Exaggeration of the impact of electroporation due to the use of multielectrode bipolar systems
Authors: I.V. Reshetov , V.N. Makarov , N.A. Boos , M.A. Makhov 
Published: November 2024

Purpose of the study. Cancer is a common disease all over the world. Along with various surgical, minimally invasive, and drug treatment methods of anticancer therapy, the method of electroporation also exists. This method of treatment implies changing the cell membrane conductivity under the influence of high voltage pulses. Temporary change of conductivity leads to the cell membrane unfolding, which in turn allows to deliver a drug molecule to the cell – a reversible electroporation. A permanent increase in the conductivity of the cell leads to irreversible changes resulting in artificial apoptosis and is called irreversible electroporation. Various electrodes placed in human tissues are used to create a region of high voltage values. Electrodes for electroporation are represented by single needle, flat electrodes, and various multi-electrode systems. With all the variety of electrodes available today, considering the need for creating high voltage levels, both reversible and irreversible electroporation have one significant disadvantage – the small volume of the resulting impact. This work was aimed at evaluating the possibility of using new multielectrode constructions in electroporation to increase the volume of exposure in the treatment of squamous tumors. Material and methods. Three-dimensional numerical models of electroporation in COMSOL Multiphysics 5.6 software package were used to investigate the possibility of increasing the volume of treatment during electroporation. Model calculations of electrode systems were carried out as part of the study. Results. A system that consisted of a combination of flat and needle electrodes was considered. This configuration was found to expand the treatment options for superficial squamous tumors. The results of computer modelling showed the possibility of increasing the obtained volume of impact on biological tissues by using this approach. Conclusion. The application of combined multielectrode bipolar systems allows to increase the exposure volume. Preliminary model calculations have shown the potential for the development of this direction.

Цель исследования. Онкологические заболевания широко распространены по всему миру. Наряду с различными хирургическими, малоинвазивными и медикаментозными способами терапии онкологии существует метод электропорации. Данный метод лечения заключается в изменении проводимости клеточной мембраны под воздействием импульсов высокого напряжения. Временное изменение проводимости вызывает раскрытие клеточной мембраны, что в свою очередь позволяет доставить в клетку молекулу препарат – это обратимая электропорация. Постоянное увеличение проводимости клетки ведет к необратимым измене- ниям, приводящим к искусственному апоптозу, и называется необратимой электропорацией. Для создания области с высокими значениями напряженности используются различные электроды, располагаемые в биологических тканях человека. Электроды для электропорации представлены одиночными игольчатыми, пластинчатыми или различными многоэлектродными системами. При всем разнообразии существующих на сегодняшний день электродов из-за необходимости создания высоких уровней напряжения как обратимая, так и необратимая электропорация имеют один существенный недостаток – малый объем получаемого воздействия. Данная работа заключалась в оценке возможности применения новых многоэлектродных конструкций в электропорации для увеличения объема воздействия при лечении плоских опухолей. Материал и методы. Для исследования возможностей увеличения получаемого объема воздействия во время электропорации были использованы трехмерные численные модели электропорации в программном пакете COMSOL Multiphysics 5.6. В рамках исследования были проведены модельные расчеты электродных систем. Результаты. Рассмотрена система, которая состояла из комбинации плоского и игольчатых электродов. Установлено, что такая конфигурация позволяет расширить возможности лечения плоских поверхностных опухолей. Результаты компьютерного моделирования показали возможность увеличения получаемого объема воздействия на биологические ткани за счет применения данного подхода. Заключение. Применение комбинированных многоэлектродных биполярных систем позволяет увеличить объем воздействия. Предварительные модельные расчеты показали перспективность развития данного направления.