simulações numéricas aplicadas ao tratamento de câncer de mama

XIX CONGRESSO BRASILEIRO DE FÍSICA MÉDICA
17 A 20 DE AGOSTO DE 2014
GOIÂNIA – GO
SIMULAÇÕES NUMÉRICAS APLICADAS AO TRATAMENTO
DE CÂNCER DE MAMA VIA MAGNETO-HIPERTERMIA
Gustavo C. P. Leite1, Harley F. Rodrigues1, Nicholas Zufelato1 e Andris F. Bakuzis1
1
Universidade Federal de Goiás, Instituto de Física, 74001-970, Goiânia-GO, Brazil.
Resumo: Neste trabalho investigamos a eficiência da magneto-hipertermia, que consiste no aumento
da temperatura de nanopartículas quando seus momentos magnéticos interagem com campo
magnético alternado, para o tratamento de câncer de mama. A estratégia utilizada foi a construção
computacional de uma mama contendo uma estrutura semiesférica multicamadas. No intuito de
simplificar consideramos um tumor esférico e parâmetros biofísicos extraídos da literatura [1]. O
®
software COMSOL Multiphysics foi utilizado na simulação. Os parâmetros magneto-térmicos
utilizados na simulação referem-se a uma amostra de fluido magnético sintetizado pelo grupo. As
nanopartículas foram caracterizadas por diversas técnicas. Em particular, a resposta magneto-térmica
in vitro forneceu o valor da perda de potência específica (SLP) de 127 W/g para uma amplitude de
campo magnético de 7,9 kA/m. Na simulação considerou-se duas configurações espaciais para as
nanopartículas, i.e. nanopartículas distribuídas isotropicamente dentro do tumor e no outro caso
formando uma casca em torno do mesmo. Efeitos associados à perfusão e ao calor metabólico foram
avaliados. Inclusive a possibilidade de detecção do procedimento por meio de câmera térmica foi
avaliada. Nossos resultados sugerem que é possível utilizar estas nanopartículas para o tratamento
de tumores de câncer de mama.
Palavras-chave: medicina térmica, hipertermia magnética, câncer de mama, nanomedicina.
Introdução: Segundo o Instituto Nacional do Câncer (INCA), o câncer de mama é o mais frequente e
comum entre as mulheres no mundo. Os tratamentos mais usuais são a cirurgia, quimioterapia e
radioterapia. Recentemente, uma nova modalidade denominada hipertermia também vem sendo
utilizada. Esta terapia, associada a entrega seletiva de calor, mostra inclusive interessantes efeitos
sinérgicos quando combinada com a quimioterapia ou radioterapia [2]. De fato, equipamentos nãoinvasivos contendo antenas de radiofrequência tem sido utilizados para este fim. Além disso, novas
modalidades terapêuticas também apareceram, como por exemplo, a magneto-hipertermia [3-4]
(onde o calor é obtido a partir da interação dos momentos magnéticos das nanopartículas com um
campo magnético alternado de amplitude e frequência adequadas) e a terapia fototérmica (onde o
calor é obtido a partir da interação de ondas eletromagnéticas com nanopartículas).
Método: Nanopartículas magnéticas à base de ferrita de Mn foram sintetizadas pelo método de
coprecipitação e posteriormente recobertas com ácido dimercaptossuccínico para estabilização
coloidal em pH fisiológico. As nanopartículas foram extensamente caracterizadas fornecendo um
diâmetro médio da ordem de 15 nm e uma dispersão de 20 %. A magnetização de saturação foi de
281 kA/m. O campo magnético na bobina foi determinado experimentalmente usando uma prova Hall
para campo ac. Estudos in vitro do fluido magnético revelaram um SLP de 127 W/g para uma
amplitude de campo magnético de 7,9 kA/m. Por outro lado, a mama humana modelada consistiu de
uma estrutura semiesférica multicamadas, nesse caso a epiderme, a derme (camada papilar e a
camada reticular), a gordura, o músculo e a glândula mamária. Por simplicidade, assumimos um
tumor esférico, a mama semiesférica e as nanopartículas magnéticas (fontes de calor) distribuídas
esfericamente no interior do tumor ou superficialmente ao mesmo. O problema físico de transporte de
calor foi solucionado usando a equação de Pennes de biocalor com as condições de contorno
adequadas. Os parâmetros físicos foram retirados da caracterização da amostra. Alguns parâmetros
foram mantidos fixos em todas as simulações, por exemplo, calor específico, condutividade térmica,
tempo de hipertermia, densidade e potência térmica dissipada (Specific Loss Power- SLP).
Nesse modelo consideramos a temperatura corporal igual a 37 ºC e consideramos um fluxo de calor
convectivo na interface entre a pele e o ambiente. Para avaliar a eficiência da geração de calor por
hipertermia magnética, mantivemos o volume de fluido magnético fixo, alterando apenas a
concentração de nanoparticulas (mg/ml) dentro do fluido magnético, aumentando assim a quantidade
de material magnético e por conseguinte a potência térmica. O volume do tumor também foi mantido
fixo. Vários parâmetros são altamente relevantes para a difusão de calor, como por exemplo, o calor
metabólico, a taxa de perfusão do sangue e condutividade térmica. Optamos por estudar a influência
da taxa de perfusão do sangue no tumor e o calor metabólico do tumor na difusão de calor. Variamos
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também a profundidade e a taxa metabólica de calor no tumor, com isso pudemos determinar uma
profundidade e uma taxa metabólica mínima capaz de alterar a temperatura da superfície da mama,
com isso avaliamos a possibilidade de acoplar uma câmera de infravermelho para monitorar o
tratamento.
Resultados: A Figura 1 mostra a imagem gerada em uma das configurações. A Figura 1-a mostra o
gradiente de temperatura gerado na superfície após 30 min de hipertermia magnética. Os valores de
SLP e concentração de nanoparticulas nessa simulação foram 127 W/g e 12.75 mg/ml,
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respectivamente. Com esses valores, para um volume de 200 mm de fluido magnético, estamos
inserindo aproximadamente 2.6 mg de nanopartículas. A temperatura máxima atingida no centro do
tumor foi 47.6 ºC e a temperatura mínima foi de 38ºC nas bordas do tumor. O restante dos tecidos se
encontram em temperaturas não prejudiciais as células normais. O volume do tumor em todas as
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simulações foi de 1700 mm . A Figura 1-b mostra a região interna da mama, a profundidade do tumor
nessa simulação foi de 15 mm.
(a)
(b)
Figura 1
Discussão e Conclusões: A distribuição de temperatura intratumoral é fortemente dependente da
organização das nanopartículas e da taxa de perfusão. Nossas simulações indicam que é possível
atingir temperaturas terapêuticas com estas nanopartículas nesta amplitude de campo magnético,
que, aliás, não é prejudicial ao tecido mamário. A influência da profundidade do tumor é limitante para
a aplicabilidade do uso da câmera térmica para monitoramento do tratamento, i.e. como esperado
quanto mais profundido menor é a temperatura na superfície. Isto sugere a necessidade da detecção
da temperatura de forma fracamente invasiva em alguns casos clínicos.
Agradecimentos: CNPq, FAPEG e FUNAPE.
Referências:
1.
2.
3.
4.
Herman, C., Hatwar, R. and Chamnmugam, A., “Thermal Analysis of Cancerous Breast Model”. Proceedings of IMECE
2012.
Hildebrandt et al., Crit. Rev. Oncology/Hematology 43, 33 (2002).
Branquinho et al., Sci. Rep. 3, 2887 (2013).
Rodrigues et al., Int. J. Hyp. 29, 752 (2013).