Avaliação in silico da dinâmica de poros na aplicação de campos elétricos em células biológicas: membrana, núcleo, parede celular e difusão molecular

Abstract

Devido ao avanço da engenharia, a utilização da tecnologia tornouse indispensável para melhorar a qualidade de vida e reduzir as taxas de mortalidade. Neste contexto, a utilização de pulsos elétricos pulsados (PEFs) tem sido largamente estudada em diferentes processos, tais como tratamentos de câncer, em inativação de vírus, como método de conservação e esterilização de alimentos. A eletroporação é um fenômeno físico caracterizado pelo aumento da permeabilidade celular quando células e tecidos são expostos a campos elétricos de alta intensidade e curta duração. O controle da permeabilidade é explicado pela abertura de poros nas membranas celulares. Compreender a relação entre campo elétrico, abertura de poros e permeabilidade de moléculas pelas membranas foram alguns dos objetivos do presente trabalho. Para isto, um modelo matemático de célula esférica foi implementado no COMSOL, que considerou a expansão de poros nas membranas plasmática e nuclear, assim como o processo de difusão. O modelo passou por validação da geometria, da formação dos poros e difusão da bleomicina. O comportamento dinâmico dos poros foi analisado nas membranas plasmática e nuclear, assim como o transporte de um quimioterápico (bleomicina) em leveduras. Um ensaio para fixação de células de leveduras para microscopia eletrônica avaliou o efeito do campo elétrico na levedura. Os resultados revelaram que, conforme a intensidade do campo aumenta, a região onde os poros se formam também aumenta. A intensidade do pulso apresentou impacto mínimo na expansão dos raios dos poros. Entretanto, pulsos longos produziram maiores poros. Pulsos de nanossegundos deslocaram a eletroporação para a membrana nuclear. Campos elétricos superiores a 400 kV/m provocaram danos na parede celular e asseguraram concentração citotóxica mínima de bleomicina no citosol.

Abstract: Due to the advancement of engineering, the use of technology has become indispensable for improving the quality of life and reducing mortality rates. Pulsed electric oelds have been widely investigated in cancer ablation treatment (e.g. electrochemotherapy), as a technique for the inactivation of SARS-CoV-2 and other viruses, and as a method for preservation and cold pasteurization of food. Electroporation is a physical phenomenon that consists of structural rearrangement and pore creation due to an electric oeld. An in silico model was developed in COMSOL to investigate the dynamic behavior of pore expansion and membrane permeabilization during electroporation. The model explores the pore expansion in the plasma and nuclear membranes, and the process of mass-transfer diffusion of a chemotherapeutical drug (bleomycin) into yeast cells. An assay for electron microscopy was also performed. The results demonstrate that stronger pulses increase pore area, but the magnitude of the pulse has a negligible effect on pore expansion. Long pulses produce larger pores and nanosecond pulses target electroporation of the nuclear membrane. Electric fields above 400 kV/m cause damage to the cell wall and provide a minimal cytotoxic concentration of bleomycin in the cytosol.