Modélisation de l’électroporation tissulaire

Introduction contextuelle

L’électroporation est un phénomène qui se produit dans la membrane cellulaire lorsqu’elle est exposée à des impulsions électriques de courte durée, augmentant ainsi la perméabilité de la membrane aux ions et aux macromolécules. Selon l’impact des impulsions électriques sur la membrane cellulaire, l’électroporation peut être classée en électroporation réversible (Reversible Electroporation, RE) et électroporation irréversible (Irreversible Electroporation, IRE). L’IRE est une technique d’ablation tissulaire non thermique qui induit l’apoptose cellulaire par l’application d’impulsions électriques haute tension via des électrodes, largement utilisée dans le traitement des tumeurs. Cependant, les modèles de simulation traditionnels de l’IRE n’ont pas suffisamment pris en compte l’impact du changement de direction du champ électrique entre les impulsions ni l’augmentation de la conductivité dans les régions post-IRE sur les effets d’ablation. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont proposé un modèle numérique amélioré visant à prédire plus précisément les zones d’ablation tumorale afin d’améliorer la précision de la planification clinique du traitement.

Origine de l’article

Cet article a été réalisé conjointement par Fei Guo, Xinghe Gou et Cong Zou, tous issus de l’Institut de Sécurité Écologique de l’Université des Postes et Télécommunications de Chongqing. Il a été publié dans IEEE Transactions on Biomedical Engineering (TBME) et sera officiellement édité en 2025. Cette recherche a bénéficié d’un soutien partiel de la Fondation Nationale des Sciences Naturelles de Chine (numéro : 52377223).

Processus de recherche et résultats

Processus de recherche

1. Établissement du modèle et paramètres
   L’équipe de recherche a utilisé le logiciel d’analyse par éléments finis COMSOL Multiphysics 6.1 pour construire un modèle tumoral en deux dimensions. La tumeur a été simulée sous forme d’un cercle de rayon de 1 cm, avec des électrodes en acier inoxydable de 0,25 mm de rayon. Trois électrodes ont été disposées uniformément sur un cercle de rayon de 0,5 cm. Les paramètres des impulsions ont été définis comme suit : largeur d’impulsion monopolaire de 1 microseconde, amplitude de 2500 volts, temps de montée et de descente de 10 nanosecondes.

2. Simulation des effets d’électroporation et des effets thermiques
   Dans le modèle tumoral, les chercheurs ont appliqué un champ électrique pulsé via les électrodes, calculé la distribution du champ électrique à l’aide de l’équation de Laplace, et décrit la distribution de température des tissus à l’aide de l’équation de transfert de chaleur biologique. Le modèle de conductivité a utilisé une fonction en échelon lisse (Heaviside Function), prenant en compte l’influence de l’intensité du champ électrique, de la température et du seuil d’électroporation.

3. Effet du changement de direction du champ électrique
   Les chercheurs ont établi pour la première fois une relation linéaire entre l’angle de changement de direction du champ électrique et le seuil IRE, intégrant cette relation dans le modèle. L’angle de changement de direction du champ électrique a été calculé à l’aide de la fonction atan2, ajustant ainsi le seuil IRE pour simuler l’impact du changement de direction du champ électrique sur les effets d’ablation.

4. Effet de l’augmentation de la conductivité dans les régions post-IRE
   Les chercheurs ont amélioré le modèle de conductivité en tenant compte de l’augmentation de la conductivité dans les régions post-IRE lors des impulsions suivantes. Dans ces régions, la conductivité augmente et ne revient pas à sa valeur initiale, influençant ainsi la distribution du champ électrique lors des impulsions ultérieures.

5. Analyse de sensibilité de Sobol
   Afin de quantifier l’impact de l’incertitude des paramètres sur la zone d’ablation, les chercheurs ont utilisé la méthode de Sobol pour analyser la sensibilité de quatre paramètres (seuil IRE pour les impulsions monophasées, seuil IRE pour les impulsions biphasées, conductivité initiale et facteur de croissance de la conductivité).

Résultats principaux

1. Distribution du champ électrique et de la conductivité
   Comparé au modèle traditionnel, le modèle amélioré (Base_TI) présente une légère augmentation du champ électrique dans les régions où la direction du champ change, mais une diminution significative dans les régions IRE. La distribution de la conductivité est également affectée par l’augmentation de la conductivité dans les régions IRE.

2. Changements dans la zone d’ablation
   Le modèle amélioré a réduit de manière significative les zones IRE et d’électroporation. Par rapport au modèle traditionnel, la zone IRE du modèle Base_TI a diminué de 14,40 %, tandis que la zone d’électroporation a diminué de 9,18 %.

3. Analyse de sensibilité
   L’analyse de Sobol a montré que la zone d’ablation est principalement influencée par les seuils IRE des impulsions monophasées et biphasées, tandis que l’impact des paramètres de conductivité est faible.

4. Validation expérimentale
   La validité du modèle a été confirmée par des expériences sur des tranches de pomme de terre. Les résultats expérimentaux sont hautement cohérents avec les prédictions du modèle amélioré, confirmant son efficacité.

Conclusion

Le modèle amélioré présenté dans cette étude intègre pour la première fois le changement de direction du champ électrique et l’augmentation de la conductivité dans les régions post-IRE dans la simulation de l’ablation par IRE, augmentant ainsi considérablement la précision des prédictions des zones d’ablation. Les résultats montrent que le changement de direction du champ électrique et l’augmentation de la conductivité dans les régions post-IRE ont un impact significatif sur la distribution du champ électrique, la distribution de la conductivité et les zones d’ablation. Le modèle amélioré offre un support théorique plus fiable pour la planification clinique du traitement des tumeurs.

Points forts de la recherche

1. Modèle innovant
   Intègre pour la première fois le changement de direction du champ électrique et l’augmentation de la conductivité dans les régions post-IRE dans la simulation de l’IRE, comblant ainsi les lacunes des modèles traditionnels.

2. Haute précision de prédiction
   Le modèle amélioré augmente de manière significative la précision des prédictions des zones d’ablation, offrant des bases plus fiables pour les applications cliniques.

3. Validation expérimentale
   La validité du modèle a été confirmée par des expériences sur des tranches de pomme de terre, renforçant la crédibilité des résultats de la recherche.

Autres informations utiles

La recherche indique également que, dans le futur, il serait possible d’intégrer des séquences d’impulsions et des effets multipulaires dans le modèle pour optimiser davantage les prédictions de l’ablation tumorale.

---

Cette étude fournit un support théorique important pour l’application clinique de la technologie IRE, ayant une valeur scientifique et une signification pratique évidentes. À travers le modèle amélioré, les chercheurs ont ouvert de nouvelles voies pour l’élaboration précise des plans de traitement des tumeurs.