم في إطار العلاج الكيميائي.

Properties of Tumor Tissue

وهناك عامل يكثر إغفاله هو الحساسية المتأصلة في الورم نفسه، إذ أن الأورام الطفيفة (الثغرة الدنيا للشباب) تتصرف مثل التجويف المسيل؛ وتحيل الحمولات إلى العظام المحيطة، وتظهر المتغيرات في التوابل الليفية كثيفات ضغط، وتنتقل مباشرة إلى الوصل بين الظواهر الرئوية.

تطبيقات النماذج الميكانيكية

Fracture Risk Prediction

وأكثر التطبيقات السريرية مباشرة هي حساب مخاطر الكسور، التي كثيرا ما يُعبر عنها على أنها نسبة الحمولة المطبقة إلى قوة العظام (عامل السلامة) وإذا كانت العوامل تقل عن 1.0 تحت حمولة الفيزيائية، فإن من المرجح أن يكون هناك كسر في النماذج يمكن أن تُدرج حسب نوع النشاط: فالضغوط التي تُوقع على الورك أعلى بكثير من التي تُستخدم في السير، وقد استخدمت دراسات كثيرة في وضع البرمجيات الكيماوية المحتوية على الأشعة.

ويتمثل أحد التحديات الرئيسية في تحديد معيار الفشل، فالوحدة هي مادة شبه مُستحلفة؛ ويمكنها أن تحافظ على بعض الميكروفاج قبل الفشل الكارثوي، وتشمل النماذج الحديثة ميكانيكيات للأضرار التدريجية، مما يتيح محاكاة بدء الشقوق وبثه، مما يوفر صورة أكثر دقة من نسبة الإجهاد إلى الإجهاد بسيطة.

التخطيط الجراحي

ويمكن للرقيبات استخدام نماذج خاصة بالمرضى لتحقيق أقصى قدر من إعادة التقطيع واختيار إعادة البناء، مثلاً في حالة حدوث إصابات كبيرة في الظهارة الفخذية، يمكن أن يقارن النموذج نتائج الاستبدال الاصطناعي مقابل أظافر مدوّنة بالإسمنت، ويمكن أن يحفز النموذج التحميل بعد الجراحة ويحدد مجالات درء الإجهاد أو الضلع المفرطة التي قد تؤدي إلى الفشل أو الفشل الحاد.

وبالمثل، يمكن أن تسترشد النماذج في العمود الفقري أو عظم الكيفو: كم ينبغي حقن الأسمنت لتثبيت جسم فقري مكسور دون أن يتسبب في تسرب؟ وما هو النهج الذي يوفر توزيعا أفضل للإجهاد؟ وقد وفرت دراسات العناصر الحيوية مبادئ توجيهية قائمة على الأدلة، ويمكن للحوافز الخاصة بالمرضى أن تزيد من صقل هذه المبادئ.

تطوير المخدرات وتخطيط العلاج

وتستخدم الشركات الصيدلانية نماذج حاسوبية للتنبؤ بالعواقب الميكانيكية للعوامل المسببة للتضخم العظام، فعلى سبيل المثال، يؤدي دينوسومب (محجّل لشبكة الهلال الأحمر) إلى الحد من نشاط البستوكلات؛ ويمكن لنموذج يتضمن إعادة تشكيل العظام الدينامية أن يحفّز كيف يوقف أو يبدأ مثل هذا المخدّر ويغيّر قوة العظام بمرور الوقت، ويمكن أن يُسترشد به في تصميم التجارب السريرية ويُحدث فترات زمنية.

وفي مجال العلاج الإشعاعي، يمكن للعارضة أن تقدر توزيع الجرعة الإشعاعية وآثاره على خلايا الورم وعلى تركيبات مجهر العظام، مع وجود نماذج آلية، يمكن للباحثين التنبؤ بمخاطر كسر ما بعد الإشعاع، وهو تعقيد معروف، لا سيما في الحوض والأضلاع.

External link: Modeling theميكانيكي effects of radiation on bone (PubMed)].

الاتجاهات المستقبلية

إدماج التعلم في مجال الآلات

وتُستَعَدُّ تعلم الآلات والتعلم العميق لتسريع توليد نماذج خاصة بالمرضى، ويمكن للشبكات العصبية الثورية أن تجزئ الأورام وتشريح العظام من الأشعة السينية والأشعة المقطعية، مما يقلل من العمل اليدوي، ويمكن أن توفر نماذج بديلة (شبكات الظواهر الطبيعية التي تُدرَّب على آلاف المحاكاة ذات العناصر المحدودة) التنبؤات القريبة من المخاطرة التي تنطوي على الكسور، مما يتيح أيضاً دعم اتخاذ القرارات في أفضل النماذج الممكنة في مجال التنبؤات.

النماذج المتعددة النطاق

أما الحدود التالية فهي نموذج متعدد النطاقات يربط الإشارات الجزيئية (مثل الممر الممتد من راند كيه - رانكل - إيه جي) بالسلوك الخلوي (التكافلات الكهربائية، انتشار خلايا الورم) إلى الميكانيكيين على مستوى الأنسجة، وفي نهاية المطاف إلى وظيفة منظمة كاملة، وتتطلب هذه النماذج مجموعات بيانات ضخمة وأطرا حسابية متقدمة، ولكنها تعد بحصر السلسلة الكاملة من الأمراض الفيزيائية.

التقييم والترجمة إلى الممارسة السريرية

ولكي تصبح النماذج الحاسوبية أدوات سريرية روتينية، يجب التحقق منها بدقة من النتائج السريرية المتوقعة، وهناك عدة دراسات واسعة النطاق يجري تنفيذها باستخدام بيانات التصوير والمتابعة لتنقيح التنبؤات النموذجية، ومن المرجح أن تؤدي الموافقة التنظيمية على البرامجيات التي تساعد مباشرة على اتخاذ القرارات السريرية إلى إعاقة أن بعض الشركات بدأت تبحر، مع أن النماذج تصبح أكثر دقة وسهولة للمستخدمين، إلى تحويل الرعاية العادية.

علم الأحياء الميكانيكية

وكل ورم وكل عظم فريد من نوعه، فالتقدم في التصوير )مثلاً، كمية عالية الاستبانة، والتصوير بالرنين المغناطيسي مع توقيت الصدى الفوقي الفوقي الفوقي للضوء( يوفر معلومات هيكلية أكثر تفصيلاً، ويجمع بين ذلك وبين بيانات خاصة بالمريض عن مستويات النشاط البدني والوضع الهرموني، مما سيسمح بتنبؤات شخصية حقيقية لمخاطر الكسورة ورد على المعالجة.

وباختصار، فإن نموذج الأثر الميكانيكي لنمو الورم على العظام المحيطة به هو مجال سريع التطور يجمع بين الميكانيكيات البيولوجية والأعراق والعلوم الحسابية، والعنصر الزائفي والنماذج الهجينية التي توفر كل منها أفكارا فريدة، وتتسع تطبيقاتها السريرية من التنبؤ بالكسر إلى التخطيط الجراحي وتطوير المخدرات، كما أن التقدم المقبل في نماذج التعلم الآلي، والتكامل المتعدد النطاق، والأدوات الطبية الأكثر قوة.