I've got an idea to improve the chemotherapy and the antitumor response against cancer.
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In den letzten Jahrzehnten wurden zahlreiche ultraschallbasierende Verfahren gegen Krebs veröffentlicht. Teilweise werden sie auch bereits in der Routine-Behandlung (z.B. high intensity focused ultrasound, HIFU beim Prostatakarzinom) eingesetzt. Bei den bisherigen Methoden wird das Gewebe im Schallfokus thermisch erhitzt und so zerstört.
Nach meinem Empfinden spielt bei den jetzigen Forschungs- und Behandlungsmethoden der nicht-thermische Ultraschall eine viel zu untergeordnete Rolle. Wisschenschaftliche Arbeiten wie die von Zhenlin (
http://www.translational-medicine.com/content/pdf/1479-5876-5-34.pdf ) zeigen, dass vor allem nicht-thermischer Ultraschall oder ultraschallinduzierte Kavitation im Tumorgewebe einen positiven Effekt auf die Immunantwort gegen den Tumor ausüben kann [1 Zhenlin, 2007; 2 Wu, 2004].
Der Zellmembrantransport kann in der Regel nur durch passiven Transport (Diffusion, Osmose) oder aktiv durch Proteinpumpen (z.B. Efflux-Pumpen) erfolgen. Damit Tumorantigene noch wirkungsvoller vom Immunsystem erkannt werden können, müssen sie das Zellinnere durch die Membran verlassen. Umgekehrt müssen Krebsmedikamente wie Zytostatika die Zellmembran meist passiv durchdringen. Meist werden diese Medikamente jedoch aktiv mithilfe der Efflux-Pumpen wieder aus dem Zellinneren herausgepumpt und können keine ausreichende Konzentration im Zellplasma erreichen.
Um Efflux-Pumpen und damit der MDR (Multiple Drug Resistance) entgegenzuwirken können Zellmembranen durch ultraschallinduzierte Kavitation/Sonoporation kurzfristig für Wirkstoffe wie Zytostatika oder Antibiotika (sowie in der Gentherapie für DNA) durchlässig gemacht werden [8 Schlicher, 2006]. Umgekehrt könnten Tumorantigene durch die Sonoporation besser vom Immunsystem erkannt werden.
Zur Erzeugung von Ultraschallwellen in der Technik und der Medizin werden bisher vor allem Lautsprecher, insbesondere Piezolautsprecher als Schallquellen eingesetzt.
Da die bisherigen ultraschallbasierenden Methoden alle auf solche externen Schallquellen zurückgreifen, können sie ihr Wirkungspotential meiner Meinung nach nicht voll entfalten. Das punktuelle Erzeugen des Schalls und dadurch anschließend notwendige Weiterleiten in das Gewebe hat den Nachteil, dass die Welle an Grenzflächen, wie Luft, Knochen etc. stark absorbiert wird. Je nach Leistung der Schallquelle wird die Zielmaterie dadurch ungenügend erreicht und/oder die Überträgermaterie wird durch die ungewollte Absorption zu stark erhitzt. So kommt es zum Beispiel im biologischem Gewebe zu hitzeinduzierten Nekrosen und Apoptosen (Zelltod). Fokussierungsgeräte können diese Nachteile nur teilweise kompensieren, sind nur im Schallfokus effizient und damit für viele systemische Methoden (z.B. Ultraschall in Kombination mit der Chemotherapie) nicht geeignet.
Diese Probleme müssten sich durch eine Vorrichtung zur Erzeugung von Schallwellen direkt im biologischem Gewebe, mithilfe des Magnetohydrodynamischen Effektes lösen lassen. Der nichtthermische Kavitationseffekt müsste sich darüber hinaus durch chemische oder physikalische Kavitationsverstärker wie z.B. Unterdruck erhöhen lassen.
Wird durch ein Organismus Strom geleitet, so sollte aufgrund des unterschiedlich elektrischen Widerstandes die Stromstärke je nach Art des Gewebes unterschiedlich hoch sein (z.B. im Nervengewebe und in den Blutbahnen höher als im Knochen). Wird senkrecht dazu ein magnetisches Feld erzeugt, wirkt nach der Rechte-Hand-Regel in die dritte Ebene die Lorentzkraft. Liegt eine Wechselspannung vor, wirken elektrische Leiter im Gewebe als Membranen und erzeugen im umliegenden Gewebe eine Longitudinalwelle (Stoßwelle). Befindet sich der gesamte Organismus im Unterdruck (0,2 / 0,3 bar), sollte das Wasser im Gewebe in der Dekompressionsphase der Welle schlagartig verdampfen und die gewünschten Kavitationsblasen bilden.
Die Frequenz sollte so hoch liegen (ab 100khz), dass dem Organismus aufgrund der fehlenden Nervenreizung (nicht etwa wegen dem Skin-Effekt: Beitrag "
www.mikrocontroller.net/topic/96103#829318" ) kein Schaden entsteht. Bei ca 0,3 bar Druck ist der Sauerstoffpartialdruck noch ausreichend um ein Organismus mithilfe von reinem Sauerstoff zu versorgen. Bei einem Umgebungsdruck von 0,2 bar siedet Wasser bei ca. 60 °C;Bei der Körpertemperatur von 37 °C siedet Wasser bei ca. 0,07 bar. Eine Stoßwelle müsste also 0,13 bar Unterdruck in seiner Dekompressionphase aufbringen um eine Kavitation zu erzeugen. Da Organismen aber nicht aus destilliertem Wasser bestehen sind solche theoretischen Berechnungen wohl überflüssig.
Sollte sich herausstellen, dass der elektrische Widerstand der einzelnen Gewebearten sich nicht ausreichend voneinander unterscheidet um über den Magnetohydrodynamischen Effekt im Gewebe den notwendigen Schalldruck zu erzeugen, wäre vielleicht auch der Einsatz von pulsierenden Überlagerungen / Interferenzen von magnetischen Feldern denkbar.
Mich würde interessieren, ob an Ihrem Krebsforschungszentrum schon Projekte mit nicht-thermischen Ultraschall durchgeführt und ob eventuell bereits dafür angepasste Ultraschallquellen entwickelt und getestet wurden.
Vielen Dank, dass Sie sich die Zeit genommen haben.
PS: Für Konstruktive Kritik zu meinen Überlegungen wäre ich Ihnen sehr dankbar.
Quellen:
1. Hu Zhenlin; Yang Xiao Yi; Liu Yunbo; Sankin Georgy N; Pua Eric C;
Morse Michael A; Lyerly H Kim; Clay Timothy M; Zhong Pei: Investigation
of HIFU-induced anti-tumor immunity in a murine tumor model.
Journal of translational medicine 2007
2. Wu F, Wang ZB, Lu P, Xu ZL, Chen WZ, Zhu H, Jin CB: Activated
anti-tumor immunity in cancer patients after high intensity
focused ultrasound ablation. Ultrasound Med Biol 2004, 30(9):1217-1222.
3. L. Bakay u. a.: Ultrasonically produced changes in the blood?brain
barrier. In: Arch Neurol Psychat 76, 1956, S. 457?467. PMID 13371961
4. H. T. Ballantine u. a.: Progress and problems in the neurological
applications of focused ultrasound. In: J Neurosurg 17, 1960, S.
858?876. PMID 13686380
5. N. Vykhodtseva u. a.: Progress and problems in the application of
focused ultrasound for blood-brain barrier disruption. In: Ultrasonics
48, 2008, S. 279?296. PMID 18511095
6. K. Hynynen u. a: Noninvasive MR imaging-guided focal opening of the
blood?brain barrier in rabbits. In: Radiology 220, 2001, S. 640?646.
PMID 11526261
7. Wood, Andrew K W. / Ansaloni, Sara. / Ziemer, Lisa S. / Lee, William
M-F. / Feldman, Michael D. / Sehgal, Chandra M.: The antivascular action
of physiotherapy ultrasound on murine tumors In:Ultrasound in Medicine
and Biology 31(10): 1405-1410, October 2005.
8. Robyn K. Schlicher, Harish Radhakrishna, Timothy P. Tolentino, Robert
P. Apkarian, Vladimir Zarnitsyn and Mark R. Prausnitz : Mechanism of
intracellular delivery by acoustic cavitation - Ultrasound in Medicine &
Biology, Volume 32, Issue 6 , June 2006, Pages 915-924
