Table of Contents
שם מקור: Tumor-Induced Bone Mechanics
טומורים שמקורם ברקמות העצם או מטבוליים יוצרים סביבה מכנית מורכבת שיכולה להתפשר באופן חמור על שלמות השלד.המסה הגוברת מפעילה לחץ על עצם טרבקי וקורטית הסובבת, משבשת יכולת ניהול עומס רגילה ולעתים קרובות מובילה לשברים פתולוגיים.הבנת אינטראקציות מכניות אלה אינה רק תרגיל אקדמי ו-#8212; היא מודיעה ישירות על החלטות קליניות, החל מתזמון של תזמון של הסתברות לניקוזמת קרינה וכושר ריפוי לניקוזמת העצם.
סרטן העצם העיקרי כגון אוסטאוסרקומה, Ewing סרקקומה, ו chondrosarcoma, כמו גם נגעים metastatic משד, הערמונית, ריאות, סרטן הכלה, כל חלק תוצאה מכנית נפוצה: הם מחלישים העצם.המנגנונים כוללים אופטימיזציה ישירה אוסטיוזיס מכנית בלבד (עמודי תצורה מתווך על ידי גורמים נסתרים), הפרעה של מודל העצם הרגיל, ודמיעפת של ניסויים פיזיים ממושכים את התהליכים הרקמות אלה.
מאמר זה מספק סקירה סמכותית של איך החוקרים מודל ההשפעה המכנית של גידול גידולים על מבני העצם הסובבים.אנו בוחנים את סוגי המודלים חישוביים בשימוש, את הגורמים המרכזיים הקובעים נחלשות העצם, את היישומים הקליניים של סימולציות אלה, ואת הכיוונים העתידיים המבטיחים להפוך את הכלים האלה אפילו יותר חיזוי ומטופל למטופל.
מדוע מודלים של אינטראקציה Tumor-Bone חשובים מבחינה קלינית
שברים פתולוגיים בשל גידולי עצמות הם סיבוכים הרסניים.הם גורמים כאב חמור, אובדן ניידות, ולעתים קרובות דורשים ניתוח חירום כי עשוי להיות נרחב יותר מאשר הליכים מתוכננים.במחלה metastatic, עמוד השדרה, העובר, ולחמוס הם אתרים משותפים; שבר דחיסה ויזואלית יכול להוביל דחיסה טבורי ושיתוק ספציפי.
מעבר לחיזוי שבר, מודלים עוזרים המנתחים לתכנן מחדש ושיקום.לדוגמה, בניתוח גיבס-סלמבאז עבור אוסטאוסרקומה, המנתח חייב להחליט כמה עצמות להסיר וכיצד לשחזר את הפגם (למשל, allograft, endoprosthesis, או vasated fibula ft). מודל זה מדמה התפלגות פוסט-אקטיבית יכול להציג את האפשרות מספקת של מערכת ניקוי מגנטית או טיפולית, באופן דומה.
יתר על כן, מודלים יכולים להשפיע על פיתוח תרופות.טיפולים ממוקדים רבים, כגון bisphosphonates או מעכבי RANKL (denosumab), עבודה על ידי עיכוב פעילות osteoclast, ובכך להאט את sorption העצם. מודל חישובי המקשר קינטיקה צמיחה לחיקוי העצם יכול לעזור לקבוע לוחות זמנים אופטימליים וחיזוי אשר חולים סבירים ביותר לטובת.
סוגים של מודלים Computational
מודלים של Finite Element (FEM)
הגישה הנפוצה ביותר ללימוד ההשפעה המכנית של גידולים על העצם היא שיטת האלמנט הסופי. FEM מחלק את מבנה העצם לאלפים או מיליוני מרכיבים קטנים (tetrahedra, hexahedra) ו פותר משוואות של מתח, מתח, ועקירה עבור כל אלמנט תחת עומסים יישומיים.כדי מודל גידול, החוקרים משנים את המאפיינים החומריים של רכיבים בתוך אזור הגידול ו- #82; באופן סימולציה של פגמים מודולטיים (אפילו מומים) או מומים גמישים לחלוטין.
FEM דורש הדמיה (FLT:0; 3-ממדית של נתונים הדמיה FLT) 1 מ tomography (CT) או הדמיה של התחדשות מגנטית (MRI) CT מספק צפיפות מינרלים העצם (BMD) מידע, אשר ניתן למפות תכונות מכניות באמצעות מערכות יחסים אמפיריות.
הפלטים המרכזיים הם מתח וחלוקות מתוחות, כמו גם גורם מחושב של בטיחות (רציו של כוח העצם ללחץ יישומי) ניכויים בגורם זה מצביעים על סיכון שבר גבוה. FEM כבר הוכח נגד ניסויים קטואביים ותוצאות קליניות, מה שהופך אותו תקן הזהב ביומכניקה אורת אותודוקסית.
קישור חיצוני:0 (בסקירה של ניתוח יסוד סופי בחיזוי שבר פתולוגי (PubMed)FLT:1.
מודלים מבוססי סוכנים
מודלים מבוססי הסוכן (ABMs) לקחת גישה למטה על ידי הדמיה של ההתנהגות של תאים בודדים (אנטנים) על פי קבוצה של כללים.כל סוכן מייצג תא גידול, אוסטאוקלסטוסט, או תא חיסוני, ואינטראקציות מוגדרים על ידי אותות ביוכימיים (למשל, גורמי צמיחה, ציטוקינסים).
ABMs שימושיים במיוחד עבור לימוד האינטראקציה הדינמית בין גידול גידולים לבין שיפוץ העצם.לדוגמה, תאי גידול יכולים לייצר חלבון הקשור להורמון פרתירואיד (PTHrP), אשר מעורר אוסטאוקליסטים כדי לחדש את העצם, לשחרר גורמי צמיחה שמעודדת עוד התפשטות גידולים.AABM יכול לדמות לולאה חיובית זו ולחזות את התבנית הזמנית של הרס העצם.
ההגבלה של ABMs היא הקושי בפרמטר הכללים הרבים והקבועים הקינטיים.הנתונים מניסויי vitro או ביופסיות קליניות הם לעתים קרובות ספארי.יתר על כן, ABMs הם יקרים חישוביים כאשר הם מדגימים נפחים גדולים רקמות ברזולוציה התאית.
מודלים היברידיים
מודלים היברידיים משלבים את מכניקת הרצף של FEM עם הטבע מבוסס דיסקרטי, מבוסס הכלל של ABMs או אוטומאטה סלולרית.בהגדרה היברידית טיפוסית, העצם מיוצגת כחומר מתמשך באמצעות FEM, בעוד הגידול מיוצג כמערך של סוכנים דיסקרטיים שגדלים, מתחלקים ומתים על פי תנאים מקומיים (למשל, חמצן, עומס מכני).
גישה זו תופסת הן את ההשלכות המכאניות המאקרוסקופיות של גידול גידולים (הפצה מחדש של מתח, סיכון שבר) ואת התהליכים הביולוגיים המיקרוסקופיים שמניעים את הצמיחה הזו.מודלים ההיברידיים שימשו כדי ללמוד את האבולוציה של metastases העצם תחת תרחישים שונים של טיפול, כגון השימוש של bisphosphonatesphonatesphonate או תרופות אנטי-אנגיוגניות. הם יכולים גם לשלב את ההשפעות של mechanotranssoper & #12; אשר להגיב על ידי תאים מכניים יותר.
קישור חיצוני:0 (Hybrid מודלים מרובים בקנה מידה של metastasis העצם (PubMed)FLT:1.
מפתחי השפעה מכנית
גודל טומור ומיקום
גודל נושאים: גידול גדול יותר מזיז יותר עצם וליצור ריכוזים גדולים יותר של מתח.עם זאת, המיקום חשוב באותה מידה. גידול קטן בצוואר התורן (אזור עומס גבוה במהלך הליכה) יכול להיות מסוכן יותר מאשר גידול גדול ב crest (אשר נושא פחות עומס) טומורים ליד מפרקים יכולים גם לערער את הקפסולה המשותפת או להשפיע על פני השטח האמנותי, המוביל לאובדן תפקוד מעבר לשבר, הוא הרס עמוד השדרה הקדמי, הוא מסוגל להרוס את עמוד השדרה הנפוץ ביותר.
מודלים Computational יכולים לכמת את ההשפעה של המיקום על ידי הדמיה של מספר רב של ג'ממות גידול באתרים שונים.לדוגמה, מחקר עשוי להשוות פגם spherical lytic של 2 ס"מ הממוקם במרכז ב- vertebra מול אחד הממוקם אקסצנטרי ליד הדל.המודל יפגין כי אקסצנטריות יוצרות גדולות יותר ועשרות לחץ גבוה יותר על העצם שנותרה כדי להגדיל את גודלם.
הכחשה ואיכות
צפיפות מינרלים העצם (BMD) היא קביעה גדולה של כוח מכני.אוסטאופוטי עם BMD נמוך יש trabeculae ו עובי קורטי מופחת, מה שהופך אותו פגיע יותר לחלשה המושרה על ידי גידול.conversely, חולים צעירים עם BMD גבוה עשויים לסבול גידולים גדולים יותר לפני שבר הופך מתקרב.עם זאת, BMD לבדו לא ללכוד את כל ההיבטים של איכות העצם.
מודלים אלמנט סטטיים המשלבים תכונות חומר heterogeneous מהנתונים CT יכולים לייצג את הריאציות האלה.לדוגמה, אזורים של יחידות Hounsfield נמוכות (HU) ניתן להקצות מודולולי נמוך, בעוד אזורים ב-HU גבוה (עצם קוקטי) נשארים נוקשים.אזור הגידול עצמו עשוי להיות פרופיל צפיפות heterogeneous עקב פעילות heterogeneous מעורבבת ופיצוץ.
שיעור צמיחה ותבנית התקדמות
השיעור שבו גידול מתרחב משפיע על האופן שבו העצם מתחדש בתגובה. גידול איטי-צמיחה מאפשר זמן מסוים עבור העצם כדי ליצור rim sclerotic rim (כפי שנראה במושגים שפירים כמו גידול תאים ענקיים), אשר יכול לעכב את הפגם. סימולציה גדל במהירות (למשל, אוסטקומה גבוהה) החוצה כל תגובה מגובשת, מובילת לשינוי גיאומטריה.
כמה דגמים משלבים מנגנון משוב שבו עומס מכני מעכב צמיחה של גידול (באמצעות mechanosensation), בעוד אחרים מניחים התרחבות איזוטרופית. ראיות קליניות מצביעות על כך שאזורים של זנים גבוהים עשויים למעשה לקדם נישות מטבולית מסוימת, כך שהמודלים הבין-לשוניים מורכבים גם יכולים לדמות את ההשפעות של הטיפול: ירידה בנפח הגידול תחת כימותרפיה ניתן לדגימה כהסרת הדרגתית של אלמנטים עסוקים ושיקום של תכונות חומר העצם.
תכונות של Tumor Tissue
גורם לעתים קרובות-Overlooked הוא הנוקשות הפנימית של הגידול עצמו. גידולים רכים (המודולולוס של יאנג) מתנהג כמו חלל מלא נוזל; הם משדרים עומס מינימלי לסביבות העצם. Stiffer, גידולים fibrotic יכולים לפעול כמו עלייה בלחץ ספציפי, העברה ישירות לממשק העצם-tumoration של גידולים נוקשים הם משתנים, למעט מדדי תפקוד MPto משמעותיים על ידי תאים (אפקטים של שפעת) על ידי תאים משמעותיים על ידי תאים (Sivto) על ידי תאים) על מנת להדגיש את ההשפעה של שפעת מסוג SEM (אפקט משמעותי על ידי תאים משמעותיים על ידי תאים).
יישומים של מודלים מכניים
תחזית סיכון לחיזוי סיכונים
היישום הקליני הישיר ביותר הוא חישוב של סיכון שבר, לעתים קרובות בא לידי ביטוי היחס של עומס יישומי לכוח העצם (ספק בטיחות) אם הגורם dips מתחת 1.0 תחת עומס פיזיולוגי, שבר הוא ככל הנראה.מודלים ניתן להגדרה על ידי סוג פעילות: הלחץ מנפילה על הירכיים הם הרבה יותר גבוה מאשר הליכה.
אתגר מפתח הוא להגדיר את קריטריון הכישלון.עצם הוא חומר מחצן; זה יכול לקיים כמה מיקרודמאג לפני כישלון קטסטרופלי.מודלים מודרניים משלבים מכניקת נזק מתקדמת, המאפשר סימולציה של סדקים והפצתו.זה מספק תמונה יותר מיחס פשוט ללחץ-to-Strth.
תכנון כירורגי
מנתחים יכולים להשתמש במודלים ספציפיים לחולה כדי להתאים את היקף המחזור ואת הבחירה של שיקום.לדוגמה, בלחיצת גרורתית גדולה, מודלים מטסטטיים גרורתית יכול להשוות את התוצאות של החלפת אסתטיקה מול הציפורן intrameduilary המוגדל עם מלט.מודל יכול לדמות טעינה לאחר ניתוח לזהות אזורים של לחץ או מתח מופרז שעלול להוביל לכשל או לשבר הרדמה.
בדומה, בעמוד השדרה, מודלים יכולים להנחות ריצוף או kyphoplasty: כמה מלט צריך להיות מוזרק לייצב גוף קודר שבור ללא גרימת תוספת? איזו גישה (unipedicular לעומת bipedicular) מספקת הפצה טובה יותר של מתח? מחקרים אלמנט פיניט סיפקו הנחיות מבוססות ראיות, וסימולציות ספציפיות לחולה יכולות לחדד את אלה עוד.
פיתוח תרופות ותכנון טיפול
חברות תרופות משתמשות במודלים חישוביים כדי לחזות את ההשלכות המכאניות של סוכני מחשוב העצם.לדוגמה, denosumab ( מעכב RANKL) מפחית פעילות אוסטיאוקלסטוסטר; מודל הכולל שחזור העצם דינמי יכול לדמות כיצד לעצור או להתחיל תרופה כזו משנה את כוח העצם לאורך זמן.זה יכול ליידע ניסויים קליניים ולבצע מרווחים.
בטיפול בקרינה, מודלים יכולים להעריך את חלוקת המינון הקרינה ואת ההשפעות שלה על תאים גידולים ומיקרו-ארכיטקטורה העצם בשילוב עם מודלים מכניים, החוקרים יכולים לחזות את הסיכון של שבר לאחר-הההגירה, שהוא סיבוך ידוע, במיוחד באגן וצלעות.
קישור חיצוני:0 (הופנה מהדף FLT:0) מנבא את ההשפעות המכאניות של קרינה על העצם (PubMed)teauFLT:1.
כיוונים עתידיים
שילוב של Machine Learning
למידת מכונה ולמידה עמוקה נועדו להאיץ את הדור של מודלים ספציפיים לחולה.רשתות עצביות מהפכתיות יכול באופן אוטומטי לפרט גידולים ואנטומיה העצם מ- CT ו- MRI, צמצום עבודת ידניים (רשתות נוירולוגיות המוכשרות על אלפי סימולציות של אלמנטים סופיים) יכול לספק תחזיות כמעט בלתי חד-משמעיות של שברים בסיכון, המאפשרות תמיכה בזמן אמת במודלים של ייצור יכול גם להציע תוכניות ניתוח או חיזוי צמיחה אופטימלי.
מודלים Multi-Scale Modeling
הגבול הבא הוא אמת רב-מידה מודלים כי קישורים אותות מולקולריים (למשל, RANK-RANK-RANKL-OPG Path) להתנהגות סלולרית (osteoclastogenesis, גידול תא התפוצה) למכניקה ברמת הרקמות ובסופו של דבר לתפקוד מאורגן שלם.מודלים כאלה יחייבו נתונים מסיביים ומסגרות חישוביות מתקדמות, אך הם מבטיחים ללכוד את שרשרת המלא של סיבתיות ממוטציות גנטיות לשילוב זה.
אימות ותרגום לפרקטיקה קלינית
עבור מודלים חישוביים להיות כלי קליני שגרתי, הם חייבים להיות מאומתים בקפידה נגד תוצאות קליניות פוטנציאליות.מספר מחקרים בקנה מידה גדול נמצאים בעיצומו, באמצעות הדמיה ונתונים מעקב כדי לחדד תחזיות מודל.אישור רגולטורי (FDA) עבור תוכנה המסייעת ישירות קבלת החלטות קליניות היא גם מכשול כי כמה חברות מתחילות לנווט.
מכונאים אישיים
כל גידול וכל עצם הוא ייחודי.התקדמות בדמיית (למשל, CT כמותי ברזולוציה גבוהה, MRI עם זמן הד קצר יחסית) לספק מידע מבני מפורט יותר ויותר.שלב נתונים ספציפיים לחולה על רמות פעילות גופנית ומעמד הורמונלי יאפשר תחזיות מותאמות אישית באמת של סיכון ותגובה שברית?המטרה הסופית היא לענות על השאלה: "לספק את הגידול הספציפי שלך ואת הארכיטקטורה העצם, מה הסיכון של השנה שלך, אשר למעשה להפחית את ההתערבות שלך?"
לסיכום, מודלים של ההשפעה המכנית של גידול הגידול על העצם שמסביב הוא שדה מתפתח במהירות המשלב ביומכניקה, תאולוגיה ומדע חישובי. יסוד פיניט, מודלים מבוססי הסוכן, ומודלים היברידיים כל אחד מציעים תובנות ייחודיות, והיישומים הקליניים שלהם מתרחבים מחיזוי לתכנון כירורגי ופיתוח תרופות.