Plant-based models for the optimization of irreversible electroporation treatments

Thomas, Athul; Baumann, Martin; Bruners, Philipp

doi:10.18154/RWTH-2026-08754

Plant-based models for the optimization of irreversible electroporation treatments = Pflanzenbasierte Modelle zur Optimierung irreversibler Elektroporationstherapien

Thomas, Athul^RWTH*

2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Athul Thomas

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2026

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2026, Kumulative Dissertation

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak10

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2026-08-12

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2026-08754
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1041599/files/1041599.pdf

Einrichtungen

Klinik und Lehrstuhl für Diagnostische und Interventionelle Radiologie (936210)

Projekte

ElectroPros - Training research pioneers by utilizing and validating the promise of electroporation for minimal invasive oncological treatments. (813192) (813192)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 610

Kurzfassung
Die Elektroporation ist eine minimalinvasive Krebstherapie, bei der gepulste elektrische Felder (PEFs) verwendet werden, um Zellmembranen zu permeabilisieren – entweder reversibel zur Wirkstoffabgabe bei der Elektrochemotherapie oder irreversibel zur Induktion des Zelltods. Bei der irreversiblen Elektroporation (IRE) zur Ablation von Lebertumoren werden zwei oder mehr Nadelelektroden unter computertomographischer Führung positioniert. Diese liefern üblicherweise 70 unipolare Rechteckimpulse mit einer Hochspannungsfeldstärke von 1000 V/cm sowie typischen Pulsbreiten von 100 µs und -intervallen von 100 ms. Obwohl die IRE eine präzise Tumorablation ermöglicht, bleibt es schwierig, die Behandlungsergebnisse aufgrund ihrer Abhängigkeit von Anatomie, Gewebeheterogenität und Pulsparametern genau vorherzusagen. Daher ist die Integration biophysikalischer Modellierungen in die Behandlungsplanung der IRE wünschenswert, um die Vorhersagbarkeit und Konsistenz der Behandlungsergebnisse zu verbessern. Ein biophysikalisches Modell sollte die Auswirkungen unterschiedlicher PEF-Parameterkombinationen, biologischer Gewebeeigenschaften und patientenspezifischer Anatomie berücksichtigen. In dieser Dissertation wurden pflanzenbasierte Modelle als Surrogate für biologisches Gewebe in experimentellen Studien zu den Effekten gepulster elektrischer Felder genutzt, um eine genaue Gewebecharakterisierung zu ermöglichen, die auf in-vivo-Bedingungen übertragbar ist. Eine solche Charakterisierung unterstützt sowohl die Entwicklung als auch die Optimierung von Elektroporationsverfahren und trägt zur Reduktion von Tierversuchen bei. Zu diesem Zweck wurden drei experimentelle Methoden – visuelle Beurteilung, Magnetresonanztomographie (MRT) und elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS) – hinsichtlich ihrer Fähigkeit untersucht, Unterschiede zwischen PEF-behandelten und unbehandelten Geweberegionen zu messen. Nach der Untersuchung PEF-induzierter visueller Gewebeveränderungen in zehn pflanzenbasierten Modellen untersuchte die erste Studie die MRT als tomographisches Bildgebungsverfahren in den zwei vielversprechendsten Modellen – Apfel und Kartoffel. Ein multiparametrisches Bildgebungsprotokoll, das typische klinische MRT-Sequenzen und Sequenzen zur quantitativen Parameterkartierung umfasste, wurde angewendet, um den Kontrast zwischen elektroporiertem und nicht elektroporiertem Gewebe zu optimieren. Die Kartoffel wurde als das am besten geeignete pflanzenbasierte Modell für die MRT identifiziert. Die T1-Relaxationszeit war der empfindlichste quantitative Marker und zeigte eine Abnahme von 29 % zwischen der elektroporierten Zone und dem umgebenden Gewebe. Die Fluid-Attenuated-Inversion-Recovery-Sequenz erwies sich folglich als optimal für die Darstellung elektroporierter Zonen im Kartoffelgewebe. Darüber hinaus wurden eine Verringerung der T2-Relaxationszeit um 12 % und eine Erhöhung des scheinbaren Diffusionskoeffizienten um 11 % festgestellt. Zur Ergänzung dieser Ergebnisse charakterisierte die zweite Studie die elektrische Antwort von Kartoffelgewebe auf verschiedene PEF-Parameter mithilfe der EIS. Die aus Impedanzmessungen im Bereich von 1 Hz bis 5 MHz abgeleitete elektrische Leitfähigkeit identifizierte 1000 Hz als optimale Frequenz für maximale relative Leitfähigkeitsänderungen zwischen behandelten und unbehandelten Regionen. Bestimmte PEF-Schwellen für einen Elektrodenabstand von 1 cm (Puls-Spannung ≥ 200 V; Pulsanzahl ≥ 10; Pulsbreite ≥ 10 µs; Pulsintervall = 50 ms) waren erforderlich, um eine signifikante Erhöhung der Leitfähigkeit zu induzieren, wobei maximale Effekte bei 700 V, 70 Pulsen, 70 µs und Pulsintervallen von 250 ms und 500 ms beobachtet wurden. Zusammen bilden diese Studien ein Portfolio komplementärer Methoden, das visuelle, MRT- und EIS-Untersuchungen zur Charakterisierung pflanzenbasierter Elektroporationsmodelle verknüpft, gewebespezifische Parameter zur Optimierung von PEF-Einstellungen in multiphysikalischen Simulationen und Werkzeuge zur Bewertung generischer IRE-Verfahren auf den identifizierten optimalen Pflanzensurrogaten bereitstellt und damit die Entwicklung von Elektroporationsgeräten und -behandlungen bei gleichzeitiger Reduktion von Tierversuchen unterstützt.

Electroporation is a minimally invasive cancer therapy that uses pulsed electric fields (PEFs) to permeabilize cell membranes, either reversibly for drug delivery during electrochemotherapy or irreversibly to induce cell death. In irreversible electroporation (IRE) for liver tumor ablation, two or more needle electrodes are inserted under computed tomography guidance. They commonly deliver 70 unipolar square-wave pulses at a high-voltage electric field strength of 1000 V/cm, typically with a pulse width of 100 µs and an interval of 100 ms. Although IRE enables precise tumor ablation, treatment outcomes remain difficult to predict accurately because of their dependence on anatomy, tissue heterogeneity, and pulse parameters. Therefore, integrating biophysical modelling into IRE treatment planning is desirable to improve outcome predictability and treatment consistency. A biophysical model should consider the effects of different PEF parameter combinations, biological tissue properties, and patient-specific anatomy. This thesis used plant-based models as surrogates for biological tissues for experimental studies of PEF effects to provide accurate tissue characterization transferable to in-vivo conditions. Such characterization supports both the development and optimization of electroporation procedures while reducing animal testing. To achieve this goal, three experimental methods - visual evaluation, magnetic resonance imaging (MRI) and electrochemical impedance spectroscopy (EIS) - were assessed for their ability to measure differences between PEF-treated and untreated tissue regions. After investigating PEF-induced visual tissue changes in ten plant-based models, the first study assessed MRI as a tomographic imaging modality in the two most promising ones – apple and potato. A multiparametric imaging protocol, including typical clinical MRI sequences and sequences for quantitative parameter mapping, was applied to optimize contrast between electroporated and non-electroporated tissue. Potato was identified as the most suitable plant-based model for MRI. T1-relaxation time was the most sensitive quantitative marker, yielding a decrease of 29% between the electroporated zone and surrounding tissue. The fluid attenuated inversion recovery sequence, in consequence, was optimal for the depiction of electroporated zones in potato tissue. Other than that, a 12% decrease in the T2 relaxation time and an 11% increase in the apparent diffusion coefficient were found. To complement these findings, the second study characterized the electrical response of potato tissue to various PEF parameters using EIS. Electrical conductivity derived from impedance measurements across 1 Hz–5 MHz identified 1000 Hz as the optimal frequency for maximum relative conductivity change between treated and untreated regions. Specific PEF thresholds for a 1 cm electrode gap (pulse voltage ≥ 200 V; number of pulses ≥ 10; pulse width ≥ 10 µs; pulse interval = 50 ms) were required to induce significant conductivity increases, with maximum effects observed at 700 V, 70 pulses, 70 µs, and pulse intervals of 250 ms and 500 ms. Together, these studies form a portfolio of complementary methodologies that link visual, MRI, and EIS investigations to characterize plant-based electroporation models, providing tissue-specific parameters for optimizing PEF settings in multiphysics simulations and tools to assess generic IRE procedures on the identified optimal plant surrogates, thereby supporting the development of electroporation devices and treatments while reducing animal testing.

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