A multimodal measurement approach for the assessment of spatial-temporal distribution of temperature and tissue thermal damage during in vivo GNR-mediated PTT

The project presented in this work inserts into the LASER OPTIMAL (GA 759159) multidisciplinary research activity for the development of avant-garde strategies for safe and selective tumor ablation and monitoring of the process of tumor removal, funded by the ERC Starting Grant and directed by professor Paola Saccomandi. The need for mini-invasiveness and for reduction of side effects pushed the biomedical research to explore the nano-world. In laser induced photothermal therapy (PTT) light is delivered to the tissue and then converted into thermal energy which spreads as heat causing cells’ death, with the advantage of loco-regional action, optimizing the sparing of healthy cells. To reach the conditions for tissue’s irreversible damage, nanoparticles can act as boosters to enhance temperature rise in the tumor exploiting surface plasmon resonance. The aim to scientifically support the process of clinical translation of PTT led to a joint project between Istituto di Ricerche Farmacologiche Mario Negri and LAMBDA, the Laboratory of Measurements for Biomedical Applications of Politecnico di Milano. An experimental session allowed creating a consistent dataset, composed of in vivo tests on tumors subcutaneously injected into mice then undergone PTT mediated by gold nanorods. The measurements activities involved the use of fiber Bragg gratings sensors, for the monitoring of intra-tumoral temperature and of an infrared thermal camera for the surface temperature. As expected, higher temperatures were reached in the case of injection of gold nanorods. Thermal damage was assessed innovatively by hyperspectral imaging, which results to be a very promising technique providing tissue spectral variations after laser treatment. The core of this thesis project was the organization and statistical analysis of the collected data, the correlation between temperature measurements and biological effects, and the critical interpretation of the obtained results. Being the first one adopting a multimodal approach to obtain information on tissue temperature and state during PTT, this work is providing an innovative contribution representing a further step towards clinical translation.

Il progetto presentato in questa tesi si inserisce nell’attività di ricerca multidisciplinare LASER OPTIMAL (GA 759159) per lo sviluppo di strategie all’avanguardia per l’ablazione sicura e selettiva di tumori e il monitoraggio del processo di rimozione del tessuto canceroso, finanziato dal ERC Starting Grant e diretto dalla professoressa Paola Saccomandi. Il bisogno di terapie sempre più mininvasive limitanti gli effetti collaterali ha spinto la ricerca biomedica ad esplorare il mondo alla nanoscala. Nella terapia fototermica (PTT) indotta da laser, la luce interagisce con il tessuto trasferendo energia poi convertita in calore provocando danni alle cellule tumorali risparmiando le cellule sane, con un’azione locoregionale. Per raggiungere temperature sufficientemente elevate da indurre un danno irreversibile al tessuto canceroso, le nanoparticelle possono essere utilizzate come amplificatori dell’effetto di riscaldamento interagendo con il laser che provoca la risonanza plasmonica di superficie. La collaborazione tra l’Istituto di Ricerche Farmacologiche Mario Negri e il LAMBDA, Laboratorio di Misure per Applicazioni Biomedicali del Politecnico di Milano nasce dall’intento di supportare scientificamente il processo di traslazione clinica della PTT. Una consistente quantità di dati è stata raccolta con esperimenti in vivo su tumori iniettati sottocute in topi sottoposti a PTT mediata da nano-bastoncelli d’oro. Per l’attività di misura, reticoli a fibra di Bragg hanno rilevato la temperatura intra tumorale, una termocamera a infrarosso quella superficiale. L’iniezione delle nanoparticelle ha accentuato l’effetto di aumento della temperatura. Il danno termico è stato stimato in maniera innovativa grazie all’imaging iperspettrale rilevatosi promettente mostrando variazioni spettrali dopo il trattamento. Il fulcro di questo lavoro di tesi sono state l’organizzazione e l’analisi statistica dei dati, la correlazione tra misure di temperatura ed effetti biologici e l’interpretazione critica dei risultati. Il contributo innovativo di questo progetto è l’approccio multimodale adottato per ottenere informazioni sulla temperatura e sullo stato del tessuto durante la PTT, utile per la sua traslazione clinica.