Análise in silico de efeito Joule em eletroporação irreversível e reversível

Abstract

A eletroporação é um fenômeno que ocorre quando células são expostas a um campo elétrico, podendo se dar de forma reversível, em que a célula sobrevive, ou irreversível, em que a célula morre. Possui papel importante na saúde, como no tratamento de câncer e na aplicação de vacinas de DNA, e as pesquisas são realizadas com simulações computacionais através de software que utilize método dos elementos finitos. Como toda passagem de corrente elétrica, o campo elétrico aplicado para a eletroporação pode provocar elevação da temperatura por efeito Joule. Tendo isso em vista, este trabalho analisou parâmetros elétricos e térmicos pelo software COMSOL Multiphysics para uma aplicação de eletroporação irreversível em fígado com tensões de 1000 V e 1500 V por 100 µs e 200 µs, que se mostraram seguras termicamente, e eletroporação reversível para músculo esquelético com 100 V por 100 ms, 200 V por 50 ms e 250 V por 40 ms, sendo o primeiro caso ineficiente, o segundo provocou desnaturação das proteínas e o último caso provocou desnaturação das proteínas, danos ao DNA e queimadura ao tecido. Aplicando só um pulso foi possível ver claramente o efeito da duração do pulso, que elevou bastante a temperatura mesmo com tensões baixas no músculo.

Abstract: Electroporation is a phenomenon that occurs when cells are exposed to an electric field. It can happen as reversible, when the cell survives, or irreversible, when it dies. Electroporation has an important role in health, such as cancer treatment and DNA vaccines application, and researches are done as computer simulations through finite element method software. As any passage of electric current, the applied electric field can increase temperature due to Joule heating. Keeping this in mind, this work analysed electric and thermal parameters through the COMSOL Multiphysics software for an irreversible electroporation in liver with voltages of 1000 V e 1500 V for 100 µs and 200 µs, that proved to be safe, and reversible electroporation for skeletal muscle with 100 V for 100 ms, 200 V for 50 ms and 250 V for 40 ms, in which the first case was inefficient, the second case caused proteins denaturation and the last case provoked proteins denaturation, DNA damage and tissue burn. Applying one pulse made clear the effect of pulse duration, that raised the temperature considerably even with low voltages in the muscle.