Elektroporacijske terapije z novimi visokofrekvenčnimi elektroporacijskimi pulzi (2018-2021) |
| Vodja: | doc. dr. Matej Reberšek, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za elektrotehniko |
| Partner: | / |
| Financiranje: | ARRS – Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS |
| Šifra: | J2-9227 |
Projekt financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (ARRS).
- Članica Univerze v Ljubljani
- Šifra
- J2-9227
- Naziv projekta
- Elektroporacijske terapije z novimi visokofrekvenčnimi elektroporacijskimi pulzi
- Obdobje
- 1.7.2018 - 30.6.2021
- Letni obseg
- 1.3 FTE
- Vodja
- Veda
- Tehnika - Sistemi in kibernetika
- Sodelujoče RO
- Vsebinski opis projekta
Več kot 10 000 bolnikov je bilo zdravljenih z elektroporacijskimi terapijami v več kot 150 bolnišnicah v Evropi po razvoju prve klinične naprave v letu 2006, primerljiva števila veljajo tudi za ZDA. Pravtako na svetu trenutno poteka na desetine kliničnih študij, ki obravnavajo elektroporacijske terapije.
Pri elektroporacijskih terapijah imajo elektroporacijski pulzi osnovno frekvenco 5 kHz ali manj. Tkiva v telesu imajo pri tej frekvenci velik impedančni razpon, zato je električno polje klasičnih elektroporacijskih pulzev v telesu izredno nehomogeno. Zaradi nehomogenega električnega polja znotraj telesa je učinek elektroporacijske terapije v telesu nehomogen in s tem terapija manj učinkovita. Elektroporacijske terapije tako zahtevajo obsežne numerične optimizacije, da pokrijemo celotno tretirano področje z zadostnim električnim poljem. Pri višjih frekvencah pulzov imajo tkiva v telesu manjši impedančni razpon in nedavne študije kažejo, da bi lahko bila elektroporacija tkiv s krajšimi visokofrekvenčnimi bipolarnimi elektroporacijskimi pulzi v telesu bolj homogena in da lahko z visokofrekvenčnimi elektroporacijskimi pulzi dosežemo učinkovito terapijo brez kontrakcije mišic.
Naša skupina redno spremlja razvoj komercialnih in laboratorijskih prototipnih elektroporacijskih naprav in ugotavlja, da je prvi problem področja visokofrekvenčnih elektroporacijskih pulzov ta, da na trgu ni naprav za temeljito analizo visokofrekvenčnih elektroporacijskih pulzov. Drugi problem se pojavi, ker so nekatere raziskovalne skupine neodvisno od raziskovalcev visokofrekvenčnih terapij ugotovile, da lahko visokofrekvenčni bipolarni elektroporacijski pulzi povzročijo učinek preklica. Zato bomo razvili novo prototipno elektroporacijsko napravo, ki bo generirala visokofrekvenčne monopolarne, bipolarne in asimetrične bipolarne elektroporacijske pulze dolžine od 100 ns do 1 ms, amplitude pulzov do 4 kV in ponavljalne frekvence pulzov do 5 MHz. Prvič bomo temeljito analizirali visokofrekvenčne elektroporacijske pulze in vitro in in vivo. Trenutni elektroporacijski modeli distribucije električnega polja v tkivu so stacionarni in sprememba impedance tkiva s frekvenco pulzov ni vključena. Razvili bomo nov model v frekvenčnem prostoru in vanj vključili frekvenčne lastnosti tkiva in tako bolj natančno določili porazdelitev električnega polja visokofrekvenčnih elektroporacijskih pulzov v tkivu. Nedavne študije kažejo na prisotnost učinka preklica na področju visokofrekvenčnih elektroporacijskih pulzov. Temeljito bomo analizirali področje parametrov elektroporacijskih pulzov in določili ekvivalentne parametre visokofrekvenčnih elektroporacijskih pulzov glede na trenutno uporabljane klasične elektroporacijske pulze. Sistematično bomo analizirali ugotovitve, da se visokofrekvenčni elektroporacijski pulzi porazdelijo v tkivu bolj enakomerno kot klasični elektroporacijski pulzi, in sicer s posrednim opazovanjem porazdelitve električnega polja z magnetno resonančnim slikanjem. Pravtako bomo sistematično analizirali ugotovitve, da visokofrekvenčni elektroporacijski pulzi ne povzročajo mišične kontrakcije in bolečine, in sicer s kvantitativno oceno mišičnih kontrakcij in neprijetnih občutkov.
Pričakovani rezultati bi pomembno vplivali na razvoj sedanjih elektroporacijskih terapij in izboljšali pokritost celotnega zdravljenega področja z zadostnim električnim poljem. To bi najverjetneje povečalo učinkovitost terapije, zmanjšalo razpršenost rezultatov in poenostavilo načrtovanje zdravljenja. Pričakovani rezultati bi tudi zmanjšali krčenje mišic in vzbujanje živcev ter tako zmanjšali neprijetne občutke, premikanje tkiva in elektrod med terapijo ter povečali varnost elektroporacijskih terapij za zdravljenje blizu živcev.
- Sestava projektne skupine
- Faze projekta in njihova realizacija
Organiziranost projekta je tesno povezana z zastavljenimi cilji. Prijavitelj projekta je Fakulteta za elektrotehniko, Univerza v Ljubljani (UL), ki je ena izmed vodilnih raziskovalnih ustanov na svetu na področju razvoja elektroporacijskih naprav, modeliranja elektroporacijskih pojavov in in vitro elektroporacijskih poizkusov. Pravtako ima prijavitelj projekta vidne izkušnje z analizo impedance tkiva, mišičnih kontrakcij in neprijetnih občutkov zaradi elektroporacijskih pulzov. V projektu bo sodeloval tudi Institut Jožef Stefan (IJS), ki je med vodilnimi organizacijami na svetu na področju in vivo MR slikanja elektroporacijskih učinkov. Na področju akcijskega potenciala, mišičnih kontrakcij in neprijetnih občutkov zaradi elektroporacijskih pulzov bomo sodelovali z dr. Rodney Philip O’Connorjem, ki je priznan strokovnjaka na področju nevrofiziologije in nevrobiologije in s katerim UL že sodeluje na bilateralnem projektu. Delo z živalmi bo potekalo v sodelovanju z Oddelkom za eksperimentalno Onkologijo, Onkološkega inštituta v Ljubljani, ki ima dolgoletne izkušnje z delom z živalmi in s katerim UL redno sodeluje. Z dr. Rodney Philip O’Connor-jem z École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne, Francija in z prof. Gregorjem Seršo z Onkološkega inštituta v Ljubljani imamo sklenjeno pismo o nameri (angl. letter of intent) sodelovanja na predlaganem projektu. Sodelujoče raziskovalne institucije so komplementarne in visoko usposobljene za reševanje teoretičnih in praktičnih izzivov v okviru predlaganih raziskav.
V projektu bomo poskrbeli za učinkovito upravljanje in izkoriščanje znanja ter delovali v skladu s pravili ARRS projektov. Vodja projekta bo zadolžen za:
- vodenje projekta,
- organizacijo sestankov,
- pravočasno izvedbo nalog in doseganje ciljev,
- pravočasno pripravo poročil, in nadzor nad porabo sredstev.
Delo na projektu bo razdeljeno na 5 delovnih sklopov (DS1-DS5):
V prvem delovnem sklopu bomo razvili nov prototipni elektroporator, ki bo omogočal sistematično analizo visokofrekvenčnih pulzov in vitro (DS 3) in in vivo (DS 4; opisano v DS 1). V drugem delovnem sklopu bomo razvili nov model elektroporacije v frekvenčnem prostoru, ki bo omogočil izračun porazdelitve električnega polja v nehomogenem tkivu. Model tkiva se bo zgradil s slikanjem z magnetno resonanco (DS 4) in potrjen z in vitro (DS 3) in in vivo eksperimenti (DS 4; opisano v DS 2). V tretjem delovnem sklopu bomo uporabili novi prototipni elektroporator, ki ga bomo razvili v DS 1, za sistematično analizo učineka visokofrekvenčnih elektroporacijskih pulzov in vitro na permeabilizacijo, molekularni transport in preživetje celic. Rezultate bomo primerjali z rezultati klasične elektroporacije ter določili enakovredne visokofrekvenčne elektroporacijske pulze, ki bodo uporabljeni v DS 4 (opisano v DS 3).
V četrtem delovnem sklopu bomo najprej oddali vloge za pridobitev dovoljenj za poskuse v DS 4. Prijavo je potrebno oddati vsaj eno leto pred načrtovanimi poskusi. V primeru zapletov z vlogo imamo 6 mesecev rezerve. Potem, ko bomo pridobili dovoljenja za eksperimente in razvili nov prototipni elektroporator v DS 1, bomo začeli z in vivo eksperimenti. S pomočjo slikanja z magnetno resonanco bomo določili strukturo tkiva mišje noge za numerični model v DS 2, primerjali porazdelitev električnega polja klasičnih in enakovrednih visokofrekvenčnih elektroporacijskih pulzov, ki bodo določeni v DS 3. V tem delovnem sklopu bomo tudi določili, ali imajo visokofrekvenčni elektroporacijski pulzi manjši vpliv na kontrakcijo mišic in neprijetne občutke v primerjavi s klasičnimi elektroporacije pulzi. Po zaključku vseh poskusov v tem projektu, bomo upoštevali vse rezultate pridobljene v DS 2, 3 in 4 ter določili smernice za učinkovitejše in manj boleče elektroporacijske terapije (opisane v DS 4).
V petem delovnem sklopu bomo iskali nove možnosti za zaščito intelektualne lastnine pridobljene v predlaganem projektu in iskali potencialne visokotehnološke partnerje. Prav tako bomo skrbeli za organizacijo sestankov in pravočasno pripravo poročil. Intenzivno sodelovanje vseh partnerjev bo omogočilo prihodnje sodelovanje pri pripravah predlogov projektov v mednarodnem okolju in povečalo možnost pridobivanja projektov v okviru programa Obzorje 2020 (opisano v DS 5).
- Bibliografske reference
Cvetkoska A, Maček-Lebar A, Trdina P, Miklavčič D, Reberšek M. Muscle contractions and pain sensation accompanying high‑frequency electroporation pulses.
Sci. Rep. 12:8019: 1-15, 2022. ©2022 The Author(s) DOI 10. 1038/ s41598- 022- 12112-9Pirc E, Miklavčič D, Uršič K, Serša G, Reberšek M. High-frequency and high-voltage asymmetric bipolar pulse generator for electroporation based technologies and therapies.
Electronics 10: 1203, 2021. ©2021 The Authors DOI 10.3390/electronics10101203Dermol-Černe J, Miklavčič D, Reberšek M, Mekuč P, Bardet SM, Burke R, Arnaud-Cormos D, Leveque P, O’Connor R. Plasma membrane depolarization and permeabilization due to electric pulses in cell lines of different excitability.
Bioelectrochemistry 122: 103-114, 2018. ©2018 Elsevier B.V. DOI 10.1016/j.bioelechem.2018.03.011Dermol-Černe J, Batista Napotnik T, Reberšek M, Miklavčič D. Short microsecond pulses achieve homogeneous electroporation of elongated biological cells irrespective of their orientation in electric field.
Sci. Rep. 10:9149: 1-17, 2020. ©2020 The Authors DOI 10.1038/s41598-020-65830-3Polajžer T, Dermol–Černe J, Reberšek M, O’Connor R, Miklavčič D. Cancellation effect is present in high-frequency reversible and irreversible electroporation.
Bioelectrochemistry 132: 1-11, 2020. ©2020 Elsevier B.V. DOI 10.1016/j.bioelechem.2019.107442Scuderi M, Reberšek M, Miklavčič D, Demol-Černe J. The use of high-frequency short bipolar pulses in cisplatin electrochemotherapy in vitro.
Radiol. Oncol. 53: 194-205, 2019. ©2019 Radiology and Oncology (Ljubljana) DOI 10.2478/raon-2019-0025