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Sonda chirurgica laser ultraveloce per sub

Feb 25, 2024

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 20554 (2022) Citare questo articolo

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La creazione di vuoti subepiteliali all'interno delle corde vocali cicatrizzate tramite ablazione laser ultraveloce può aiutare nella localizzazione di biomateriali terapeutici iniettabili verso un trattamento migliore per le cicatrici delle corde vocali. Sono state sviluppate diverse sonde chirurgiche laser ultraveloci per l'ablazione precisa dei tessuti superficiali; tuttavia, queste sonde non dispongono della focalizzazione del fascio stretto necessaria per l'ablazione subsuperficiale in tessuti altamente dispersi come le corde vocali. Qui presentiamo una sonda miniaturizzata per chirurgia laser ultraveloce progettata per eseguire l'ablazione subepiteliale nelle corde vocali. Il requisito di un'elevata apertura numerica per l'ablazione sotto la superficie, oltre al fattore di forma ridotto e all'architettura a fuoco laterale richiesti per l'uso clinico, ha reso possibile un design ottico impegnativo. Un accoppiamento inibito che guidava la fibra di cristallo fotonico a nucleo cavo di Kagome emetteva impulsi ultracorti a livello di micro-Joule da un laser a fibra ad alta velocità di ripetizione verso un obiettivo miniaturizzato personalizzato, producendo un raggio del fascio focale 1/e2 di 1,12 ± 0,10 μm e coprendo un'area di 46 × Area di scansione di 46 μm2. La sonda è in grado di fornire impulsi fino a 3,8 μJ alla superficie del tessuto con un'efficienza di trasmissione del 40% attraverso l'intero sistema, fornendo fluenze sul piano focale significativamente più elevate rispetto a quelle richieste per l'ablazione subepiteliale. Per valutare le prestazioni chirurgiche, abbiamo eseguito studi di ablazione su emilaringi suine appena escisse e abbiamo scoperto che vuoti subepiteliali di ampia area potevano essere creati all'interno delle corde vocali traslando meccanicamente la punta della sonda attraverso la superficie del tessuto utilizzando stadi esterni. Infine, l’iniezione di un biomateriale modello in un vuoto di 1 × 2 mm2 creato 114 ± 30 μm sotto la superficie dell’epitelio delle corde vocali ha indicato una migliore localizzazione rispetto all’iniezione diretta nel tessuto senza vuoto, suggerendo che la nostra sonda potrebbe essere utile per valutazione clinica di biomateriali terapeutici iniettabili per la terapia delle cicatrici delle corde vocali. Con gli sviluppi futuri, il sistema chirurgico qui presentato potrebbe consentire il trattamento delle cicatrici delle corde vocali in ambito clinico.

Le cicatrici delle corde vocali (VF) sono una delle cause principali dei disturbi della voce1,2. Come conseguenza indesiderata dell'escissione chirurgica delle lesioni della VF, la cicatrizzazione della VF può provocare una grave disfonia e avere un impatto negativo sulla qualità della vita3,4. Attualmente non esiste un trattamento efficace per la VF5 con cicatrici croniche. La lamina propria, uno strato di tessuto subepiteliale costituito principalmente da fibre di collagene, elastina e reticolina, è in gran parte responsabile del fenomeno vibratorio della VF ed è altamente sensibile alla formazione di cicatrici. Molti biomateriali a base di idrogel sono stati sviluppati per riparare la VF cicatrizzata6,7,8,9, tuttavia una localizzazione non ottimale comporta una scarsa ripetibilità del trattamento10,11,12,13,14. I problemi sorgono durante l'iniezione nella lamina propria superficiale (SLP), poiché il biomateriale iniettato tende a infiltrarsi attorno piuttosto che nel tessuto cicatriziale rigido. Pertanto, vi è la necessità di un metodo per localizzare con precisione i biomateriali all'interno del SLP cicatrizzato evitando al contempo qualsiasi ulteriore formazione di cicatrici.

Il processo di ablazione laser ultraveloce si basa sul rapido assorbimento multifotone sul piano focale, con conseguente confinamento energetico del volume subfocale e danno termico minimo ai tessuti circostanti15,16,17,18. Un grado così elevato di confinamento spaziale e termico consente una rimozione precisa del materiale all'interno dei tessuti sfusi. Per affrontare le sfide legate alla cicatrizzazione della VF, il nostro gruppo ha proposto un trattamento in cui viene creato uno spazio di iniezione di biomateriale all'interno del SLP tramite ablazione laser ultraveloce19,20,21. Utilizzando un microscopio da banco dotato di un obiettivo con apertura numerica (NA) di 0,75 e un laser a fibra a femtosecondi ad alta velocità di ripetizione, Hoy et al. hanno dimostrato la formazione di vuoti subepiteliali nella FV suina asportata ~ 100 μm sotto la superficie epiteliale19 che è ben all'interno del SLP, considerando che lo spessore epiteliale della FV umana, canina e suina è tipicamente 50-80 μm22,23. Ulteriori studi ex vivo di Hoy et al. hanno mostrato l'iniezione di un biomateriale modello nei vuoti ablati creati nelle tasche guanciali di criceto cicatrizzate asportate20. Gli autori hanno dimostrato che l’iniezione di un biomateriale modello (PEG30) nei vuoti riduceva significativamente il riflusso e migliorava la localizzazione rispetto all’iniezione del biomateriale solo nel tessuto cicatrizzato. Più recentemente, Gabay et al. hanno dimostrato la ritenzione a lungo termine di PEG30 all'interno dei vuoti subepiteliali creati in un modello di sacca guanciale di criceto cicatrizzato in vivo24. Utilizzando lo stesso laser a fibra e il sistema da banco di Hoy et al., Gabay e coautori hanno scoperto che il PEG30 rimaneva nei vuoti per un periodo massimo di due settimane, suggerendo che l'iniezione nei vuoti migliorava la ritenzione del biomateriale a lungo termine. Sebbene questi risultati fossero incoraggianti, le grandi ottiche (ovvero, obiettivo del microscopio, coppia di specchi per scansione galvometrica, lenti di scansione/tubo, ecc.) e l'erogazione dello spazio libero della luce laser limitavano la traslazione clinica. Pertanto, per trasferire la nostra terapia per le cicatrici VF alla clinica è necessaria l’erogazione flessibile di impulsi ultracorti strettamente focalizzati attraverso sistemi ottici miniaturizzati.

 100 μm to enable localized void formation below the VF epithelium./p> 0.80 indicated diffraction-limited performance across the tissue-side FOV./p>