Estudio de los mecanismos básicos de electroporación a través de la modelación numérica

• Autores: Alfonso, Mauricio
• Año de publicación: 2015
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis de grado
• Colaborador/a o director/a de tesis: Soba, Alejandro
• Materia: MEMBRANA CELULAR; ELECTROPORACION; TRANSPORTE; ELEMENTOS FINITOS; CELL MEMBRANE; ELECTROPORATION; TRANSPORT; FINITE ELEMENTS
• Institución: Universidad Nacional de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales

La electroporación consiste en la aplicación de pulsos eléctricos de alta intensidad y corta duración con el objetivo de crear poros en la membrana celular, logrando así un aumento de la permeabilización que permite el ingreso de drogas o iones a su interior. La utilización de la electroporación en combinación con drogas antitumorales ha demostrado tener una mayor eficacia que la terapia quimioterapéutica convencional, de allí la relevancia de estudios básicos de la interacción campos eléctricos-célula. En esta tesis se presenta un nuevo modelo numérico que describe la respuesta eléctrica de la célula, en particular la membrana celular y el transporte iónico a través de la misma, a la aplicación de pulsos eléctricos. Se asume una célula esférica sometida a pulsos eléctricos por medio de dos electrodos, constituida por cuatro especies iónicas: el ion hidrógeno (H+), el hidróxido (OH– ), el catión sodio (Na+) y el cloruro (Cl– ). Para resolver las ecuaciones diferenciales que describen el potencial electrostático y el transporte iónico se usó el método de los elementos finitos en dos dimensiones espaciales en coordenadas cilíndricas. Las ecuaciones diferenciales que describen la evolución de la población de poros se resuelven por diferencias finitas utilizando el método de Euler. Se utilizó programación distribuida basada en OpenMP para aprovechar al máximo los procesadores multi threading actuales. El nuevo modelo teórico introducido permite por primera vez predecir real´ısticamente la respuesta eléctrica de la célula, en particular el campo eléctrico transmembranal y el transporte iónico (uptake), lo que se evidencia por la excelente correlación entre predicción y mediciones.
Electroporation involves the application of electric pulses of high intensity and short duration in order to create pores in the cell membrane, thus achieving increased permeabilization that allows the entry of drugs or ions. The use of electroporation in combination with antitumor drugs has been shown to have a higher efficiency than conventional chemotherapeutic therapy, hence the relevance of basic studies of the electric field-cell interaction. In this thesis a new numerical model is presented, describing the electrical response of the cell, particularly the cell membrane and ion transport through it, to the application of electrical pulses. A spherical cell is assumed, subjected to electrical pulses by means of two electrodes and consisting of four ionic species: hydrogen ion (H+), hydroxide (OH– ), sodium cation (Na+) and chloride (Cl– ). To solve the differential equations describing the electrostatic potential and ion transport, the finite element method in two spatial dimensions with cylindrical coordinates is used. The differential equations describing the evolution of the population of pores are solved by finite differences using Euler’s method. Distributed programming based on OpenMP was used to maximize the usage of current multithreading processors. The new theoretical model presented realistically predicts for the first time the electrical response of the cell, particularly the electric field and ion transport (uptake), as evidenced by the excellent correlation between predictions and measurements.
Fil: Alfonso, Mauricio. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina.