Известия Саратовского университета. Новая серия.

Серия Математика. Механика. Информатика

ISSN 1816-9791 (Print)
ISSN 2541-9005 (Online)


Для цитирования:

Kim R. P., Korchagin S. A. Mathematical and computer simulation of the electrophysical properties of a multicellular structure exposed to nanosecond electrical pulses [Ким Р. П., Корчагин С. А. Математическое и компьютерное моделирование электрофизических свойств многоклеточной структуры при воздействии наносекундных электрических импульсов] Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2021. Т. 21, вып. 2. С. 259-266. DOI: 10.18500/1816-9791-2021-21-2-259-266


Опубликована онлайн: 
31.05.2021
Полный текст:
(downloads: 12)
Язык публикации: 
английский
Рубрика: 
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
517.98
DOI: 
10.18500/1816-9791-2021-21-2-259-266

Mathematical and computer simulation of the electrophysical properties of a multicellular structure exposed to nanosecond electrical pulses
[Математическое и компьютерное моделирование электрофизических свойств многоклеточной структуры при воздействии наносекундных электрических импульсов]

Авторы: 
Ким Роман Павлович, Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.
Корчагин Сергей Алексеевич, Финансовый университет при Правительстве Российской Федерации
Аннотация: 

В статье приводятся математические и компьютерные модели, позволяющие исследовать электрофизические свойства (диэлектрическую проницаемость, импеданс) многоклеточной структуры при воздействии наносекундных электрических импульсов. В работе предлагается подход моделирования, включающий в себя комплексное использование классической теории описания электродинамических свойств дисперсных систем и теории эффективной среды. Для описания геометрии клеток используются формулы Джилиса, которые позволяют учитывать неправильные формы клеточных мембран. Проведен вычислительный эксперимент с моделями клеток по исследованию частотных зависимостей диэлектрической проницаемости и импеданса при воздействии наносекундных электрических импульсов. Изучено влияние мембранной пористости на проводимость и диэлектрическую проницаемость клетки. Проведено компьютерное моделирование механизма электропорации плазматической мембраны. Полученные результаты будут полезны для более глубокого понимания фундаментальных процессов, происходящих в клеточной мембране при импульсном электрическом воздействии, и могут использоваться в различных практических приложениях, таких как адресная доставка лекарств, включения генов ДНК и РНК в бактериальные клетки и клетки млекопитающих, а также избирательном уничтожении раковых клеток.

Список источников: 
  1. Lv Y., Yao C., Rubinsky B. A. Conceivable mechanism responsible for the synergy of high and low voltage irreversible electroporation pulses. Annals of Biomedical Engineering, 2019, vol. 47, no. 7, pp. 1552–1563. https://doi.org/10.1007/s10439-019-02258-5
  2. Gupta R., Rai B. Electroporation of skin stratum corneum lipid bilayer and molecular mechanism of drug transport: A molecular dynamics study. Langmuir, 2018, vol. 34, no. 20, pp. 5860–5870. https://doi.org/10.1007/s10439-019-02258-5
  3. van Veldhuisen E., Vogel J. A., Klaessens J. H., Verdaasdonk R. M. Thermal Effects of Irreversible Electroporation. In: M. Meijerink, H. Scheffer, G. Narayanan, eds. Irreversible Electroporation in Clinical Practice. Springer, Cham, 2018, pp. 121–136. https://doi.org/10.1007/978-3-319-55113-5_9
  4. Yao C., Liu H., Zhao Y., Mi Y., Dong S., Lv Y. Analysis of dynamic processes in single-cell electroporation and their effects on parameter selection based on the finiteelement model. IEEE Transactions on Plasma Science, 2017, vol. 45, iss. 5, pp. 889–900. https://doi.org/10.1109/TPS.2017.2681433
  5. Rolong A., Davalos R. V., Rubinsky B. History of Electroporation. In: Meijerink M., Scheffer H., Narayanan G., eds. Irreversible Electroporation in Clinical Practice. Springer, Cham, 2018, pp. 13–37. https://doi.org/10.1007/978-3-319-55113-5_2
  6. Royer H. D. Centenary Nobel prize in physiology or medicine for the cell cycle. Journal of Molecular Medicine, 2001, vol. 79, pp. 683–685. https://doi.org/10.1007/s00109-001- 0303-5
  7. 7. Cao Y., Enbo Ma E., Cestellos-Blanco S., Zhang B., Qiu R., Su Y., Doudna J. A., Yang P. Nontoxic nanopore electroporation for effective intracellular delivery of biological macromolecules. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 2019, vol. 116, no. 16, pp. 7899–7904. https://doi.org/10.1073/pnas.1818553116
  8. Korchagin S. A., Terin D. V. Research electrodynamic properties of layered composite the fractal structure. 2016 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). Saratov, 2016, pp. 1–4. https://doi.org/10.1109/APEDE.2016.7879012
  9. Kim R. P., Romanchuk S. P., Terin D. V., Korchagin S. A. The use of a genetic algorithm in modeling the electrophysical properties of a layered nanocomposite. Izvestiya of Saratov University. New Series. Series: Mathematics. Mechanics. Informatics, 2019, vol. 19, iss. 2, pp. 217–225. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2019-19-2-217-225
  10. Mescia L., Chiapperino M. A., Bia P., Lamacchia C. M., Gielis J., Caratelli D. Design of electroporation process in irregularly shaped multicellular systems. Electronics, 2019, vol. 8, no. 1, pp. 37. https://doi.org/10.3390/electronics8010037
  11. Sack M., Mueller G. Scaled design of PEF treatment reactors for electroporation-assisted extraction processes. Innovative Food Science and Emerging Technologies, 2016, vol. 37, pt. C, pp. 400–406. https://doi.org/10.1016/j.ifset.2016.09.005
  12. Terin D. V., Korchagin S. A., Romancuk S. P., Onosov I. A. Influence of the depth of fractal on the frequency dependence of inpedance in constructing models of composite materials. 2014 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE). Saratov, 2014, pp. 258–259. https://doi.org/10.1109/APEDE.2014.6958756
  13. Romanchuk S. P., Terin D. V., Klinayev Yu. V., Katz A. M. Mathematical modelling of structures and interaction processes of electromagnetic radiation with core-shell nanoobjects. Vestnik Saratov State Technical University, 2011, vol. 4, iss. 2 (60), pp. 98–102 (in Russian).
  14. Warindi, Hadi S. P., Berahim H., Suharyanto. Impedance measurement system of a biological material undergoing pulsed electric field exposed. Procedia Engineering, 2017, vol. 170, pp. 410–415. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2017.03.066
Поступила в редакцию: 
14.05.2020
Принята к публикации: 
12.10.2020
Опубликована: 
31.05.2021