Перспективы применения ультразвука различной интенсивности для лечения пациентов со злокачественными глиомами головного мозга

Обоснование. Лечение злокачественных глиом головного мозга включает хирургическое вмешательство, лучевую терапию и химиотерапию с темозоломидом. Однако данное комплексное лечение не предотвращает рецидивы и прогрессирование опухоли, что обусловлено активностью опухолевых клеток и высокой мутационной нагрузкой. Исследователи экспериментируют с  фокусированным ультразвуком (ФУЗ) различной интенсивности в лечении глиобластомы (ГБМ). ФУЗ показал обнадёживающие результаты в клинических исследованиях.

Цель исследования. В настоящем обзоре приводятся краткие данные об истории становления указанного метода, результатах его применения в экспериментах и клинических испытаниях, а также основные возможные направления его  внедрения в  нейроонкологии, в  частности, для  лечения глиобластом, в зависимости от параметров, включая частоту, мощность, длительность импульса и рабочий цикл.

Методы. Проведены анализ и  интерпретация имеющихся публикаций, для поиска которых использовалась база данных PubMed и ключевые слова «focused ultrasound, glioma, HIFU, LIFU», а также поисковые системы Яндекс и Google и ключевые слова «фокусированный ультразвук, глиомы, HIFU, LIFU».

Результаты. ФУЗ низкой интенсивности можно использовать для временного открытия гематоэнцефалического барьера (ГЭБ), который ограничивает диффузию большинства макромолекул и терапевтических агентов в мозг. Высокоинтенсивный ФУЗ может вызвать абляцию опухоли за счёт гипертермического эффекта, а также стимулировать иммунологическую атаку опухолевых клеток, активировать соносенсибилизаторы для  оказания цитотоксического воздействия на опухолевую ткань и может повышать чувствительность опухолей к лучевой терапии. Гистотрипсия вызывает абляцию опухоли посредством акустической кавитации.

Заключение. Фокусированный ультразвук является многообещающим потенциальным методом лечения глиом. Дальнейшее изучение в  виде клинических испытаний должно определить оптимальные параметры ультразвука для достижения эффективности лечения пациентов со злокачественными опухолями головного мозга.

1. Parekh K, LeBlang S, Nazarian J, Mueller S, Zacharoulis S, Hynynen K, et al. Past, present and future of focused ultrasound as an adjunct or complement to DIPG/DMG therapy: A consensus of the 2021 FUSF DIPG meeting. Neoplasia. 2023; 37: 100876. doi: 10.1016/j.neo.2023.100876

2. Озеров С.С., Рыжова М.В., Кумирова Э.В. Диффузные опухоли ствола головного мозга у детей. Биология опухоли и надежда на лучший исход. Современное состояние проблемы. Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко. 2021; 4: 77-86. doi: 10.17116/neiro20218504177

3. Feldman L, Brown C, Badie B. Chimeric antigen receptor (CAR) T cell therapy for glioblastoma. Neuromolecular Med. 2022; 2021: 1-6. doi: 10.1007/s12017-021-08689-5

4. Yoo HJ, Harapan BN. Chimeric antigen receptor (CAR) immunotherapy: Basic principles, current advances, and future prospects in neuro-oncology. Immunologic Res. 2021; 69(6): 471- 486. doi: 10.1007/s12026-021-09236-x

5. Fu W, Wang W, Li H, Jiao Y, Huo R, Yan Z, et al. Single-cell atlas reveals complexity of the immunosuppressive microenvironment of initial and recurrent glioblastoma. Front Immunol. 2020; 11: 835. doi: 10.3389/fimmu.2020.00835

6. Shen SH, Woroniecka K, Barbour AB, Fecci PE, SanchezPerez L, Sampson JH, et al. CAR T cells and checkpoint inhibition for the treatment of glioblastoma. Expert Opin Biol Ther. 2020; 20(6): 579-591. doi: 10.1080/14712598.2020.1727436

7. Xiong Q, Zhu J, Zhang Y, Deng H. CAR-NK cell therapy for glioblastoma: What to do next? Front Oncol. 2023; 13: 1192128. doi: 10.3389/fonc.2023.1192128

8. Stavrakaki E, Dirven CMF, Lamfers MLM. Personalizing oncolytic virotherapy for glioblastoma: In search of biomarkers for response. Cancers (Basel). 2021; 13(4): 614. doi: 10.3390/cancers13040614

9. Saxena M, van der Burg SH, Melief CJM, Bhardwaj N. Therapeutic cancer vaccines. Nat Rev Cancer. 2021; 21(6): 360-378. doi: 10.1038/s41568-021-00346-0 10. ter Haar G. The history of focused ultrasound. URL: https://www.fusfoundation.org/posts/the-history-of-focused-ultrasound [date of access: 11.03.2021].

10. Лаборатория медицинского и промышленного ультразвука. URL: http://limu.msu.ru [дата доступа: 1.11.2023].

11. Назаренко Г.И., Чен В.Ш., Джан Л., Хитрова А.Н., Пащенко Н.В. Ультразвуковая абляция как высокотехнологичная органосохраняющая альтернатива хирургической операции. URL: https://oncology.ru/specialist/journal_oncology/archive/0209/018.pdf [дата доступа: 31.10.2023].

12. Yang Q, Zhou Y, Chen J, Huang N, Wang Z, Cheng Y. Gene therapy for drug-resistant glioblastoma via lipid-polymer hybrid nanoparticles combined with focused ultrasound. IntJ Nanomedicine. 2021; 16: 185-199. doi: 10.2147/IJN.S286221

13. Zheng Q, Xia B, Huang X, Luo J, Zhong S, Li X. Nanomedicines for high intensity focused ultrasound cancer treatment and theranostics (review). Exp Ther Med. 2023; 25(4): 170. doi: 10.3892/etm.2023.11869

14. Пономарчук Е.М., Буравков С.В., Ванг Я.Н, Хохлова Т.Д., Хохлова В.А. Морфологический анализ разрушений биологической ткани при облучении мощными фокусированными ультразвуковыми импульсами с ударными фронтами. Ученые записки физического факультета МГУ. 2016; 4: 164701

15. Lamsam L, Johnson E, Connolly ID, Wintermark M, Hayden Gephart M. A review of potential applications of MRguided focused ultrasound for targeting brain tumor therapy. Neurosurg Focus. 2018; 44(2): 10. doi: 10.3171/2017.11.FOCUS17620

16. Roberts JW, Powlovich L, Sheybani N, LeBlang S. Focused ultrasound for the treatment of glioblastoma. J Neurooncol. 2022; 157(2): 237-247. doi: 10.1007/s11060-022-03974-0

17. Галимова Р.М., Иллариошкин С.Н., Бузаев И.В., Качемаева О.В. Терапия двигательных нарушений методом фокусированного ультразвука под контролем магнитно-резонансной томографии. Рекомендации для врачей-неврологов по отбору пациентов. Новые технологии. 2020; 1: 9-15. doi: 10.24411/2226-079X-2020-12168

18. Janwadkar R, Leblang S, Ghanouni P, Brenner J, Ragheb J, Hennekens CH, et al. Focused ultrasound for pediatric diseases. Pediatrics. 2022; 149(3): e2021052714. doi: 10.1542/peds.2021-05271

19. Москвичева Л.И. Применение HIFU-терапии в онкологии (2000–2021 гг.). Онкология. Журнал им. П.А. Герцена. 2022; 11(1): 64-74. doi: 10.17116/onkolog20221101164

20. Bachu VS, Kedda J, Suk I, Green JJ, Tyler B. High-intensity focused ultrasound: A review of mechanisms and clinical applications. Ann Biomed Eng. 2021; 49(9): 1975-1991. doi: 10.1007/s10439-021-02833-9

21. Галкин М.В. Применение транскраниального фокусированного ультразвука в лечении патологии ЦНС. Журнал «Вопросы нейрохирургии» имени Н.Н. Бурденко. 2016; 80(2): 108-118. doi: 10.17116/neiro2016802108-118

22. Paun L, Moiraghi A, Jannelli G, Nouri A, DiMeco F, Pallud J, et al. From focused ultrasound tumor ablation to brain blood barrier opening for high grade glioma: A systematic review. Cancers (Basel). 2021; 13(22): 5614. doi: 10.3390/cancers13225614

23. Duryea AP, Hall TL, Maxwel AD, Zhen X, Cain CA, et al. Histotripsy erosion of model urinary calculi. J Endourol. 2011; 25(2): 341-344. doi: 10.1089/end.2010.0407

24. Sukovich JR, Cain CA, Pandey AS, Chaudhary N, CameloPiragua S, Allen SP, et al. In vivo histotripsy brain treatment. J Neurosurg. 2018; 131(4): 1-8. doi: 10.3171/2018.4.JNS172652

25. Choi SW, Duclos S, Camelo-Piragua S, Chaudhary N, Sukovich J, Hall T, et al. Histotripsy treatment of murine brain and glioma: Temporal profile of magnetic resonance imaging and histological characteristics post-treatment. Ultrasound Med Biol. 2023; S0301- 5629(23)00148-5. doi: 10.1016/j.ultrasmedbio.2023.05.002

26. Hendricks-Wenger A, Hutchison R, Vlaisavljevich E, Allen IC. Immunological effects of histotripsy for cancer therapy. Front Oncol. 2021; 11: 681629. doi: 10.3389/fonc.2021.681629

27. Deligne C, Hachani J, Duban-Deweer S, Meignan S, Leblond P, Carcaboso AM, et al. Development of a human in vitro blood-brain tumor barrier model of diffuse intrinsic pontine glioma to better understand the chemoresistance. Fluids Barriers CNS. 2020; 17: 37. doi: 10.1186/s12987-020-00198-0

28. Angeli E, Nguyen TT, Janin A, Bousquet G. How to make anticancer drugs cross the blood-brain barrier to treat brain metastases. Int J Mol Sci. 2019; 21(1): 22. doi: 10.3390/ijms21010022

29. Воропаева Е.Н., Карпова В.С., Поспелова Т.И., Максимов В.Н., Воронцова Е.В. Современные представления о роли гематоэнцефалического барьера в развитии лимфом центральной нервной системы. Journal of Siberian Medical Sciences. 2022; (2): 131-147. doi: 10.31549/2542-1174-2022-6-2-131-147

30. Brighi C, Reid L, White AL, Genovesi LA, Kojic M, Millar A, et al. MR-guided focused ultrasound increases antibody delivery to nonenhancing high-grade glioma. Neurooncol Adv. 2020; 2(1): vdaa030. doi: 10.1093/noajnl/vdaa030

31. Bunevicius A, McDannold NJ, Golby AJ. Focused ultrasound strategies for brain tumor therapy. Oper Neurosurg (Hagerstown). 2020; 19(1): 9-18. doi: 10.1093/ons/opz374

32. Portnow J, Badie B, Chen M, Liu A, Blanchard S, Synold TW. The neuropharmacokinetics of temozolomide in patients with resectable brain tumors: Potential implications for the current approach to chemoradiation. Clin Cancer Res. 2009; 15: 7092-7098. doi: 10.1158/1078-0432.CCR-09-1349

33. Bérard C, Truillet C, Larrat B, Dhermain F, Estève MA, Correard F, et al. Anticancer drug delivery by focused ultrasoundmediated blood-brain/tumor barrier disruption for glioma therapy: From benchside to bedside. Pharmacol Ther. 2023; 250: 108518. doi: 10.1016/j.pharmthera.2023.108518

34. Alli S, Figueiredo CA, Golbourn B, Sabha N, Wu MY, Bondoc A, et al. Brainstem blood brain barrier disruption using focused ultrasound: A demonstration of feasibility and enhanced doxorubicin delivery. J Control Release. 2018; 281: 29-41. doi: 10.1016/j. jconrel.2018.05.005

35. van Vuurden. Van Vuurden group. The Princess Maxima Center. URL: https://research.prinsesmaximacentrum.nl/en/research-groups/van-vuurden-group [date of access: 31.10.2023].

36. t’ Hart E, Bianco J, Bruin MAC, Derieppe M, Besse HC, Berkhout K, et al. Radiosensitisation by olaparib through focused ultrasound delivery in a diffuse midline glioma model. J Control Release. 2023; 357: 287-298. doi: 10.1016/j.jconrel.2023.03.058

37. Mittelstein DR, Ye Jian, Schibber EF, Roychoudhury A, Martinez LT, Fekrazad MH, Ortiz M, et al. Selective ablation of cancer cells with low intensity pulsed ultrasound. Appl Phys Lett. 2020; 116(1): 013701 doi: 10.1063/1.5128627

38. Zhu L, Altman MB, Laszlo A, Straube W, Zoberi I, Hallahan Dennis E, et al. Ultrasound hyperthermia technology for radiosensitization. Ultrasound Med Biol. 2019; 45: 1025-1043. doi: 10.1016/j.ultrasmedbio.2018.12.007

39. Schneider CS, Woodworth GF, Vujaskovic Z, Mishra MV. Radiosensitization of high-grade gliomas through induced hyperthermia: Review of clinical experience and the potential role of MR-guided focused ultrasound. Radiother Oncol J Eur Soc Ther Radiol Oncol. 2020; 142: 43-51. doi: 10.1016/j.radonc.2019.07.017

40. D’Ammando A, Raspagliesi L, Gionso M, Franzini A, Porto E, Di Meco F, et al. Sonodynamic therapy for the treatment of intracranial gliomas. J Clin Med. 2021; 10(5): 1101. doi: 10.3390/jcm10051101

41. Choi V, Rajora MA, Zheng G. Activating drugs with sound: mechanisms behind sonodynamic therapy and the role of nanomedicine. Bioconjugate Chemistry. 2020; 31(4): 967-989.

42. Venter RL. Effects of low intensity bio-resonance focused ultrasound on destroying cancerous cells: A literature review of low intensity bio-resonance focused on destroying cells. IAJPS. 2021; 08(05): 125-144. doi: 10.5281/zenodo.4752632

43. Meng Y, Pople CB, Suppiah S, Llinas M, Huang Y, Sahgal A, et al. MR-guided focused ultrasound liquid biopsy enriches circulating biomarkers in patients with brain tumors. Neuro Oncol. 2021; 23(10): 1789-1797. doi: 10.1093/neuonc/noab057

44. Zhu L, Nazeri A, Pacia CP, Yue Y, Chen H. Focused ultrasound for safe and effective release of brain tumor biomarkers into the peripheral circulation. PLoS One. 2020; 15(6): e0234182. doi: 10.1371/journal.pone.0234182

45. Pacia CP, Zhu L, Yang Y, Yue Y, Nazeri A, Gach M, et al. Feasibility and safety of focused ultrasound-enabled liquid biopsy in the brain of a porcine model. Sci Rep. 2020; 10(1):7449. doi: 10.1038/s41598-020-64440-3