Tumor-Indüklenen Bone Mechanics'a Giriş

Kemik dokusuna gelen veya metastaz olan Tumors, sadece akademik bir egzersiz ve #8212; doğrudan kanalize edilmesi ve radyasyonun tasarımına yönelik baskı ve normal yük devretme kapasitelerini bozuyor ve genellikle patolojik kırıkları korumayı amaçlayan karmaşık bir mekanik ortam yaratıyor.

osteosarcoma, Ewing sarkoma ve chondrosarcoma gibi temel kemik kanseri, meme, prostat, akciğer ve böbrek kanseri, tüm ortak bir mekanik sonucu paylaşıyor: bu ikiyüzlü reziğe (kırıklık rezorpsiyonel faktörlere) doğrudan bağlı olarak, normal kemik yeniden modelleme döngüsüne ve yük taşımaya yönelik fiziksel izolasyona ve değiştirilmesine izin veren klinik tedavilere izin vermek için güçlü bir araç olarak ortaya çıktı.

Bu makale, araştırmacıların bu araçları daha tahmin edici ve hastaya özgü hale getirme konusunda mekanik etkilerini nasıl modelleyeceği konusunda bir yazara dayalı bir genel bakış sunar.

Tumor-Bone Interactions Matters Klinik Olarak Modelleme

Kemik tümörleri nedeniyle patolojik kırıklar yıkıcı komplikasyonlardır. Şiddetli ağrı, hareketliliğin kaybı ve sıklıkla planlanmamış prosedürlerden daha kapsamlı olabilir. metastatik hastalık, omurga, femur ve boylamalar yaygındır; bir omurgalı sıkıştırma kırıklığı, sıkıştırılma riski ve parizasyona yol açabilir.

Endokülasyonun ötesinde, cerrahların yeniden bölümlere ve yeniden inşa etmeye yardımcı olur. Örneğin, limb-salvage cerrahisi osteosarcoma için, cerrahın kusuru nasıl ortadan kaldırması ve nasıl yeniden inşa edeceğine karar vermelidir (örneğin, tüm transoprostez, ya da vasküllü fibula greft) Cerrahisi ile ilgili bir model yeterli mekanik destek sağlayabilir.

Ayrıca, modelleme ilaç gelişimini etkileyebilir. Birçok hedefli terapi, bisphosphonates veya RANKL inhibitörleri (denosumab), osteoklast aktivitesini engelleyerek, böylece kemik rezorasyonunu yavaşlatarak çalışabilirsiniz.

C ⁇ Modelleri

Finite Element Modelleri (FEM)

Kemik üzerindeki tümörlerin mekanik etkisini incelemek için en yaygın kullanılan yaklaşım, sonlu bir element yöntemidir. FEM, kemik yapısını binlerce veya milyonlarca küçük elemente ayırmaktadır (tetrahedra, hexahedra) ve tüm yükler altında elementleri tamamen çözerek çözülür.Bir tümörü modeline göre, araştırmacılar, tüm elementlerin özelliklerini tümör bölgesinde değiştirirler ve #8212;tipik olarak elastikiyet (stiffness) ve verim gücünü azaltırlar ve hatta tamamen analitik kusurların ortadan kaldırılması.

Yüksek çözünürlüklü FEM, Ampirik ilişkiler kullanarak mekanik özelliklere haritalanmış üç boyutlu görüntüleme verileri ) veya manyetik rezonans görüntüleme (MRI) bulguları, kemik mineral yoğunluğu (BMD) bilgileri, hangi normal ilişkileri kullanarak haritalanabilir veya yarı otomatik algoritmaların segmente edilebilir ve tüm kemik-tüm optik optik diskler boyunca oluşturulur.

Anahtar çıktıları stres ve su dağıtımları, hesaplanan bir güvenlik faktörü olarak (gösteren yüksek çözünürlükte) Bu faktördeki indirimler yüksek kırık risklerini gösterir. FEM, kadavra deneylere ve klinik sonuçlara karşı doğrulandı, altın standardı ortopedik biyomekaniklere kazandırmıştır.

Dış bağlantı:Düz:0) Yololojik kırılma tahmini (PubMed)).

Agent-Based Modeller

Ajan bazlı modeller (ABMs) alt sınıf bir yaklaşım alır, bireysel hücrelerin davranışını (ya dalar) bir dizi kurallara göre. Her ajan, bir FEM simülasyonu ajanlara geri döndürür, osteoklast veya bağışıklık hücresine, ve etkileşimleri biyolojik sinyalleri (örneğin, büyüme faktörleri, cytokines) ile tanımlanır.

ABMs özellikle de tümör büyümesi ve kemik yeniden modellemesi arasındaki dinamik Interplay'ı incelemek için faydalıdır. Örneğin, tümör hücreleri kemik imhasının spatiotemporal modelini üretebilir (PTHrP), bu da osteobik membranları yeniden teşvik eder ve bu da bir şekilde fikre yol açabilir.

ABM'lerin sınırlaması, ABM'lerin sürekli Fum çerçevesi içinde yer aldığı çok sayıda kuralın ve kinetik sabitlerin parametrelendirilmesinin zorluğudur.

Hybrid Modeller

Hibrit modeller FEM'in sürekli mekaniklerini ABM'lerin veya hücresel komponatif bir düzene göre birleştirir, örneğin FEM kullanan, kemik dengesizliğini temsil etmek için sürekli bir malzeme olarak temsil edilir ve yerel koşullara göre ölürler (örneğin, oksijen konsantrasyonu, mekanik yük).

Bu yaklaşım hem de tümör büyümenin makrooskopik mekanik sonuçlarını yakalar (stres re dağıtım, kırık risk) ve bu büyümeyi yönlendiren mikroskobik biyolojik süreçlerdir. Hybrid modeller, hangi hücrelerin anlamlı olduğunu ve mekanik kuvvetlere cevap verdiğini ve #8212; tümör-kücrejik ekosistemlerin kullanımı gibi daha tam bir resim.

Dış bağlantı:0)Hybrid multiscale kemik metastasis (PubMed)).

Mekanik Etkileyicide Anahtar Faktörleri

Tumor Boyutu ve Konum

Boyut önemlidir: daha büyük tümörler daha fazla kemikten ayrılır ve daha büyük stres konsantrasyonları yaratır. Ancak, konum aynı zamanda prestüre boyundaki küçük bir tümör (sağlık sırasında yüksek yük bölgesi) en yaygın bir siteden daha tehlikeli olabilir; bir arka sütunu yok eden bir tümör aynı zamanda eklem kapsülü de fikre uğrayabilir veya artik yüzeyi etkiler, omurganın ötesindeki fonksiyonunun kaybına yol açabilir.

C ⁇ modelleri, çeşitli sitelerde birden fazla tümör geometrisini basitleştirerek yerinin etkisini ölçebilir. Örneğin, bir çalışma, merkezi bir omurgadaki 2 cm çapındaki küresel olitik bir kusuru, bir eksantrik lezyonların, eksantrik lezyonların geri kalan kemikte daha yüksek şişirme anları ve daha yüksek çekme streslerini ortaya çıkarabilir, artan kırılma riski orantısız bir şekilde boyutlarına kadar uzanan bir şekilde karşılaştırabilir.

Bonek ve Quality

Kemik mineral yoğunluğu (BMD) mekanik güç büyük bir determinantdır. Osteoporotic kemik düşük BMD ile inceleyici trabeculae ve kortical kalınlığını azaltın, tümöre daha kırılgan hale getirin, yüksek BMD ile genç hastalar tüm katkıda bulunmadan önce daha büyük bir tümörlere katlayabilirler.

Örneğin, düşük Hounsfield birimlerinin bölgeleri (HU) daha düşük modülli olarak atanabilir, yüksek hacimli bölgeler (kortical kemik) sert kalır. tümör bölgesi, karışık olitik ve patlamak aktivite nedeniyle heterojen bir yoğunluk profiline sahip olabilir.

Büyüme Oranı ve İlerleme Ölçeği

Bir tümör yanıt olarak kemik yeniden modellerinin nasıl değiştiğini genişletmektedir. Yavaş büyüyen tümörler, kemik için bir reaktif sclerotic rim (benign lezyonlarda görülen) modellemeleri, bu da, tümörlerin ve kemik geometrisinin artmakta olan artışları gerektirir.

Bazı modeller mekanik yüklerin tümör büyümesinin (benim mekaniksel genişleme ile) engellendiği bir geri bildirim mekanizması içerir, ancak diğerlerinden biri de yüksek su kaynaklarının geri alınmasının bazı metastatik nişleri teşvik edebileceğini göstermektedir, bu yüzden Interplay tedavi etkilerini simüle edebilir: kemoterapi altındaki bir azalma, ajan-okonomi elementlerinin ve kemik materyali özelliklerinin geri çekilmesi olarak modellenebilir.

Tumor Tound

Sık sık göz ardı edilen bir faktör, tümörlerin kendi başına yüklediği gibi hareket eder. Yumuşak tümörler (düşük Genç’in modulus) birkaç klütün tam olarak kemiklerini çevreleyen yükleri iletmektedir; bunlar, fibrotik tümörler kendilerini stres artışçı olarak hareket edebilir, doğrudan kemik-tüm arayüzüne yük aktarabilir.

Mekanik Modelleme Uygulamaları

Fracture Risk Prediction

En doğrudan klinik uygulama, endokrin risk hesaplaması, genellikle bir düşüşten sonra kemik gücüne (güvenlik faktörüne) yük miktarını artırırsa, 1.0'ın altında yatan faktör, yüksek hassasiyet ve spesifikite ile rapor edilebilir. Bazı yazılım araçları geliştirilebilir (örneğin, hipolojik ayarlarda kullanılan bir düşüşten çok daha yüksektir.)

Bir anahtar meydan okuma başarısızlık kriterini tanımlar. Bone bir kusi-brittle malzemesidir; felaket başarısızlığından önce bazı mikrodamage tutabilir. Modern modeller, gelişmiş hasar mekaniğini içerir, çatlakların simülasyonunu ve propagasyonunu sağlar. Bu basit bir stres-to-sorunlu bir orantan daha fazla nuanced resim sunar.

Cerrahi Planlama Planlaması

Cerrahlar, resection ve yeniden yapılandırmanın boyutunu optimize etmek için hastaya özgü modeller kullanabilir. Örneğin, implante edilebilir veya periferik femoral metastatik lesion, modelleme, prosthetic replasman sonuçları ile birlikte artırılmış tırnakların sonuçlarını karşılaştırabilir.

Benzer şekilde, omurgada, modeller, daha iyi stres dağılımına yol açabilir mi? Finite element çalışmaları kanıt tabanlı kılavuzlar ve hasta bazlı simülasyonlar bu daha da gelişmiş bir omurgalı vücudu stabilize etmek için ne kadar çimento enjekte edilmelidir?

İlaç Geliştirme ve Tedavi Planlaması

İlaç şirketleri, kemik değiştirici ajanlarının mekanik sonuçlarını tahmin etmek için hesaplama modelleri kullanırlar. Örneğin, denosumab (a RANKL inhibitörü) osteoklast aktivitesini azaltır; dinamik kemik yeniden modellemesini içeren bir model, bu tür bir ilaç değişikliğinin zaman içinde nasıl durdurulacağını veya başladığını söyleyebilir.

Radyasyon terapisinde, modelleme, radyasyon doz dağıtımını ve hem de kemik mikroaritesini tahmin edebilir. Mekanik modellerle birlikte, araştırmacılar, özellikle de pelvis ve ribs'te bilinen bir komplikasyon riskini tahmin edebilir.

Dış bağlantı:0) Kemik üzerindeki radyasyonun mekanik etkilerini modellemek (PubMed)).

Future Yol Tarifi

Makine Öğrenmesinin Entegrasyonu

Makine öğrenimi ve derin öğrenme, hastaya özgü modeller nesli hızlandırmaya hazırlanmaktadır. Convolutional sinir ağları, CT ve MRG'den otomatik segment tümörleri ve kemik anatomisi, manuel iş. Surrogate modelleri (neural ağları binlerce maküla edilebilir) yakın zamanda kırık risk tahminleri sağlayabilir, klinikte gerçek zamanlı karar verebilir.

Multi-Scale Modeling

Bir sonraki sınır, moleküler sinyalleme (örneğin, RANK-RANKL-OPG yolu) hücresel davranışlara (sonogenezilere, tümöre) ve nihayetinde Avrupa'daki tümorganik enerjiye yönelik girişimlerin tam zincirlerini yakalamaya söz veriyor.

Klinik Uygulamaya Geçerlilik ve Çeviri

Hesaplama modelleri rutin klinik araçlar haline gelmek için, bazı şirketlerin de gezinmeye başlaması gerekir. Birkaç büyük ölçekli çalışma, görüntüleme ve takip verileri kullanarak, normal tedavi yöntemleri ile ilgili modelleme ve takip verileri kullanarak, doğru yardımlar için (FDA) için doğrudan bir onay (FDA) oluşturmak için de bir engeldir. Bazı şirketler gezinmeye başlar.

Kişiselleştirilmiş Mechanobiology

Her tümör ve her kemik eşsizdir. görüntülemede ilerlemeler (örneğin, yüksek çözünürlüklü periferik CT, ultra kısa sürede MRG) bu riski bir sonraki yıl boyunca daha ayrıntılı olarak optimize etmek ve bu riski en etkili şekilde azaltmak için hangi müdahaleyi azaltacaktır?”

Özetle, tümör büyümesinin çevredeki mekanik etkisini modellemek, makine öğreniminde iyileşme sağlayan hızla gelişen bir alandır, onkoloji ve bilişim bilimi. Finite elementi, ajan tabanlı ve hibrid modeller her biri eşsiz öngörüler sunar ve klinik uygulamalar, iki zorlukla karşı karşıya kalan ve toksik büyümenin arttırılması için kırık tahminlerinden daha da genişleyecektir.