A meshless numerical method to study plasmonic photothermal therapy in two-dimensional cancer tumors

Resumen

Introducción: La terapia fototermal plasmónica (PPTT) con nanopartículas metálicas ha ganado relevancia como alternativa menos invasiva en el tratamiento de tumores cancerígenos del tipo adenocarcinoma.  La PPTT utiliza radiación láser para generar efectos plasmónicos en las nanopartículas distribuidas en el tejido cancerígeno, lo que resulta en hipertermia y muerte celular por apoptosis.

Objetivo: Obtener distribuciones de temperatura y a partir de esta, distribuciones bidimiensionales de daño celular en tejidos tumorales sometidos a PPTT.

Metodología: Se implementa una metodología numérica basada en funciones de base radial (RBF) para la solución de la ecuación de Pennes o biocalor y los modelos de Arrhenius y de tres estados para la estimación de la muerte celular. La metodología numérica desarrollada, validada y aplicada está basada en el método de soluciones particulares aproximadas en formulación local (LMAPS).

Resultados: Se demuestra la capacidad del método de solucionar problemas con fuentes variables, regiones múltiples y diferentes tipos de condiciones de fronteras mediante la comparación con la herramienta computacional OpenFOAM basada en volúmenes finitos y resultados numéricos reportados por otros autores. Esto se realiza a partir de la solución de situaciones hipotéticas de transferencia de calor en tejidos incluyendo dominios 1d y 2d con fuentes metabólica, término de perfusión y conversión térmica de la radiación del láser.

Conclusiones: Mediante una situación de PPTT en tejido superficial, se aplica la metodología numérica desarrollada desde la descripción de distribución de energía aportada por el láser hasta la estimación de los porcentajes locales de muerte celular. Esta metodología numérica es la base para el análisis, optimización y diseño de procesos de aplicación de PPTT en ambientes clínicos considerando su potencial para resolver geometrías complejas, condiciones de frontera y parámetros variables en el tiempo y dominios con múltiples regiones.