Ученые ТПУ разработали фантомы лабораторных животных для доклинических исследований

Ученые Томского политехнического университета нашли способ, как можно снизить количество мелких лабораторных животных, использующихся для проведения доклинических исследований в области лучевой терапии онкологических заболеваний. Они разработали дозиметрический фантом — трехмерные модели лабораторной крысы и мыши, которые полностью могут заменить настоящих животных на некоторых этапах исследований.

Работа проводилась научной группой ученых, инженеров и студентов под руководством доцента Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Сергея Стучеброва. В их числе инженеры Ангелина Булавская и Анна Григорьева, доцент отделение ядерно-топливного цикла ТПУ, медицинский физик и научный сотрудник отделения радиотерапии НИИ онкологии Томского НИМЦ РАН Ирина Милойчикова и студенты Елизавета  Бушмина, Валерия Куйвалайнен и Юлия Зубкова.

«Проблема онкологических заболеваний крайне актуальна. В клиническую практику вводятся новые методы облучения. Планы лечения усложняются. Требуется проведение доклинических исследований.

Мы занимаемся не только созданием фантомов, но и разработкой устройств для увеличения эффективности лучевой терапии и минимизации дозы облучения здоровых тканей. В качестве прототипов для создания моделей мы использовали мышей и крыс, как наиболее распространенных видов животных, применяемых в доклинических исследованиях»,

  — рассказывает аспирантка Анна Григорьева .

Для лечения онкологических заболеваний наряду с другими методами используется лучевая терапия (ЛТ). При ее проведении гибнут не только клетки злокачественных новообразований, но и здоровые клетки организма. Чтобы минимизировать негативный эффект, необходимо правильно планировать терапию: получить томографические данные места облучения, корректно оконтурить опухоль и критические органы, выбрать необходимую дозу облучения, составить корректный план, проверить его с помощью дозиметрического фантома — и уже затем облучать пациентов.

Для внедрения нового эффективного метода лучевой терапии требуется большое количество исследований, которые проводят с использованием мелких лабораторных животных — мышей и крыс. Использование животных в медицинских целях неразрывно связано с этическими проблемами международного характера. Также значительная часть средств уходит на их покупку, содержание и утилизацию. Для того чтобы сократить их использование в экспериментах, предлагается применять искусственные модели животных — фантомы.

Исследование проводилось в несколько этапов. Сначала ученые проанализировали томографические данные лабораторных животных, чтобы определить точную анатомическую структуру. Затем на основе этих данных они создали цифровые трехмерные модели тела и некоторых внутренних органов животных. Так получились пригодные для печати 3D-модели.

Для изготовления модели ученые использовали два вида пластика. Для мягких тканей —ПЛА-пластик или полилактид, один из самых широко распространенных материалов для 3D-печати. А для костных — специально изготовленный ПЛА-пластик с примесью меди. Готовая напечатанная модель включает кожу, головной и спиной мозг, мышечные, костные и легочные ткани.

«Разные типы мягких тканей, например, мышцы и жир, при изготовлении требовали тонких настроек печати, что позволило в итоге максимально приблизить нашу модель к реальным характеристикам тканей животного. А используемый пластик позволил имитировать свойства взаимодействия с ионизирующим излучением, как если бы это взаимодействие было с реальными тканями.

Модель должна быть максимально приближена к реальной анатомии животного, принимая во внимание расположение и размеры внутренних органов и систем»,

  — добавляет руководитель научной группы, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ С ергей Стучебров .

Применение разработанных учеными ТПУ моделей позволит сократить количество живых животных в проведении доклинических испытаний, что сделает эти процедуры более этичными и дешевыми. К тому же изделие политехников можно применять неоднократно, срок их годности ограничен только случайным механическим повреждением.

Дополнительно ученые предусмотрели возможность размещения в фантоме любого дозиметрического оборудования, например, пленочных дозиметров, ионизационных камер и термолюминесцентных дозиметров. Это позволит расширить возможности применения фантомов.

Осенью 2022 года ученые проведут дозиметрические испытания фантомов в НИИ онкологии Томского НИМЦ.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках соглашения 075-15-2021-271 (проект № МК-3481.2021.4).