Ablative hyperthermia (more than 55 °C) has been used as a stand-alone treatment for accessible solid tumors not amenable to surgery, whereas mild hyperthermia (40-45 °C) has been shown effective as an adjuvant for both radiotherapy and chemotherapy. An optimal mild hyperthermia treatment is noninvasive and spatially accurate, with precise and homogeneous heating limited to the target region. High-intensity focused ultrasound (HIFU) can noninvasively heat solid tumors deep within the human body. Magnetic resonance imaging (MRI) is ideal for HIFU treatment planning and monitoring in real time due to its superior soft-tissue contrast, high spatial imaging resolution, and the ability to measure temperature changes. The combination of MRI and HIFU therapy is known as magnetic resonance-guided high-intensity focused ultrasound (MR-HIFU).
Low temperature-sensitive liposomes (LTSLs) release their drug cargo in response to heat (more than 40 °C) and may improve drug delivery to solid tumors when combined with mild hyperthermia. MR-HIFU provides a way to image and control content release from imageable low-temperature sensitive liposomes (iLTSLs). This ability may enable spatiotemporal control over drug delivery - a concept known as drug dose painting.
The objectives of this dissertation work were to develop and implement a clinically relevant volumetric mild hyperthermia heating algorithm, to implement and characterize different sonication approaches (multiple foci vs. single focus), and to evaluate the ability to monitor and control heating in real time using MR-HIFU. In addition, the ability of MR-HIFU to induce the release of a clinical-grade cancer drug encapsulated in LTSLs was investigated, and the potential of MR-HIFU mediated mild hyperthermia for clinical translation as an image-guided drug delivery method was explored. Finally, drug and contrast agent release of iLTSLs as well as the ability of MR-HIFU to induce and monitor the content release were examined, and a computational model that simulates MR-HIFU tissue heating and drug delivery was validated.
The combination of a multifoci sonication approach and the mild hyperthermia heating algorithm resulted in precise and homogeneous heating limited to the targeted region both in vitro and in vivo. Heating was more spatially confined compared to the use of single focus sonication method. The improvement in spatial control suggests that multifoci heating is a useful tool in MR-HIFU mediated mild hyperthermia applications for clinical oncology. Using the mild hyperthermia heating algorithm, LTSL + MR-HIFU resulted in significantly higher tumor drug concentrations compared to free drug and LTSL alone. This technique has potential for clinical translation as an image-guided drug delivery method. MR-HIFU also enabled real-time monitoring and control of iLTSL content release. Finally, computational models may allow quantitative in silico comparison of different MR-HIFU heating algorithms as well as facilitate therapy planning for this drug delivery technique.Ablatiivista hypertermiaa (yli 55 °C) on perinteisesti käytetty leikkauksiin soveltumattomien kasvainten hoitoon. Lievän hypertermian (40-45 °C) on sen sijaan todettu olevan tehokas liitännäishoito syöpätautien säde- ja lääkehoidoille. Suotuisa hypertermiahoito on kajoamatonta ja täsmällisesti kohdistettua. Lämmityksen tulisi lisäksi olla tarkkaa, tasalaatuista ja kohdealueeseen rajoittunutta. Korkean intensiteetin kohdennettu ultraääni (HIFU) -hoito mahdollistaa kasvainten kajoamattoman lämmityksen. Magneettikuvauksen (MK) etuina ovat erinomainen pehmytkudoskontrasti, korkea paikkaresoluutio ja kyky mitata lämpötilan muutoksia. Näin ollen MK soveltuu erinomaisesti HIFU -hoitojen suunnitteluun ja seurantaan. MK:n ja HIFU:n yhdistelmää kutsutaan magneettikuvauksella ohjatuksi korkean intensiteetin kohdennetuksi ultraääniteknologiaksi (MR-HIFU).
Lämpötilaherkät liposomit ovat suunniteltuja vapauttamaan lääkeainesisältönsä hieman normaalia ruumiinlämpötilaa korkeammissa lämpötiloissa (yli 40 °C). Yhdessä lievän hypertermian kanssa tämänkaltaiset liposomit voivat mahdollistaa kohdistetun lääkeaineen vapauttamisen. Liposomien sisällön vapautumisen tarkkailu voi myös mahdollistaa tarkan lääkemäärän kohdistetun annostelun kasvaimessa.
Väitöskirjatyössä kehitettiin kliinisesti merkittävä lämmitysalgoritmi lievän hypertermian aikaansaamiseksi, toteutettiin usean samanaikaisen kohteen sonikaatio (ultraäänialtistus) menetelmä sekä arvioitiin algoritmin ja menetelmän kykyä kontrolloida kudoksen lämpötilaa käyttäen kliinistä MR-HIFU laitetta. Lisäksi tutkittiin HIFU:n kykyä vapauttaa lääkeaine lämpötilaherkistä liposomeista, karakterisoitiin lääke- ja kontrastiaineen vapautuminen kuvannettavissa olevista lämpötilaherkistä liposomeista sekä tarkasteltiin MR-HIFU:lla aikaansaadun lievän hypertermian potentiaalia kohdentaa lääkeaineen vapautuminen kasvaimeen. Tässä työssä myös validoitiin laskennallinen malli, joka simuloi MR-HIFU:lla aikaansaatua lämmitystä ja siitä johtuvaa lääkeaineen vapautumista, sekä todennettiin MR-HIFU:n sopivuus lämpöablaatioon perustuvaan kohdun pehmytkudoskasvainten hoitomenelmään kliinisessä käytössä.
Lievän hypertermian lämmitysalgoritmi yhdessä usean kohteen sonikaatiomenetelmän kanssa tuotti täsmällisen, tasalaatuisen sekä paikallisesti rajoitetun lämmityksen kohdealueessa. Usean kohteen sonikaatiomenetelmä voi siis olla hyödyllinen työkalu MR-HIFU:n lievän hypertermian syöpähoidon sovelluksissa. MR-HIFU yhdessä lämpötilaherkkien liposomien kanssa sai aikaan merkittävästi korkeamman kasvaimen lääkeainekonsentraation verrokkiryhmiin nähden, ja saattaa siten soveltua kliiniseen käyttöön kuvantamisavusteisena lääkehoitona. Liposomien sisällön (lääkeaine + MK-kontrastiaine) vapautumisen kuvannettavuus merkitsee, että MR-HIFU saattaa lisäksi mahdollistaa tarkan lääkeannoksen kohdistetun vapauttamisen
