Electroterapia y electroporación en el tratamiento de tumores : modelos teóricos y experimentales
El cáncer es una de las primeras causas de muerte por enfermedad en el mundo y su incidencia sigue creciendo con el aumento de la contaminación y la expectativa de vida. A pesar de los grandes avances científicos logrados en la lucha contra esta enfermedad, aun es necesario buscar soluciones más integrales, económicas y con menos efectos secundarios adversos que las terapias tradicionales. Aquí estudiamos el uso de campos eléctricos para la eliminación de tumores sólidos, lo que podría representar una alternativa o enfoque complementario a la cirugía la radio o la quimioterapia. En particular, estudiamos el tratamiento electroquímico de tumores (EChT) y la electroporación reversible (ECT). El EChT consiste en la aplicación de una corriente eléctrica continua a través de dos o más electrodos insertos localmente en el tejido tumoral, con el objeto de eliminarlo por necrosis. Se cree que el principal mecanismo de destrucción del tumor son los cambios extremos de pH inducidos por el tratamiento. La ECT, o electroquimioterapia, es una técnica basada en la electropermeabilización de la célula combinada con el uso de quimioterapia, permitiendo así una mayor eficiencia, dado que de esta manera una mayor cantidad de droga puede penetrar la célula. Algunas de las ventajas del EChT y de la ECT son su simplicidad, efectividad, bajo costo y efectos secundarios mínimos. Quedan aun muchos interrogantes por develar sobre los mecanismos fundamentales de la interacción de los campos eléctricos con los tejidos vivos. Para lograr dicho objetivo, se presenta aquí un estudio interdisciplinario mediante la formulación de modelos in silico o matemático-computacionales, y su validación con modelos experimentales (in vivo e in vitro). La validación in vivo fue lograda a través de los resultados obtenidos de aplicar la terapia a ratones. La validación in vitro, fue obtenida a partir de aplicar la terapia a geles de colágeno I y agar-agar, siendo ambos buenos modelos de la matriz extracelular. Esta metodología interdisciplinaria del estudio de los efectos del EChT y la ECT, nos ha permitido obtener las siguientes contribuciones en esta tesis: 1. La formulación de dos nuevos modelos in silico de EChT unidimensionales, basado el primero en la descripción del transporte iónico y el campo eléctrico mediante las ecuaciones de Nernst-Planck y Poisson, respectivamente, y el segundo, basado en las ecuaciones de Nernst-Planck y la condición de electroneutralidad. Ambos modelos validados con modelos in vivo e in vitro, revelan que: Un estado inicial con valores de pH fisiológicos evoluciona entre los electrodos hacia un frente cat ́dico alcalino extremo y un frente anódico ́ácido extremo moviéndose uno en dirección al otro hasta colisionar. Estos frentes dejan abierta la posibilidad de la existencia −en caso de un tratamiento aplicado en un lapso menor al necesario− de una región entre ellos con pH fisiológico. El avance del frente de pH durante la EChT se correlaciona muy bien con el área necrótica final. Esto revela que el seguimiento del frente de pH puede ser utilizado para predecir el grado de destrucción del tumor y, por tanto, evaluar la eficacia del EChT. El modelo permite calcular la velocidad de los frentes de pH, información extremadamente util para la predicción de la extensión del tejido tratado, lo cual tiene implicancias significativas en la planificación de la dosis y las condiciones óptimas de operación del EChT. En particular, puede predecir la manera en que la evolución de los frentes de pH cubren, en un tumor, el casquete esférico constituido por células activas. 2. La formulación de un nuevo modelo in silico de ECT unidimensional, conformado por dos submodelos: el primero, denominado ON Time, es utilizado durante la aplicación del pulso eléctrico y está basado en la solución numérica de las ecuaciones de Nernst-Planck para el transporte iónico, asumiendo la condición de electroneutralidad. El segundo modelo, denominado OFF Time, es utilizado cuando el pulso no está siendo aplicado, y está basado en las ecuaciones de difusión-reacción. El modelo final fue validado con un modelo in vitro y revela que: El método de dos pasos (o de split) del sistema de ecuaciones diferenciales original permitió la integración de dos submodelos de escalas temporales disímiles: una micro (ON Time) y otra macro (OFF Time), dando como resultado un algoritmo extremadamente robusto. Las mediciones muestran que los frentes de pH son inmediatos y significativos. Dado que éstos pueden producir necrosis del tejido −efecto no deseado tanto en aplicaciones clíınicas de la ECT, como en la electroporación irreversible (IRE) y la electroterapia génica (EGT)−, es muy importante cuantificar la extensión y evolución del pH. La técnica utilizada para el seguimiento espacio-temporal de los frentes de pH, muestra que escalan en el tiempo como t^1/2, característico de procesos predominantemente difusivos. Esta información es relevante para predecir la extensión del tratamiento. La comparación de frentes de pH de la ECT con los del EChT muestra un resultado sorprendente: al aplicar una misma dosis de corriente eléctrica, la acidificación anódica en la ECT es mayor que en el EChT, lo que sugiere que la necrosis del tejido puede ser también mayor. Se sugieren maneras de minimizar estos efectos adversos en la ECT. 3. La formulación de un nuevo modelo in silico radial esférico de ECT del transporte iónico en un tejido tumoral utilizando una geometría esférica y un electrodo (ánodo) situado en el centro del tejido a tratar, y el cátodo ubicado a una distancia suficientemente lejana del ánodo como para asegurar que el producto de las reacciones cat ́dicas no afecten al tejido a analizar. El modelo teórico debe ser validado con un modelo experimental cuyo desarrollo se encuentra pendiente. No obstante ello los resultados preliminares muestran que: Los frentes de pH se mueven más lentos que en el caso del modelo ECT unidimensional. Esta diferencia posiblemente se origine en la cantidad de corriente eléctrica que necesita cada modelo (in silico) para mantener, durante la aplicación del pulso, el voltaje constante. En el caso del modelo radial esférico, dicha cantidad es mucho menor dado que el área es mayor, lo que se traduce en una menor generación de protones alrededor del ánodo con la consiguiente menor acidificación. Si bien este modelo de ECT no toma en cuenta la interacción ́ánodo-cátodo, toma en cuenta la naturaleza tridimensional del tejido tumoral, lo que constituye un modelo más realista que una aproximación unidimensional. En síntesis, se espera que los resultados de esta tesis ayuden significativamente a mejorar la habilidad para diseñar planes de tratamiento efectivos del EChT y la ECT. Se confía que la inclusión del EChT y la ECT, solas o en combinación con otras terapias en la clínica médica, tenga beneficios significativos a nivel socioeconómico y mejore la calidad y duración de la vida de muchos pacientes.
| Main Author: | |
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| Other Authors: | |
| Format: | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis biblioteca |
| Language: | spa |
| Published: |
Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales
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| Subjects: | SIMULACION NUMERICA, FISICOQUIMICA HIDRODINAMICA COMPUTACIONAL, DIFERENCIAS FINITAS, TRATAMIENTO ELECTROQUIMICO DE TUMORES, ELECTROPORACION REVERSIBLE, NUMERICAL SIMULATION, COMPUTATIONAL PHYSICOCHEMICAL HYDRODYNAMIC, FINITE DIFFERENCES, ELECTROCHEMICAL TREATMENT OF TUMORS, REVERSIBLE ELECTROPORATION, |
| Online Access: | https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n4877_Turjanski http://repositoriouba.sisbi.uba.ar/gsdl/cgi-bin/library.cgi?a=d&c=aextesis&d=tesis_n4877_Turjanski_oai |
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| Summary: | El cáncer es una de las primeras causas de muerte por enfermedad en el mundo y su incidencia sigue creciendo con el aumento de la contaminación y la expectativa de vida. A pesar de los grandes avances científicos logrados en la lucha contra esta enfermedad, aun es necesario buscar soluciones más integrales, económicas y con menos efectos secundarios adversos que las terapias tradicionales. Aquí estudiamos el uso de campos eléctricos para la eliminación de tumores sólidos, lo que podría representar una alternativa o enfoque complementario a la cirugía la radio o la quimioterapia. En particular, estudiamos el tratamiento electroquímico de tumores (EChT) y la electroporación reversible (ECT). El EChT consiste en la aplicación de una corriente eléctrica continua a través de dos o más electrodos insertos localmente en el tejido tumoral, con el objeto de eliminarlo por necrosis. Se cree que el principal mecanismo de destrucción del tumor son los cambios extremos de pH inducidos por el tratamiento. La ECT, o electroquimioterapia, es una técnica basada en la electropermeabilización de la célula combinada con el uso de quimioterapia, permitiendo así una mayor eficiencia, dado que de esta manera una mayor cantidad de droga puede penetrar la célula. Algunas de las ventajas del EChT y de la ECT son su simplicidad, efectividad, bajo costo y efectos secundarios mínimos. Quedan aun muchos interrogantes por develar sobre los mecanismos fundamentales de la interacción de los campos eléctricos con los tejidos vivos. Para lograr dicho objetivo, se presenta aquí un estudio interdisciplinario mediante la formulación de modelos in silico o matemático-computacionales, y su validación con modelos experimentales (in vivo e in vitro). La validación in vivo fue lograda a través de los resultados obtenidos de aplicar la terapia a ratones. La validación in vitro, fue obtenida a partir de aplicar la terapia a geles de colágeno I y agar-agar, siendo ambos buenos modelos de la matriz extracelular. Esta metodología interdisciplinaria del estudio de los efectos del EChT y la ECT, nos ha permitido obtener las siguientes contribuciones en esta tesis: 1. La formulación de dos nuevos modelos in silico de EChT unidimensionales, basado el primero en la descripción del transporte iónico y el campo eléctrico mediante las ecuaciones de Nernst-Planck y Poisson, respectivamente, y el segundo, basado en las ecuaciones de Nernst-Planck y la condición de electroneutralidad. Ambos modelos validados con modelos in vivo e in vitro, revelan que: Un estado inicial con valores de pH fisiológicos evoluciona entre los electrodos hacia un frente cat ́dico alcalino extremo y un frente anódico ́ácido extremo moviéndose uno en dirección al otro hasta colisionar. Estos frentes dejan abierta la posibilidad de la existencia −en caso de un tratamiento aplicado en un lapso menor al necesario− de una región entre ellos con pH fisiológico. El avance del frente de pH durante la EChT se correlaciona muy bien con el área necrótica final. Esto revela que el seguimiento del frente de pH puede ser utilizado para predecir el grado de destrucción del tumor y, por tanto, evaluar la eficacia del EChT. El modelo permite calcular la velocidad de los frentes de pH, información extremadamente util para la predicción de la extensión del tejido tratado, lo cual tiene implicancias significativas en la planificación de la dosis y las condiciones óptimas de operación del EChT. En particular, puede predecir la manera en que la evolución de los frentes de pH cubren, en un tumor, el casquete esférico constituido por células activas. 2. La formulación de un nuevo modelo in silico de ECT unidimensional, conformado por dos submodelos: el primero, denominado ON Time, es utilizado durante la aplicación del pulso eléctrico y está basado en la solución numérica de las ecuaciones de Nernst-Planck para el transporte iónico, asumiendo la condición de electroneutralidad. El segundo modelo, denominado OFF Time, es utilizado cuando el pulso no está siendo aplicado, y está basado en las ecuaciones de difusión-reacción. El modelo final fue validado con un modelo in vitro y revela que: El método de dos pasos (o de split) del sistema de ecuaciones diferenciales original permitió la integración de dos submodelos de escalas temporales disímiles: una micro (ON Time) y otra macro (OFF Time), dando como resultado un algoritmo extremadamente robusto. Las mediciones muestran que los frentes de pH son inmediatos y significativos. Dado que éstos pueden producir necrosis del tejido −efecto no deseado tanto en aplicaciones clíınicas de la ECT, como en la electroporación irreversible (IRE) y la electroterapia génica (EGT)−, es muy importante cuantificar la extensión y evolución del pH. La técnica utilizada para el seguimiento espacio-temporal de los frentes de pH, muestra que escalan en el tiempo como t^1/2, característico de procesos predominantemente difusivos. Esta información es relevante para predecir la extensión del tratamiento. La comparación de frentes de pH de la ECT con los del EChT muestra un resultado sorprendente: al aplicar una misma dosis de corriente eléctrica, la acidificación anódica en la ECT es mayor que en el EChT, lo que sugiere que la necrosis del tejido puede ser también mayor. Se sugieren maneras de minimizar estos efectos adversos en la ECT. 3. La formulación de un nuevo modelo in silico radial esférico de ECT del transporte iónico en un tejido tumoral utilizando una geometría esférica y un electrodo (ánodo) situado en el centro del tejido a tratar, y el cátodo ubicado a una distancia suficientemente lejana del ánodo como para asegurar que el producto de las reacciones cat ́dicas no afecten al tejido a analizar. El modelo teórico debe ser validado con un modelo experimental cuyo desarrollo se encuentra pendiente. No obstante ello los resultados preliminares muestran que: Los frentes de pH se mueven más lentos que en el caso del modelo ECT unidimensional. Esta diferencia posiblemente se origine en la cantidad de corriente eléctrica que necesita cada modelo (in silico) para mantener, durante la aplicación del pulso, el voltaje constante. En el caso del modelo radial esférico, dicha cantidad es mucho menor dado que el área es mayor, lo que se traduce en una menor generación de protones alrededor del ánodo con la consiguiente menor acidificación. Si bien este modelo de ECT no toma en cuenta la interacción ́ánodo-cátodo, toma en cuenta la naturaleza tridimensional del tejido tumoral, lo que constituye un modelo más realista que una aproximación unidimensional. En síntesis, se espera que los resultados de esta tesis ayuden significativamente a mejorar la habilidad para diseñar planes de tratamiento efectivos del EChT y la ECT. Se confía que la inclusión del EChT y la ECT, solas o en combinación con otras terapias en la clínica médica, tenga beneficios significativos a nivel socioeconómico y mejore la calidad y duración de la vida de muchos pacientes. |
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