Návrh elektrod pro in vitro ireverzibilní elektroporaci kardiomyocytů

Abstract

V současnosti se rozvíjejí metody pro léčbu arytmií a nádorů jako jsou ablace a genová terapie, přičemž elektroporace se ukazuje jako revoluční metoda zajišťující přesné zasažení tkáně a minimalizující poškození okolních tkání. Tato práce se zaměřuje na návrh elektrod pro ireverzibilní in vitro elektroporaci, s cílem zajistit homogenní elektrické pole mezi elektrodami. Model ideální elektrody byl simulován na základě řady modelu geometrií elektrod již využívaných v elektroporační praxi. Na základě těchto simulací byly definovány parametry popisující rozměry, geometrii, optimální umístění v laboratorní jamce a aplikované elektrické pole. Výběr tohoto modelu proběhl prostřednictvím metodiky zvolené pro hodnocení homogenity rozložení elektrického pole uvnitř laboratorní jamky na základě Shanonovy entropie, přičemž homogenita pro výsledný model byla o 17 % vyšší ve srovnání se standardem ploché elektrody. Realizovaná jehlová elektroda se čtyřmi vodiči byla otestována v rámci in vitro experimentu na buněčné kultuře kardiomyocytů pro hodnoty intenzity elektrického pole v rozmezí 0-1250 V/cm, přičemž pomocí specifického barviva byla detekována buněčná smrt. V rámci experimentu byla stanovena minimální intenzita elektrického pole potřebná pro dosažení statisticky významného úmrtí buněk, která činila 750 V/cm. Při zkoumání teplotní závislosti při simulovaných elektroporačních scénářích byl pozorován lineární nárůst teplot dosahující ohřátí tkáně až o 27 °C, který má výrazný vliv na konečnou teplotu tkáně, a tak vliv na výsledný procento mrtvých buněk.Currently, methods for the treatment of arrhythmias and tumors such as ablation and gene therapy are being developed, while electroporation is proving to be a revolutionary method ensuring precise tissue impact and minimizing damage to surrounding tissues. This work focuses on the design of electrodes for irreversible in vitro electroporation, with the aim of ensuring a homogeneous electric field between the electrodes. The ideal electrode model was simulated based on a number of model electrode geometries already used in electroporation practice. Based on these simulations, the parameters describing the dimensions, geometry, optimal placement in the laboratory well and the applied electric field were defined. This model was selected through a methodology chosen to assess the homogeneity of the electric field distribution inside the laboratory well based on Shannon entropy, with homogeneity for the resulting model being 17% higher compared to the flat electrode standard. The realized needle electrode with four wires was tested in an in vitro experiment on cardiomyocyte cell culture for electric field intensity values in the range of 0-1250 V/cm, while cell death was detected using a specific dye. As part of the experiment, the minimum electric field intensity required to achieve statistically significant cell death was determined to be 750 V/cm. When examining the temperature dependence in simulated electroporation scenarios, a linear temperature increase was observed, reaching tissue heating of up to 27 °C, which has a significant effect on the final tissue temperature, and thus on the resulting percentage of dead cells.