Avaliação da eletroquimioterapia pela deflexão das agulhas do eletrodo de matriz linear: estudo in silico e in vitro e avaliação do modelo de condutividade elétrica para eletroporação

Abstract

A exposição de células biológicas à campos elétricos pulsados de alta magnitude e curto período para aumentar sua permeabilidade e condutividade é um fenômeno conhecido como eletroporação (EP). Este aumento de permeabilidade resulta do aparecimento de nanoporos na membrana, permitindo o transporte de íons e moléculas não possíveis em estado homeostático da célula. Na eletroquimioterapia (EQT), uma modalidade mista para tratamento de tumores superficiais, os pulsos elétricos potencializam a captação dos quimioterápicos nas células tumorais. A EQT aparece amplamente no tratamento de cânceres cutâneos e subcutâneos em seres humanos e animais domésticos e selvagens, aumentando a expectativa e qualidade de vida. Uma EQT eficiente só é possível se uma quantidade aceitável do fármaco for administrada no local e se o campo elétrico possuir intensidade e duração suficientes para permeabilizar toda a região do tratamento. Um problema que afeta a distribuição de campo no tecido decorre do mal posicionamento do eletrodo no local, resultante da resistência mecânica que os tecidos exercem, e especialmente da geometria da ponta das agulhas. Este trabalho teve como objetivo analisar e quantificar os efeitos causados pela deflexão das agulhas do eletrodo de matriz linear (tipo II) para eletroquimioterapia. Para este fim, foram realizadas simulações, baseadas no Método de Elementos Finitos (FEM), das deflexões por aproximação e afastamento de agulhas de polaridades opostas, utilizando os modelos de condutividade dos tecidos vegetal e tumoral. Os testes foram realizados com eletrodos de 3 e 4 pares, e campos elétricos mínimos para EP reversível (60kV/m-tubérculo de batata, 80kV/m-tumor) além do campo indicado pelo ESOPE para aplicação com o eletrodo (100kV/m). Os experimentos in vitro foram realizados no tecido vegetal e os efeitos resultantes mimetizados para o tecido tumoral. Os resultados da deflexão por aproximação para o tecido tumoral indicaram elevada densidade de corrente no tecido para distâncias menores que 3mm. Além disso, o limite de corrente suportado pelo equipamento eletroporador foi excedido de diversas maneiras devido aproximação entre as agulhas. Já os resultados da deflexão por afastamento expuseram uma endentação do campo elétrico na porção mais profunda do tecido para distâncias superiores à 4mm para 80kV/m e 6mm para 100kV/m entre as pontas das agulhas, indicando que o tratamento perde sua eficácia nesses casos. Ainda, pela análise estatística, foi possível verificar que o modelo vegetal não foi capaz de validar os casos extremos de deflexão testados (aproximação e afastamento), sugerindo sua limitação em validar testes de pré-tratamento para eletrodos não padronizados.

Abstract: Electroporation (EP) is a phenomenon known to increase the permeability and conductivity of biological cells due to its exposition to pulsed electric fields of high magnitude and short periods. The increase in permeability makes nanopores appear in the cell's membrane and allows the transport of ions and molecules from the outside medium to the inside of the cell. Something which would not be possible in its homeostatic state. Electrochemotherapy (ECT) is a concept that makes use of the EP phenomenon and can be described as a mixed modality for the treatment of superficial tumours. It uses electric pulses intending to enhance the uptake of chemotherapeutic drugs in tumour cells. The ECT technique is widely used in the treatment of cutaneous and subcutaneous cancers in humans and as well as in domestic and wild animals, increasing patient?s life expectancy and quality of life. ECT efficiency is directly related to the amount of the drug that is administered to the cells on the cancerous region. Taking that into account, the electric field must be of sufficient intensity and duration to permeate the entire treatment region. A problem that affects the field distribution in the tissue arises from the poor positioning of the electrode at the location, caused by the needle's deflection during the ECT session. Deflection is caused by the insertion of the electrode in biological tissues, which in turn exert a mechanical resistance. In addition, needle tip geometry especially cooperates with deflection. This work aimed to analyze and quantify the effects caused by the deflection of the needles of the linear matrix electrode (type II) for ECT. By the Finite Element Method (FEM) in Comsol Multiphysics, the potato and tumour conductivity models were utilized to simulate the approaching and spacing out needle tips of opposite polarities. Tests were performed with 3 and 4-pair electrodes, applying the minimum electric field for reversible EP (60 kV/m - potato tuber, 80 kV/m - tumour), in addition to the electric field established for ESOPE to be used in ECT treatments (100 kV/m). The in vitro experiments were carried out on potato tissue and the effects mimicked to the tumour tissue. Results showed that the needle approximation generates high current density in the tumour tissue for needle tips distancing less than 3 mm. Also, the current limit supported by the commercial ECT equipment has been exceeded in several different ways in these cases that needles were forced to approximate. The needle deflection by spacing their tips exposed an electric field indentation in the deepest portion of the tissue for distances greater than 4 mm for 80 kV/m and 6 mm for 100 kV/m, implying that the treatment loses its effectiveness in these cases. Still, by analyzing the statistical significance of the results, it was possible to verify that the potato tissue model was not able to validate the extreme cases of deflection, suggesting its limitation in validating pre-treatment tests with non-standardized electrodes.