Non-focal non-thermal electrical methods for cancer treatment

Abstract

Most physical ablation modalities for cancer treatment are focal and are based on thermal damage. Despite their regular clinical use as an alternative to surgical resection, their thermal principle of operation entails risks regarding the preservation of neighboring vital structures, such as large vessels, critical ducts or nerves. In addition, being focal, their use is unpractical in cases where multiple nodules are present or tumors are difficult to reach with the applicators. This thesis explores non-thermal electrical treatments which can be applied in a non-focal manner. Two treatments have been investigated: the first treatment, proposed by others a few years ago, is based on the permanent application of low magnitude alternating electric fields through surface electrodes. Here, this treatment has been in vivo studied to evaluate its efficacy as well as to discern whether it is non-thermally mediated. The second electrical treatment is based on the electroporation phenomenon and targets liver tumor nodules. Electroporation-based therapies employ brief high magnitude electric fields. These pulsed fields, alone or in combination with chemotherapeutic drugs, are able to kill cells by increasing their membrane permeability. Current electroporation-based therapies for internal tumors are local and are delivered through needle-shaped electrodes. Rather than using needle electrodes to treat liver tumors, here it is explored a novel treatment in which large plate electrodes are used to deliver the field across the whole liver in a non local fashion. The treatment aims at simultaneously destroying all tumors while preserving healthy tissue. Its efficacy is based on selectively enhancing the electric field over the tumors by infusing a solution with high electrical conductivity. The proposed treatment for liver tumors requires a high performance generator which is not currently available. The work presented here includes the design of a new generator topology able to fulfill the requirements.

La majoria del mètodes físics d'ablació tumoral es basen en produir dany tèrmic de manera focalitzada. Tot i ser considerats una alternativa habitual a la resecció quirúrgica, el principi tèrmic de funcionament, comporta un risc per la preservació d'estructures vitals adjacents a la zona de tractament, tals com grans vasos o nervis. A més, el fet de ser focals, fa impracticable la seva aplicació en cas de múltiples nòduls o tumors de difícil accés.

Aquesta tesi explora tractaments elèctrics no basats en temperatura, capaços de ser aplicats de manera no focal. S'han investigat dos tractaments: El primer, proposat per altres fa pocs anys, està basat en aplicar permanentment camps elèctrics alterns de baixa magnitud a través d'elèctrodes superficials. Aquí, aquest tractament s'ha estudiat in vivo tant per avaluar la seva eficàcia com per discernir si aquesta resideix en la temperatura. El segon tractament es basa en el fenomen d'electroporació i persegueix el tractament de nòduls hepàtics. En els tractaments basats en electroporació, s’apliquen breus camps elèctrics de gran magnitud per tal de permeabilitzar la membrana cel·lular. Això permet la penetració d’agents quimioterapèutics o produeix directament la mort cel·lular. En lloc d'utilitzar, com és habitual, agulles per tal d'aplicar el tractament, aquí s'explora tractar tot el fetge de forma no localitzada, fent servir grans elèctrodes plans i paral·lels. Utilitzant solucions d'alta conductivitat elèctrica, es pretén magnificar selectivament el camp elèctric sobre els tumors, sent així capaços de destruir tots els tumors i alhora preservar el teixit sà.

El tractament proposat per els tumors hepàtics, requereix d'un equip generador actualment no disponible. El presentat treball inclou el disseny d'una nova topologia de generadors capaç de complir amb els requisits.