Análise da resposta elétrica de membranas celulares a pulsos elétricos: implicações para microeletrônica e sensores bioeletrônicos

Abstract

A eletroporação é o fenômeno físico de abertura de poros nas membranas celulares através de aplicação de pulsos elétricos dependendo de sua amplitude e duração. Entre as aplicações atuais estão a vacina de DNA, tratamento de tumores e cânceres, ablação de tecidos, melhoria e transferência gênica, aprimoramento de alimentos, entre outros. Desta forma, o estudo e compreensão dos mecanismos e do impacto da variação do tamanho e intensidade do campo elétrico aplicado visa distinguir os efeitos entre as membranas e torna a eletroporação uma ferramenta mais eficiente e segura para tratamentos não térmicos desta técnica para o benefício da população. Neste trabalho estuda-se numericamente a variação de pulsos elétricos aplicados em uma célula isolada, entre 1 e 10 kV/cm, com durações de 1 ns a 100 us, e verificou-se os efeitos da abertura de poros na membranas através do método dos elementos finitos. Validou-se o modelo celular e de eletroporação comparando com métodos e resultados da literatura para variações angulares na membrana. A validação apresentou erro máximo de 23\% no polo da membrana nuclear, aplicando campo elétrico de 200 ns de duração e 2 V/cm de amplitude em comparação com uma das equações da literatura. Apresentou-se um erro de 13\% feito com aproximação analítica da equação de polarização da membrana plasmática para o envelope nuclear, assim como o erro de 5\% na utilização da equação original para o membrana plasmática. Ainda, a mesma apresentou abertura de poros para pulsos de duração de 1 microssegundo e 2,5 kV/cm, enquanto a membrana nuclear apresentou uma predominância de abertura com pulsos de 100 nanossegundos e 5 quilovolts de intensidade, seguindo uma proporção máxima de 4:1 para a quantidade de poros total entre as membranas. O estudo mostra também que, para 100 ns e 10 kV/cm, e 500 ns e 5 kV/cm de duração e amplitude respectivamente, é possível atingir o limiar de eletroporação em ambas as membranas, evidenciando a possibilidade do cálculo de um ponto ótimo em função da variação de duração e amplitude do campos elétricos tendo em vista a diferença de propriedades dielétricas entre as mesmas, e assim garantir uma resposta adequada das membrana nuclear e plasmática controlando tais parâmetros.

Electroporation is the physical phenomenon of pore opening in cell membranes through the application of electrical pulses, depending on their amplitude and duration. Current applications include DNA vaccines, tumor and cancer treatment, tissue ablation, gene transfer and enhancement, food improvement, among others. Therefore, the study and understanding of the mechanisms and the impact of varying the size and intensity of the applied electric field aim to distinguish the effects between the membranes and make electroporation a more efficient and safer tool for non-thermal treatments of this technique for the benefit of the population. This work numerically studies the variation of electrical pulses applied to an isolated cell, between 1 and 10 kV/cm, with durations from 1 ns to 100 µs, and verifies the effects of pore opening in the membranes using the finite element method. The cell and electroporation models were validated by comparing them with methods and results from the literature for angular variations in the membrane. The validation showed a maximum error of 23\% at the nuclear membrane pole when applying an electric field with a duration of 200 ns and an amplitude of 2 V/cm compared to one of the equations from the literature. An error of 13\% was presented using an analytical approximation of the plasma membrane polarization equation for the nuclear envelope, as well as a 5\% error when using the original equation for the plasma membrane. Furthermore, the plasma membrane showed pore opening for pulses with a duration of 1 microsecond and 2.5 kV/cm, while the nuclear membrane showed a predominance of opening with pulses of 100 nanoseconds and 5 kilovolts per centimeter intensity, following a maximum ratio of 4:1 for the total number of pores between the membranes. The study also shows that for 100 ns and 10 kV/cm, and 500 ns and 5 kV/cm of duration and amplitude respectively, it is possible to reach the electroporation threshold in both membranes, highlighting the possibility of calculating an optimal point as a function of the variation in the duration and amplitude of the electric fields, considering the difference in dielectric properties between them, and thus guaranteeing an adequate response from the nuclear and plasma membranes by controlling these parameters.