Nanoparticles-mediated photothermal therapy and laser ablation for cancer treatment : numerical modeling and monitoring of the thermal effect

Laser ablation (LA) is a thermal therapy that exploits the conversion of laser light into heat to induce localized thermal damage in tissue. LA represents an attractive technology to treat tumor lesions owing to the possibility of being performed with a minimally invasive approach, hence reducing tissue trauma, and targeting the tumor site also in proximity to delicate anatomical locations. These advantageous characteristics, along with the associated low morbidity rate and cost-effectiveness, make LA a possible alternative procedure to conventional treatment methods. Especially, LA is gaining acceptance for treating patients that are not eligible for traditional surgical excision. Nevertheless, the main technical challenge preventing the widespread adoption of LA in the clinical routine is due to the complexity of effectively treating the target tumorous region, while avoiding collateral damage to the surrounding healthy tissue. To overcome this hurdle, technological expedients and methodologies have been proposed. The use of highly laser-absorbing nanoparticles to increase the treatment selectivity, the adoption of temperature monitoring strategies for assessing the tissue thermal effect, and the development of accurate mathematical frameworks to predict the treatment outcomes have opened new horizons for photothermal treatments. In this regard, my Ph.D. project presents a combinational strategy based on: (i) monitoring the thermal outcome during photothermal therapy (PTT) assisted by rod-shaped gold nanoparticles (GNRs), (ii) the measurement of the tissue physical properties influencing the heat transfer, (iii) the development of a numerical model of the therapy, with the final aim to provide insights for the optimization of photothermal procedures. Regarding the monitoring of GNRs-mediated PTT, a first in vitro evaluation was performed to determine GNR cytotoxicity, cell internalization, and the proper treatment settings to attain decreased tumor cell viability thanks to the combined action of GNRs and laser irradiation. In vivo experiments were then carried out in subcutaneous breast tumor models. High-performant thermographic imaging was exploited to investigate in real-time the superficial temperature due to laser irradiations, at different wavelengths of the therapeutic window (i.e., 808 nm, 940 nm, 975 nm, and 1064 nm), combined with GNRs. For comparison, each adopted GNR type was selected to exhibit an absorption peak respectively matching the stimulating radiation wavelength. The thorough thermal analysis of the measured temperatures allowed assessing the laser wavelengths associated with a possible higher treatment selectivity, i.e., higher temperature differences when GNRs were administered compared to when tissue was exposed to radiation without GNRs. Additionally, the estimation of the time constants of the temperature evolutions provided useful insights into the diverse heating kinetics ascribable to the laser-tissue interaction at the different wavelengths. Furthermore, to assess the internal tumor temperature evolution during GNRs-mediated PTT, the feasibility of fiber Bragg grating (FBG) sensors-based thermometry was explored. Femtosecond laser-inscribed custom-made FBG sensors allowed for multiple sensing points within the tumor lesion to accurately describe the internal tumor temperature evolution. Besides, they allowed the reconstruction of high-spatially resolved two-dimensional thermal maps. The good metrological features of the adopted sensors, i.e., short time response, high thermal sensitivity, millimetric resolution, 0.1 °C accuracy, along with multiplexing and multipoint measurement capability, foster the employment of these sensors for monitoring nanoparticle-assisted PTT. Concerning the measurement of the physical properties of biological tissue, the thermal and optical properties were the principal focus of the investigation due to their implication in the photo-thermal processes. After a comprehensive literature review, it was noticed the lack of studies characterizing the thermal properties up to temperatures typical of ablative procedures. Hence, in this Ph.D. project, the thermal properties (thermal conductivity, thermal diffusivity, and volumetric heat capacity) of several biological tissues (i.e., heart, lung, liver, brain, pancreas) were measured in a controlled environment from nominal temperature up to >90 °C, by means of transient hot-wire method adopting a dual needle probe. Regression models based on the measured values were proposed to be utilized in mathematical frameworks of the therapy to maximize the accuracy of the prediction; the measurement uncertainty of each thermal property in the considered temperature range was estimated. Additionally, the optical properties, i.e., absorption and reduced scattering coefficients, of biological tissue (pancreas) were characterized using time-domain diffuse optical spectroscopy in a broad wavelength range (600 nm - 1100 nm). The attained results may provide indications on the laser wavelengths to be employed in case low or high tissue attenuation is desired, and quantitative values to be used in the simulation of laser-based therapies and for the realization of tissue-mimicking materials. Finally, an innovative numerical model was developed based on the bioheat transfer equation. The model was devised to consider the dynamic variation of the thermal and optical properties of biological tissue during the procedure, which has a major impact on the thermal outcome. Moreover, it also simulated the presence of the physical temperature sensors, i.e., FBG sensors, as in a real experimental scenario. Simulations were performed to determine the peak temperature trend, volumetric heat distribution, and thermal damage to evaluate a possible temperature-controlled system of interstitial LA. Indeed, the power of the laser light was controlled based on the measurement provided by the FBG sensors to confine the thermal damage in a specific tissue region. The numerical model allowed for the evaluation of different sensor locations on the final thermal outcome and tissue damage. The model was then experimentally validated, showing an accurate prediction of the temperature evolution for the different sensor configurations. The attained results suggest the applicability of the model for the investigation of different sensor-based controlling strategies for photothermal procedures. Overall, the developed numerical model may serve as an effective tool for the investigation of different parameters affecting thermotherapies. Besides, the monitored tissue thermal effects ascribable to laser irradiation at different wavelengths and the measured physical properties may provide further insights into the in-depth study and optimization of photothermal treatments. This work was supported by the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under Grant Agreement 759159.

L'ablazione laser (AL) è una terapia termica che sfrutta la conversione della luce laser in calore per indurre un danno termico localizzato nei tessuti. L’AL rappresenta una tecnologia promettente per la rimozione di lesioni tumorali grazie alla possibilità di essere eseguita con un approccio minimamente invasivo, riducendo così il trauma tissutale, e di trattare il sito tumorale anche in prossimità di sedi anatomiche delicate. Queste caratteristiche vantaggiose, insieme al basso tasso di morbilità associato e al rapporto costo-efficacia, rendono l’AL una possibile procedura alternativa ai metodi di trattamento convenzionali. In particolare, l’AL sta guadagnando consensi per il trattamento di pazienti non idonei alle tecniche di resezione chirurgica tradizionale. Tuttavia, la principale sfida che impedisce l'adozione diffusa dell’AL nella routine clinica è dovuta alla complessità di trattare efficacemente la regione tumorale bersaglio, evitando al contempo danni collaterali al tessuto sano circostante. Per far fronte a tale problematica, sono stati proposti espedienti e metodologie tecnologiche. L'uso di nanoparticelle ad alto assorbimento della radiazione laser per aumentare la selettività del trattamento, l'adozione di strategie di monitoraggio della temperatura per valutare l'effetto termico del tessuto e lo sviluppo di modelli matematici accurati per prevedere i risultati della terapia hanno aperto nuovi orizzonti per i trattamenti fototermici. A questo proposito, il progetto di dottorato presenta una strategia combinata basata su: (i) il monitoraggio dell'effetto termico durante la terapia fototermica (TFT) assistita da nanoparticelle d'oro bastoncellari (GNR), (ii) la misurazione delle proprietà fisiche del tessuto che influenzano il trasferimento di calore, (iii) lo sviluppo di un modello numerico della terapia, al fine di ottimizzare le procedure fototermiche. Per quanto riguarda il monitoraggio della TFT mediata da GNR, è stata eseguita una prima valutazione in vitro per determinare la citotossicità delle GNR, l'internalizzazione cellulare e le impostazioni di trattamento adeguate per ottenere una riduzione della vitalità delle cellule tumorali grazie all'azione combinata di GNR e irraggiamento laser. Sono stati poi condotti esperimenti in vivo in modelli di tumore mammario sottocutaneo. L'imaging termografico ad alte prestazioni è stato utilizzato per studiare in tempo reale la temperatura superficiale dovuta agli irraggiamenti laser, a diverse lunghezze d'onda della finestra terapeutica (808 nm, 940 nm, 975 nm e 1064 nm), combinati con le GNR. Al fine di effettuare un confronto tra gli irraggiamenti a diverse lunghezze d’onda, ogni tipo di GNR adottato è stato selezionato per mostrare un picco di assorbimento corrispondente alla lunghezza d'onda della radiazione stimolante. L'analisi termica delle temperature misurate ha permesso di valutare le lunghezze d'onda della luce laser associate a una possibile maggiore selettività del trattamento, ossia differenze di temperatura più elevate nel caso di somministrazione delle GNR rispetto a quando il tessuto è stato esposto alle radiazioni senza GNR. Inoltre, la stima delle costanti di tempo delle evoluzioni della temperatura ha fornito utili indicazioni sulle diverse cinetiche di riscaldamento attribuibili all'interazione laser-tessuto alle diverse lunghezze d'onda. Al fine di valutare l'evoluzione della temperatura interna del tumore durante la TFT mediata da GNR, è stata esplorata la fattibilità della termometria basata su sensori a fibra di Bragg (FBG). I sensori FBG, realizzati ad hoc tramite tecnica di iscrizione laser a femtosecondi, hanno permesso di ottenere più punti di rilevamento all'interno della lesione tumorale per descrivere accuratamente l'evoluzione della temperatura interna del tumore. Inoltre, essi hanno consentito la ricostruzione di mappe termiche bidimensionali ad alta risoluzione spaziale. Le buone caratteristiche metrologiche dei sensori adottati, ossia ridotto tempo di risposta, elevata sensibilità termica, risoluzione millimetrica, precisione di 0,1 °C, favoriscono l'impiego di questi sensori per il monitoraggio della TFT assistita da nanoparticelle. Per quanto concerne la misurazione delle proprietà fisiche dei tessuti biologici, le proprietà termiche e ottiche sono state l'oggetto principale dell'indagine, considerata la loro implicazione nei processi fototermici. Dopo un'ampia revisione della letteratura, si è notata la mancanza di studi che caratterizzassero le proprietà termiche fino alle temperature tipiche delle procedure ablative. Pertanto, in questo progetto di dottorato, le proprietà termiche (conduttività termica, diffusività termica e capacità termica volumetrica) di diversi tessuti biologici (cuore, polmone, fegato, cervello e pancreas) sono state misurate in ambiente controllato dalla temperatura nominale fino a >90 °C, mediante transient hot-wire method, utilizzando una sonda a doppio ago. Sono stati proposti modelli di regressione basati sui valori misurati, da utilizzare in modelli matematici della terapia per massimizzare l'accuratezza della previsione. Inoltre, l'incertezza di misura di ciascuna proprietà termica è stata stimata nell'intervallo di temperatura considerato. Le proprietà ottiche del tessuto biologico (pancreas) sono state caratterizzate utilizzando la spettroscopia ottica diffusa nel dominio del tempo in un ampio intervallo di lunghezze d'onda (600 nm - 1100 nm). I risultati ottenuti possono fornire indicazioni sulle lunghezze d'onda del laser da impiegare nel caso in cui si desideri una bassa o alta attenuazione del tessuto, e valori quantitativi da utilizzare nella simulazione di terapie basate sulla radiazione laser e per la realizzazione di materiali che mimino le proprietà dei tessuti biologici. Infine, è stato sviluppato un modello numerico innovativo basato sull'equazione del trasferimento di calore nei tessuti biologici. Il modello è stato concepito per considerare la variazione dinamica delle proprietà termiche e ottiche del tessuto durante la procedura, che ha un forte impatto sul risultato termico. Inoltre, è stata simulata la presenza di sensori fisici di temperatura, quali i sensori FBG, come in uno scenario sperimentale reale. Le simulazioni sono state eseguite per determinare l'andamento del picco di temperatura, la distribuzione volumetrica del calore e il danno termico, al fine di valutare una possibile strategia di AL interstiziale a temperatura controllata. Infatti, la potenza della luce laser è stata controllata in base alle misure fornite dai sensori FBG per confinare il danno termico in una regione specifica del tessuto. Il modello numerico ha permesso di valutare l’influenza di diverse posizioni dei sensori sul risultato termico finale e sul danno tissutale. Il modello è stato poi convalidato sperimentalmente, mostrando una previsione accurata dell'evoluzione della temperatura per le diverse configurazioni dei sensori. I risultati ottenuti suggeriscono l'applicabilità del modello per lo studio di diverse strategie di controllo della temperatura per procedure fototermiche. Nel complesso, il modello numerico sviluppato può servire come strumento efficace per lo studio di diversi parametri di rilevanza durante le termoterapie. Inoltre, gli effetti termici tissutali monitorati, attribuibili all'irraggiamento laser a diverse lunghezze d'onda, e le proprietà fisiche misurate possono fornire ulteriori spunti per lo studio approfondito e l'ottimizzazione dei trattamenti fototermici. Questo lavoro è stato finanziato dal Consiglio Europeo della Ricerca (ERC) nell'ambito del programma di ricerca e innovazione Horizon 2020 dell'Unione europea sotto il Grant Agreement 759159.