La electroporación irreversible (IRE) es una técnica de ablación de tejidos blandos que utiliza campos eléctricos ultra cortos, pero efectivos, para crear nanoporos permanentes y, por lo tanto, letales en la membrana celular, para alterar la homeostasis celular. La muerte celular resultante es consecuencia de la apoptosis o la necrosis inducida por la ruptura de la membrana o por la descomposición secundaria de la membrana debido a la transferencia transmembrana de electrolitos y adenosintrifosfato. El principal uso de la IRE radica en la ablación tumoral en regiones en las que la precisión y conservación de la matriz extracelular, del flujo sanguíneo y de los nervios son importantes. La primera generación de IRE para uso clínico, como sistema NanoKnife, se dispuso a uso comercial con fines de investigación en 2009, exclusivamente para la ablación quirúrgica de tumores de tejidos blandos. La ablación de tejido canceroso a través de IRE parece presentar respuestas inmunológicas significativas específicas para el cáncer que están siendo evaluadas actualmente, tanto por sí solas, como combinadas con inmunoterapia contra el cáncer.

Historia Las primeras observaciones de los efectos de la IRE se remontan a 1898. Nollet, en las primeras observaciones sistemáticas, informó de la aparición de manchas rojas tanto en piel humana, como animal, que habían estado expuestas a chispas eléctricas. Sin embargo, su uso para la medicina moderna comenzó en 1982 con el influyente trabajo de Neumann y sus compañeros. Se utilizaron campos eléctricos pulsados para permeabilizar temporalmente las membranas celulares con el fin de proporcionar ADN extraño a las células. En la década siguiente, la combinación de campos eléctricos pulsados de alto voltaje con el fármaco quimioterápico, llamado bleomicina; y con ADN, dio como resultado nuevas aplicaciones clínicas: electroquimioterapia y electrotransferencia génica, respectivamente.

Mecanismo Uso de campos eléctricos ultra cortos pero muy fuertes, de inducen microporos y nanoporos en las bicapas de fosfolípidos que forman las membranas celulares externas. Pueden producirse dos tipos de daños:

- Electroporación reversible (RE): Se forman vías temporales limitadas para el transporte molecular a través de nanoporos, pero, tras finalizar el pulso eléctrico, el transporte cesa y las células siguen siendo viables. Las aplicaciones médicas son, por ejemplo, la introducción local de medicamentos citotóxicos intracelulares, como la bleomicina (electroporación y electroquimioterapia).

- Electroporación irreversible (IRE): tras cierto grado de daño por electroporación en las membranas celulares, la fuga de contenido intracelular resulta demasiado grave o el proceso de sellado de la membrana celular es demasiado lento. Esto deja las células sanas y/o cancerosas dañadas irreversiblemente. Estas mueren por apoptosis o por vías necróticas inducidas de manera intracelular, única para esta técnica de ablación. Es necesario afirmar que, aunque el método de ablación se acepta generalmente como apoptosis, algunos hallazgos parecen no estar de acuerdo con una muerte celular apoptótica pura, lo que da como resultado que el proceso exacto por el que la IRE causa la muerte celular sea difuso. En cualquier caso, todos los estudios aseguran que la muerte celular es aquella inducida con las células que mueren durante un período que puede variar de horas a días y que no depende del calentamiento extremo local ni de la fusión del tejido mediante deposiciones altamente energéticas, como la mayoría de las tecnologías de ablación (ver ablación por radiofrecuencia, ablación por microondas, ultrasonido focalizado de alta intensidad).

Cuando se aplica un campo eléctrico de más de 0,5 V/Ca al potencial transmembranal en reposo, se supone que el agua entra en la celda durante este colapso dieléctrico. Se forman poros hidrófilos. Una simulación de dinámica molecular llevada a cabo por Tarek ilustra esta propuesta de formación del poro en dos pasos:

Tras la aplicación de un campo eléctrico, las moléculas de agua se alinean en una sola fila y penetran en el centro hidrofóbico de la membrana lipídica de la bicapa.

Estos canales de agua continúan creciendo en longitud y diámetro y se expanden hacia los poros llenos de agua, en cuyo punto están estabilizados por los grupos lipídicos que se desplazan desde la interconexión membranal acuosa hasta el medio de la bicapa. Se propone que, a medida que aumenta el campo eléctrico aplicado, mayor es la perturbación de los grupos de fosfolípidos, que, a su vez, aumenta el número de poros llenos de agua. Todo este proceso puede ocurrir en un lapso de pocos nanosegundos. El tamaño medio de los nanoporos es probablemente específico de cada tipo celular. En hígados porcinos, tienen una media de aproximadamente 340-360 nm, como se demostró con el uso de MEB. Se describió un modo secundario de muerte celular a partir de un colapso de la membrana debido a la transferencia transmembrana de electrolitos y adenosintrifosfato. También se demostró que otros efectos, como el calor o la electrólisis, juegan un papel en los actuales protocolos de pulso IRE aplicados clínicamente.

Ventajas y desventajas potenciales

Ventajas de la IRE

Selectividad del tejido: conservación de estructuras vitales dentro del campo de tratamiento. Su capacidad de preservar estructuras vitales dentro de la zona estabilizada por la IRE. En todos los tejidos hepáticos extirpados mediante IRE, se preservaron correctamente estructuras críticas, como las arterias y venas hepáticas, las venas porta y los conductos biliares intrahepáticos. Con la IRE, la muerte celular sucede por apoptosis. Las estructuras que consisten principalmente en proteínas, como las estructuras vasculares elásticas y colágenas, así como las proteínas de matriz peri-celular, no sufren los efectos de las corrientes. Se conservan las estructuras vitales y de andamiaje (como los grandes vasos sanguíneos, la uretra o las conductos biliares intrahepáticos). La capa eléctricamente aislante de mielina, que rodea las fibras nerviosas, protege, en cierto grado, los fascículos nerviosos de los efectos de la IRE. No se conoce hasta qué punto los nervios permanecen afectados o son capaces de regenerarse.

Márgenes de la zona de ablación aguda: Se acepta que la zona de transición entre el área electroporada reversible y el área electroporada irreversible afecte solo a unas pocas capas celulares. Considerando que las zonas de transición en las técnicas de ablación basadas, tanto en radiación, como térmicas, son inexistentes. Además, la ausencia del efecto de disipación del calor, que es causa de muchos problemas y fracasos terapéuticos, resulta beneficiosa y aumenta la predictibilidad del campo de tratamiento. Geométricamente, el concepto multielectrodo habilita campos de tratamiento más bien complejos.

Ausencia de necrosis inducida térmicamente: La duración relativa al tiempo del pulso corto entre los pulsos previene el efecto joule en el tejido. En consecuencia, debido al diseño, no cabe esperar ningún daño en las células necróticas (excepto por la posibilidad de una aproximación cercana a la aguja). Por lo tanto, la IRE no tiene ninguno de los efectos secundarios típicos a corto y largo plazo asociados con la necrosis.

Duración corta del tratamiento: Un tratamiento estándar dura menos de 5 minutos. Esto no incluye que la colocación posiblemente complicada de electrodos pueda requerir el uso de muchos electrodos y la reposición de algunos de ellos durante el procedimiento.

Monitorización en tiempo real: El volumen del tratamiento puede visualizarse en cierto grado, tanto durante como después del tratamiento. Los posibles métodos de visualización son ultrasonido, IRM y TC. Respuesta inmunológica: parece que la IRE provoca una respuesta inmunológica más fuerte que otros métodos de ablación que se están estudiando actualmente para su uso en combinación con enfoques inmunoterapéuticos del cáncer.

Desventajas de la IRE

Contracciones musculares fuertes: Los fuertes campos eléctricos creados por IRE, debido a la estimulación directa de la sinapsis neuromuscular, causan fuertes contracciones musculares que requieren anestesia especial y parálisis corporal total.

Ablación incompleta dentro de tumores localizados: El umbral original de células para IRE fue aproximadamente 600 V/cm con 8 pulsos, una duración del pulso de 100 μs, y una frecuencia de 10 Hz. Más tarde, Qin et al. descubrieron que, incluso a 1 300 V/cm con 99 pulsos, con una duración de 100 μs y 10 Hz, todavía había islas de células tumorales viables dentro de regiones extirpadas. Esto indica que el tejido tumoral puede responder de manera diferente a la IRE que el parénquima sano. El mecanismo de muerte celular tras el uso de IRE depende de la apoptosis celular, que resulta de la formación de poros en la membrana celular. Las células tumorales, conocidas por ser resistentes a las vías apoptóticas, pueden requerir umbrales más altos de energía para ser tratadas adecuadamente. Sin embargo, la recidiva evaluada en estudios clínicos sugiere un índice de recidiva bastante bajo y una supervivencia global superior cuando se compara con otras modalidades de ablación.

Entorno local: La conductividad del entorno local influye fuertemente en los campos eléctricos de IRE. La presencia de metal, por ejemplo, con endoprótesis biliares, puede provocar varianzas en la deposición de energía. Varios órganos, como los riñones, también están sujetos a zonas de ablación irregulares, debido al aumento de la conductividad de la orina.

Uso en la práctica médica Se colocan varios electrodos con forma de agujas largas alrededor del volumen blanco. El punto de penetración de los electrodos se elige según condiciones anatómicas. La creación de imágenes es esencial para la colocación y puede lograrse mediante ultrasonido, formación de imágenes por resonancia magnética o tomografía. Después, las agujas se conectan al generador IRE, que luego procede a construir secuencialmente una diferencia potencial entre dos electrodos. La geometría del campo de tratamiento IRE se calcula en tiempo real y puede ser influenciada por el usuario. Dependiendo del campo de tratamiento y del número de electrodos utilizados, la ablación dura entre 1 y 10 minutos. En general, se administran relajantes musculares, ya que, incluso bajo anestesia general, la excitación de la placa motora induce fuertes contracciones musculares.

Parámetros típicos (sistema IRE de 1ª generación):

- Número de pulsos por tratamiento: 90

- Longitud del pulso: 100 μs

- Intermitencia entre pulsos: 100 a 1000 ms

- Fuerza de campo: 1 500 volt/cm

- Corriente: Ca. 50 A (tejido y geometría dependientes)

- Volumen máximo de ablación usando dos electrodos: 4 × 3 × 2 cm³. Los campos eléctricos fuertes y poco pulsados se inducen a través de electrodos finos, estériles y desechables. Las posibles diferencias son calculadas y aplicadas por un sistema informático entre estos electrodos conforme a un campo de tratamiento previamente planificado.