Evaluation of a Novel High-Intensity Focused Ultrasound Device
advertisement
Оценка нового аппарата высокоинтенсивного фокусированного ультразвука: доклинические исследования, выполненные на свиной модели Mark L. Jewell, MD; Charles Desilets, PhD; и Bruce R. Smoller, MD Резюме История вопроса: Высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (ВИФУ) применяется в клинике для неинвазивного лечения патологических состояний различных органов уже дольше 50 лет; при этом существуют немногочисленные данные об использовании термального ВИФУ для абляции жировой ткани с целью улучшения контуров тела и лечения слоев, богатых коллагеном. Новый аппарат (LipoSonix; Medicis Technologies Corporation, Ботелл, Вашингтон), который проходит стадию клинических испытаний, использует ВИФУ для удаления нежелательных жировых отложений. Цели исследования: Авторы описывают результаты применения ВИФУ в серии доклинических исследований, выполненных на утвержденной свиной модели. Методы: Доклиническое исследование заключалось в in vivo обработке абдоминальной подкожной жировой ткани свиньи при помощи чрескожной ВИФУ терапии. Анализ результатов охватывал данные температуры термопар, некроскопию тела, локальные патологические и гистологические исследования, общий анализ крови, мочи, биохимический анализ крови, включая липидную панель. Результаты: Передача энергии ВИФУ мощностью 166 – 372 Дж/см2 приводила к нагреванию ткани до температуры 70 °С в ограниченной локальной области (n = 7). Передача энергии мощностью 68 – 86 Дж/см2 не вызывало клинически значимых изменений в анализах крови, оценивающих функции печени, анализах свободных жирных кислот или холестерина (n = 8). Исследование тканей различных органов показало отсутствие жировой эмболии или жировых отложений (n = 2). Гистологический анализ показал хорошо сохранившуюся сосудистую сеть и неповрежденные нервные волокна в фокальной области (n = 3). После воздействия ВИФУ мощностью 85,3 – 270 Дж/см2 происходила нормальная реакция заживления, сопровождаемая миграцией макрофагов в поврежденную ткань и удалением разрушенного клеточного дебриса и липидов (n = 8). Заключение: Доклинические исследования свиной модели показывают, что контролируемый термальный эффект ВИФУ обеспечивает безопасный и эффективный метод абляции подкожной жировой ткани. Ключевые слова высокоинтенсивный фокусированный гистология, безопасность, абляция ткани ультразвук, ВИФУ, доклинический, свинья, Принято к публикации 9 сентября 2010 года. Доктор Jewell является помощником клинического профессора пластической хирургии в Орегонском университете здоровья и науки, Юджин, Орегон. Доктор Smoller является профессором патологии и дерматологии Арканзасского университета медицинских наук, Литл-Рок, Арканзас. Доктор Deslets является Техническим директором Medicis Technologies Corporation, Ботелл, Вашингтон. Адрес для переписки: Dr. Mark L. Jewell, 10 Coburg Road, Suite 300, Eugene, OR 97401 USA. E-mail: mjewell@teleport.com 1 Примечание редактора: Инструмент, обсуждаемый в статье, не утвержден FDA для использования в США. Различные энергетические технологии, например, радиоволновые и лазерные, были разработаны для использования в эстетической хирургии и косметической медицине. Сейчас в США проходит клинические испытания новый аппарат (LipoSonix; Medicis Technologies Corporation, Ботелл, Вашингтон), который излучает высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (ВИФУ). Посредством внешнего передатчика энергия ВИФУ может подвергать абляции ткань-мишень через интактную кожу, не воздействуя на окружающие ткани и не вызывая сопутствующих повреждений тканей сверху или снизу зоны сфокусированной энергии1. Это достигается путем контролируемого термомеханического процесса2. Фокусированный ультразвук вызывает быстрое нагревание в заблаговременно определенной фокальной области, которое за 1-2 с может привести к достижению температуры, разрушительной для живой ткани3. Почти мгновенные коагуляционный некроз и клеточная смерть происходят исключительно в ткани-мишени, не затрагивая окружающие ткани1. Механические эффекты ВИФУ являются результатом микроскопических сил сдвига, которые обеспечивают дополнительное нагревание, обусловленное внутренним трением2. ВИФУ может быть использован для абляции ткани с высокой степенью точности3, с предсказуемыми и воспроизводимыми эффектами, что делает его перспективным инструментом, который может применяться для лечения различных болезней и медицинских состояний, таких как опухоли2,4-7. В то время как нефокусированные ультразвуковые системы изначально были всего лишь дополнением к традиционным методам липосакции8, системы ВИФУ могут стать самостоятельными технологиями моделирования тела, которые устраняют нужду в проведении инвазивных хирургических процедур у отдельных пациентов. Ниже описанное доклиническое исследование было выполнено с целью оценки пригодности процедуры обработки ВИФУ для удаления жировой ткани и эстетического улучшения контуров тела. Главным образом, исследование на свиной модели было предназначено для достижения биохимических эффектов ВИФУ, оказываемых на подкожную жировую ткань, оценки локального клеточного ответа и наблюдения любых изменений в метаболизме жиров. МЕТОДЫ Исследование было выполнено на утвержденной свиной модели, для чего использовали 26 свиней промышленной Йоркширской породы. Средний вес животных составлял 149,5 кг (в диапазоне от 135,5 кг до 181,0 кг). Свиньи часто используются в исследованиях ожирения, поскольку их подкожная жировая ткань схожа с человеческой по таким параметрам как дольковое строение и наличие коллагеновых фиброзных перегородок, а также по гистологическим, физиологическим и иммунологическим свойствам9. В этой работе проводилась обработка ВИФУ только вентральной (абдоминальной) поверхности животного. Во время исследования использовали несколько опытных образцов прибора, однако тщательное тестирование и мониторинг уровней энергии и акустических выходных параметров показали, что форма луча ВИФУ и значения энергии были согласованы между этими образцами. «Доза» энергии фокусированного ультразвука измерялась в Джоулях на квадратный сантиметр (Дж/см2) и представляла собой количество передаваемой ультразвуковым передатчиком энергии в единичном акте сканирования обрабатываемой поверхности. Доза является величиной аддитивной: двукратная передача энергии в дозе 59 Дж/см2 создавала суммарную дозу энергии 118 Дж/см2. Протокол был утвержден Институциональным комитетом по содержанию и использованию животных и проводился в полном соответствии с действующими требованиями Правил надлежащей лабораторной практики при неклинических лабораторных исследованиях (раздел 21, часть 58). Содержание и уход за животными осуществлялись в соответствии с Руководством по содержанию и использованию лабораторных животных Института ресурсов лабораторных животных, опубликованным Национальной Академией Наук в 1996 году. Термический эффект, оказываемый ВИФУ на подкожную жировую ткань, и лабораторные параметры Изменения температуры фиксировались при помощи подкожных термопар, которые вводились в ткань посредством маленького надреза. Термопары были размещены в дерме, эпидермисе и на глубине 10-15 мм под поверхностью эпидермиса в абдоминальной подкожной жировой ткани семи животных. Это было сделано для демонстрации того, что температуры выше 55 °C, которые подвергают ткани абляции, достигались только в фокальных 2 областях на глубине 15 мм. Температурные данные записывались каждые 500 мс на протяжении обработки и в течение нескольких секунд после нее. Проводился также гистологический анализ образцов таких паренхиматозных органов, как мозг, сердце, почка, печень, легкие, поджелудочная железа и селезенка. Эти образцы были взяты у двух животных через 1 и 6 недель после обработки ВИФУ мощностью в диапазоне от 166 до 998 Дж/см2 (6 166 Дж/см2). Органы одного животного были обследованы после обработки ВИФУ мощностью от 113 до 263 Дж/см2. Образцы крови были взяты у 8 свиней перед обработкой и через 2, 4, 12, 24, 48 и 72 часа после обработки ВИФУ мощностью 68 Дж/см2 (n = 4) или 86 Дж/см2 (n = 4). Оценка заживления повреждений после обработки ВИФУ Группа из 8 свиней прошла 3 сеанса абдоминальной обработки ВИФУ в течение 8 недель. Для возможности дальнейшей идентификации брюхо каждой свиньи было помечено. Каждый участок брюха обрабатывался однократно. Мощность излучения варьировала в диапазоне от 85,3 до 270 Дж/см2. Свиньи были умерщвлены, и через одну неделю после последней обработки (а также через четыре недели после второй обработки и через восемь недель после первоначальной обработки) были взяты образцы тканей. Активность макрофагов оценивали, вводя индийские чернила в обработанную жировую ткань. РЕЗУЛЬТАТЫ Термический эффект, оказываемый ВИФУ на подкожную жировую ткань Исследование показаний термопар показало, что температура в фокальной зоне достигает 70 °С за 1-2 с, что вполне достаточно для инициирования некроза ткани, и затем быстро падает. Температура в тканях, окружающих фокальную зону, поднимается до нелетального уровня, в то время как температура на поверхности кожи вообще остается неизменной. Рис. 1 отражает температурные данные до, во время и после обработки ВИФУ на поверхности кожи, в фокальной зоне и в окружающих тканях. Размер каждого обрабатываемого участка составлял 25 25 мм, а объем обработанной жировой ткани колебался от 75 до 950 мл. Дозы ВИФУ, использованные в этом исследовании, были достаточными для инициации термального коагуляционного некроза подкожной жировой ткани только в заранее определенной фокальной зоне. Это было подтверждено масштабным исследованием обработанной ткани (Рис. 2). После обработки в тканях обнаруживались умеренные кровоизлияния, возникшие вследствие повреждений капилляров. Результаты этого исследования также показали, что желаемый эффект от обработки ВИФУ достигается в фокальной области без повреждения промежуточных анатомических структур. По ходу ВИФУ луча не обнаружено повреждений нервов (Рис. 3) или артериол (Рис. 4). Гистологический анализ обработанных тканей показал разрушение жировой ткани с четко очерченными границами, что согласуется с известным термомеханическим эффектом, порождаемым энергией ультразвука. Кроме того, показано, что в фокальной зоне происходит укорочение и утолщение коллагеновых волокон (Рис. 5). Оценка паренхиматозных органов и лабораторных показателей Детальный анализ крови не дал доказательств того, что к 72 часам после обработки ВИФУ происходят какие-либо клинически значимые изменения химических и гематологических параметров. Рис. 1. Данные температуры ткани, записанные до, во время и после термальной ВИФУ обработки на поверхности кожи, в фокальной зоне и в прилегающих тканях. Желтая кривая демонстрирует повышение температуры в фокальной зоне до 70 °С и быстрое ее падение после окончания обработки. Светло-голубая кривая отражает передачу энергии в прилегающих тканях. Температура кожи (бирюзовая, коричневая, темно-голубая и пурпурная кривые) не меняется во время обработки ВИФУ. Рис. 2. Умеренные кровоизлияния в обработанной области сразу после воздействия ВИФУ. 3 Рис. 3. Интактные нервные волокна после обработки. На месте адипоцитов, подвергшихся абляции, видны внеклеточные жировые вакуоли. у одного животного после обработки. Кроме того, доказана активация хемотаксического сигнала, приводящего к миграции макрофагов в поврежденные ткани, поглощающих высвобождаемый клеточный дебрис (включая жировые частицы). С целью определения механизма удаления клеточного дебриса и жиров, была проведена инъекция в обработанную область частиц углерода в форме индийских чернил. Макрофаги поглощают частицы углерода вместе с высвобождаемыми липидами и клеточным дебрисом, затем они мигрируют в лимфатическую систему. Макрофаги, содержащие частицы чернил, были обнаружены в вырезанных лимфатических узлах (Рис. 8). Рис. 4. На толстом образце отмечена незатронутая артериола, проходящая через зону обработки. Отмечены также доказательства умеренных кровоизлияний в зоне обработки. Липидная панель (включая свободные жирные кислоты, триглицериды, липопротеины высокой и низкой плотности, общий холестерин) оставалась в пределах нормы. Никаких значимых изменений не происходило в анализах крови, оценивающих функции печени, включая АЛТ (аланинаминотрансферазу), АСТ (аспартатаминотрансферазу), щелочную фосфатазу, общий билирубин. Среднее значение АСТ, АЛТ, холестерина и свободных жирных кислот показано на Рис. 6. Анализ мочи не обнаружил признаков кетоза или жировых шариков. Некроскопия не обнаружила признаков жировой эмболии или накопления жира во всех обследованных органах (мозг, сердце, почка, печень, легкие, поджелудочная железа, селезенка). Оценка заживления повреждений после обработки ВИФУ Масштабное патологическое исследование показало нормальный процесс заживления, сопровождаемый постепенной резорбцией поврежденной жировой ткани. Почти полное заживление термальных повреждений наблюдалось через 8 недель после обработки ВИФУ мощностью 85,3 – 270 Дж/см2. Так, на Рис. 7 показан процесс заживления повреждений Рис. 5. Доказательство индуцированных нагреванием укорочения и ремоделирования коллагеновых волокон в зоне обработки ВИФУ. ОБСУЖДЕНИЕ Другие формы энергетических технологий уже использовались ранее в эстетической хирургии и косметической медицине, в частности, радиоволновые и лазерные технологии; однако эти источники энергии отличаются по своим свойствам от фокусированного ультразвука. В частности, внешнее облучение светом и радиоволнами не может быть сфокусировано глубоко в ткани и, следовательно, не может вызвать тот же подкожный эффект фокусировки энергии10. Следовательно, применение лазеров ограничено абляционными и неабляционными процедурами шлифовки кожи11, подтяжки кожи12-14, а также дополнительным (усиливающим) лечением при липосакции15-16. Другие существующие приборы ВИФУ излучают ультразвук с относительно низкой энергией, который оказывает термальный эффект посредством явления кавитации17-19. ВИФУ прибор, испытываемый в данном исследовании, может повышать температуру в области-мишени с высокой степенью точности3. 4 Имплантированные термопары позволили установить, что ВИФУ повышает температуру в фокальной области до 70 °С, в то время как температура окружающих тканей существенно не отклоняется от нормальной температуры тела животного (36,8 °С)20. Нагревание большого объема ткани до летальных температур при проведении большинства протоколов лазерного липолиза сопровождается набором различных рисков, в отличие от временного, локального нагревания, наблюдаемого при обработке ВИФУ21. Обработка ВИФУ не вызывает воспалительной реакции, как, например, послеоперационные раны22 или инъекционный липолиз23. Энергия лазера может быть доставлена в ткани посредством волоконных световодов для объемного нагревания подкожной ткани во время процедуры хирургической липосакции. Клинические исследования показывают, что лазерная энергия лишь минимально улучшает результат по сравнению с другими обычно используемыми методами липосакции15. Мы полагаем, что эффект термального ВИФУ, оказываемого на коллагеновый матрикс срединной пластинки, включает в себя сокращение объема адипоцитов и укорочение коллагеновых волокон. Как и бывает при нормальном процессе заживления, макрофаги выводят поглощенный дебрис из обработанной области по лимфатическим сосудам. Примечательно, что термальный ВИФУ не вызывает воспалительный ответ, наблюдаемый в случае хирургических ран22, или глубокое продолжительное воспаление, наблюдаемое в случае инъекционного липолиза23. Обработанные ВИФУ ткани не проявляют признаков жирового некроза, воспаления или сопутствующего повреждения васкулярных структур до тех пор, пока жировая ткань не нагреется до 55 °С15. Основываясь на обнадеживающих результатах, полученных на свиной модели, можно утверждать, что последующие исследования позволят оценить безопасность ВИФУ для удаления жировой ткани у людей24. Рис. 6. Средние значения сывороточной АСТ (А), сывороточной АЛТ (В), сывороточного холестерина (С) и сывороточных свободных жирных кислот (D) при обработке ВИФУ. Отклонений от нормы не обнаружено. 5 и Adam Callahan, Менеджеру Клинических программ, Medicis Technologies Corporation, Ботелл, Вашингтон, за техническую поддержку, и благодарят Доктора Carl S. Hornfeldt за помощь при подготовке данной рукописи. Рис. 7. Объемный образец, демонстрирующий процесс заживления повреждений, вызванных ВИФУ (слева направо), у одного из животных после обработки. Рис. 8. Углеродные индикаторные частицы, введенные в зону обработки ВИФУ, накапливаются макрофагами в регионарных лимфатических узлах, показывая способ удаления клеточного дебриса и внеклеточных липидов в процессе заживления. КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ Доктора Smoller и Jewell являются оплачиваемыми консультантами Medicis Technologies Corporation, Ботелл, Вашингтон. Доктор Jewell также является оплачиваемым консультантом Allergan, Inc., Ирвайн, Калифорния; неоплачиваемым консультантом Sound Surgical Technologies, Луисвилл, Колорадо, Keller Medical, Inc., Стьюарт, Флорида, AorTech Medical Devices, USA, Солт-Лейк-Сити, Юта, New Beauty Magazine, Sandow Media, Нью-Йорк, Нью-Йорк; и получает финансовую поддержку как клинический исследователь Worldwide LLC, Санта-Барбара, Калифорния, Allergan, Inc., Ирвайн, Калифорния, Kythera Biopharmaceuticals, Inc., Калабасас, Калифорния, и Excaliard Pharmaceuticals, Inc., Карлсбад, Калифорния. Доктор Deslets является Техническим директором Medicis Technologies Corporation, Ботелл, Вашингтон. ФИНАНСОВАЯ ПОДДЕРЖКА Финансовую поддержку исследования и редакции обеспечила корпорация Medicis Technologies Corporation, Ботелл, Вашингтон. 1. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Воздействие ВИФУ на подкожную жировую ткань свиней привело к термальным повреждениям, не затрагивающим кожу, фасции или другие ткани, окружающие фокальную область. Изменения в жировой ткани и коллагене согласуются с известными термомеханическими свойствами фокусированного ультразвука. После обработки ВИФУ свиней не наблюдалось никаких системных нарушений в паренхиматозных органах и никаких отклонений в показателях крови (включая липиды плазмы). Содержимое разрушенных жировых клеток (включая липиды) удалялось макрофагами. Процесс заживления повреждений протекал нормально. На свиной модели показано, что контролируемый термальный эффект ВИФУ обеспечивает безопасный и эффективный метод абляции подкожной жировой ткани. БЛАГОДАРНОСТИ Авторы выражают свою признательность Patrick J. Martin, Директору Клинической службы, 2. 3. 4. 5. 6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ter Haar G, Coussios C. High intensity focused ultrasound: physical principles and devices. Int J Hyperthermia. 2007;23:89-104. Kennedy J, ter Haar G, Cranston D. High intensity focused ultrasound: surgery of the future? Br J Radiol 2003;76:590-599. ter Haar G. Therapeutic applications of ultrasound. Prog Biophys Mol Biol 2007;93:111129. Gelet A, Chapelon J, Bouvier R, et al. Transrectal high-intensity focused ultrasound: minimally invasive therapy of localized prostate cancer. J Endourol 2000;14:519-528. Madersbacher S, Kratzik C, Susani M, Pedevilla M, Marberger M. Transcutaneous high-intensity focused ultrasound and irradiation: an organpreserving treatment of cancer in a solitary testis. Eur Urol 1998;33:195-201. Illing R, Kennedy J, Wu F, et al. The safety and feasibility of extracorporeal high-intensity focused ultrasound (HIFU) for the treatment of liver and kidney tumours in a Western population. Br J Cancer 2005;93:890-895. 6 7. Wu F, Wang Z, Zhu H, et al. Extracorporeal high intensity focused ultrasound treatment for patients with breast cancer. Breast Cancer Res Treat 2005;92:51-60. 8. Silberg B. The technique of external ultrasoundassisted lipoplasty. Plast Reconstr Surg 1998;101:552. 9. Vardaxis N, Brans T, Boon M, Kreis R, Marres L. Confocal laser scanning microscopy of porcine skin: implications for human wound healing studies. J Anat 1997;190(pt 4):601-611. 10. Atiyeh B, Dibo S. Nonsurgical nonablative treatment of aging skin: radiofrequency technologies between aggressive marketing and evidence-based efficacy. Aesthetic Plast Surg 2009;33:283-294. 11. Carroll L, Humphreys T. LASER-tissue interactions. Clin Dermatol 2006;24:2-7. 12. Seckel B, Younai S, Wang K. Skin tightening effects of the ultrapulse CO2 laser. Plast Reconstr Surg 1998;102:872-877. 13. Kirsch K, Zelickson B, Zachary C, Tope W. Ultrastructure of collagen thermally denatured by microsecond domain pulsed carbon dioxide laser. Arch Dermatol 1998;134:1255-1259. 14. Kirn D, Vasconez H, Cibull M, Fink B. Skin contraction with pulsed CO 2 and erbium: YAG laser. Plast Reconstr Surg 1999;104:2255-2260. 15. Sasaki G, Tevez A, Gonzales M. Histological Changes After 144 nm, 1320 nm and 1064 nm Wavelength Exposures in the Deep and Superficial Layers of Human Abdominal Tissue: Acute and Delayed Findings. Westford, MA: Cynosure, Inc.; 2010. 16. Neira R, Arroyave J, Ramirez H, et al. Fat liquefaction: effect of low-level laser energy on adipose tissue. Plast Reconstr Surg 2002;110:912-922. 17. Moreno-Moraga J, Valero-Altés T, Riquelme A, Isarria-Marcosy M, de la Torre J. Body contouring by non-invasive transdermal focused ultrasound. Lasers Surg Med 2007;39:315-323. 18. Teitelbaum S, Burns J, Kubota J, et al. Noninvasive body contouring by focused ultrasound: safety and efficacy of the Contour I device in a multicenter, controlled, clinical study. Plast Reconstr Surg 2007;120:779-789. 19. Ascher B. Safety and efficacy of UltraShape Contour I treatments to improve the appearance of body contours: multiple treatments in shorter intervals. Aesthet Surg J 2010;30:217-224. 20. Fodor P, Stecco K, Johnson J. The precision of high-intensity focused ultrasound (HIFU) for non-invasive body sculpting: In situ measurement of the HIFU treatment zone within adipose tissue. Paper presented at the American 21. 22. 23. 24. Society of Plastic Surgeons Annual Meeting, October 2006, San Francisco, CA. Jewell M. Commentary. Aesthet Surg J 2010;30:246-248. Broughton G, Janis J, Attinger C. Wound healing: an overview. Plast Reconstr Surg 2006;117(7)(suppl):1S-32S. Odo M, Cucé L, Odo L, Natrielli A. Action of sodium deoxycholate on subcutaneous human tissue: local and systemic effects. Dermatol Surg 2007;33:178-188. Gadsden E, Aguilar MT, Smoller BR, Jewell ML. Evaluation of a novel high-intensity focused ultrasound device for ablating subcutaneous adipose tissue for noninvasive body contouring: safety studies in human volunteers. Aesthet Surg J 2011;31:401-410. 7
