Irreversible electroporation, electrochemotherapy and calcium electroporation on hepatocellular carcinoma cells in vitro

Lindelauf, Kim Hella Carla; Baumann, Martin; Bruners, Philipp

doi:44596

Irreversible electroporation, electrochemotherapy and calcium electroporation on hepatocellular carcinoma cells in vitro = Irreversible Elektroporation, Elektrochemotherapie und Calcium Elektroporation an hepatozellulären-Karzinom-Zellen in Vitro

Lindelauf, Kim Hella Carla^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Kim Hella Karla Lindelauf, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

Hauptberichter/Gutachter
Bruners, Philipp (Thesis advisor)^RWTH* ; Baumann, Martin (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-07-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-07181
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1017175/files/1017175.pdf

Einrichtungen

Lehr- und Forschungsgebiet Interventionelle Radiologie (951320 ; 951310)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
ECT (frei) ; ESOPE (frei) ; HepG2 (frei) ; IRE (frei) ; RE (frei) ; calcium electroporation (frei) ; cell permeabilization (frei) ; electric field (frei) ; electrochemotherapy (frei) ; hepatic cancer (frei) ; minimally invasive (frei) ; thermal effects (frei) ; viability (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Das hepatozelluläre Karzinom ist in vielen Teilen der Welt eine der häufigsten krebsbedingten Todesursachen und die bisher etablierten Behandlungsmöglichkeiten sind nicht immer wirksam oder überhaupt durchführbar. Daher wurden mehrere minimal-invasiven Therapiemöglichkeiten entwickelt, wobei die neusten Verfahren dabei auf den biologischen Effekt der Elektroporation setzen. Dabei werden Zellmembranen einem von außen angelegten gepulsten elektrischen Feld mit ausreichender Feldstärke ausgesetzt, das sogenannte Nanoporen in der Lipiddoppelschicht der Zellmembran erzeugt. Diese Defekte in der Zellwand können entweder irreversibel sein (irreversible Elektroporation (IRE)), was zur Apoptose führt, oder reparabel (reversible Elektroporation (RE)), d. h. die Zellfunktion bleibt erhalten und die Zellwand repariert sich selbst. In der Tumortherapie wird die IRE eingesetzt, um Tumorzellen innerhalb eines Organs durch Apoptose zu töten. RE wird eingesetzt, um die Diffusion eines Chemotherapeutikums während der Elektrochemotherapie (ECT) zu erhöhen; Die Zellen sterben durch das eingebrachte Chemotherapeutikum, nicht durch die erzeugten Nanoporen. Die ECT ist in der Klinik für die Behandlung von (sub)kutanen Tumoren etabliert, und ihr Behandlungsprotokoll wurde im Rahmen der „European Standard Operating Procedure on Electrochemotherapy“ (ESOPE) standardisiert. Aufgrund der häufigen Nebenwirkungen von Chemotherapeutika konzentrieren sich die aktuelle Forschung auf die Untersuchung nicht-zytotoxischer Wirkstoffe wie Kalzium zur Herbeiführung des Zelltods (Kalzium-Elektroporation (CaEP)). Sowohl bei der IRE als auch bei RE-basierenden Therapien hängt der Erfolg der Behandlung von der Wahl der geeigneten Pulsparameter des angelegten elektrischen Feldes ab, insbesondere der elektrischen Feldstärke und die Anzahl der Impulse.Ziel der ersten Studie war es daher die Pulsparameter und Schwellenwerte für IRE und RE bei hepatozellulären Karzinomzellen (HepG2) in vitro zu bestimmen. Ein IRE-Pulsprotokoll (70 Pulse, 100 µs Pulslänge, 100 ms Intervall) mit einer elektrischen Feldstärke von 4000 V/cm wurde als Schwellenwert für den nahezu vollständigen Zelltod von HepG2-Zellen benötigt. Ein RE-Impulsprotokoll (8 Impulse, 100 µs Impulslänge, 1000 ms Intervall) mit einer elektrischen Feldstärke von 1000 V/cm, das dem ESOPE-Protokoll entspricht, wurde als Schwellenwert für permeabilisierte, aber vitale HepG2-Zellen benötigt. Basierend auf den Ergebnissen wurde in einer zweiten Studie an HepG2-Zellen in vitro die Wirksamkeit von ECT mit den Chemotherapeutika Bleomycin oder Cisplatin (0-20 µM), und CaEP (0-20 mM) bestimmt. ECT mit Bleomycin oder Cisplatin als auch CaEP waren bei der Minimierung der Vitalität von HepG2-Zellen in vitro unter Verwendung des ESOPE-Protokolls wirksamer als die alleinige Zugabe des jeweiligen Stoffes ohne Elektroporation. Beim Vergleich der ECT sind die HepG2-Zellen empfindlicher gegenüber Bleomycin als gegenüber Cisplatin. CaEP hat in ähnlichen Konzentrationen die gleiche Wirksamkeit wie ECT mit Bleomycin und erreicht den (fast) vollständigen Tod von HepG2-Zellen bei den niedrigsten Konzentrationen von 2,5 mM bzw. 2,5 µM, aber Kalzium ist schonender für den Patienten und hat mehrere Behandlungsvorteile.

Hepatocellular carcinoma is a leading cause of cancer-related death in many parts of the world. Traditional treatment options are not always effective, or even possible. During the promising minimally invasive electroporation-based therapies, biological cell membranes are exposed to an external applied, sufficiently high, pulsed electric field which creates so called nanopores into the lipid bilayer of the cell membrane. These nanopores can either be permanent (irreversible electroporation (IRE)), leading to apoptosis, or repairable (reversible electroporation (RE)), with continued cell function. In tumor therapy, IRE is used, to kill the cancer cells inside multiple organs through apoptosis directly. RE is used to increase the diffusion of a chemotherapeutic drug during electrochemotherapy (ECT), the cells die due to the chemotherapeutic agent introduced, not due to the nanopores created. ECT is established in the clinic for the treatment of (sub)cutaneous tumors, and its treatment protocol has been standardized in the framework of the European Standard Operating Procedure on Electrochemotherapy (ESOPE). Due to common side effects of chemotherapeutic drugs, recent advances focus on the investigation of non-cytotoxic agents, such as calcium to induce cell death (calcium electroporation (CaEP)). For both IRE and RE based therapies, the success of the treatment is dependent on selecting the appropriate pulse parameters of the applied electric field, especially the electric field strength and number of pulses. Therefore, the first study aimed to define the pulse parameters and thresholds for IRE and RE on hepatocellular carcinoma (HepG2) cells in vitro. An IRE pulsing protocol (70 pulses, 100 µs pulse length, 100 ms interval) with an electric field strength of 4000 V/cm was needed as threshold for almost complete cell death of HepG2 cells. A RE pulsing protocol (8 pulses, 100 µs pulse length, 1000 ms interval) with an electric field strength of 1000 V/cm, in correspondence with the ESOPE protocol, was needed as threshold for viable and permeabilized HepG2 cells. Based on the results, the efficacy of ECT with the chemotherapeutic drugs bleomycin or cisplatin (0-20 µM), and CaEP (0-20 mM) was determined in a second study on HepG2 cells in vitro. ECT with bleomycin or cisplatin, and also CaEP were more effective in reducing the HepG2 cell viability in vitro using the ESOPE protocol compared to the non-electroporated drug treatments alone. When comparing ECT, HepG2 cells are more sensitive to bleomycin than cisplatin, in similar concentrations. CaEP has the same effectiveness as ECT with bleomycin, reaching (almost) complete HepG2 cell death in the lowest concentrations of 2.5 mM and 2.5 µM respectively, but calcium potentially has a better safety profile and several treatment advantages.

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