Univerza v Ljubljani
Seminarska
naloga:

Mentor: Avtorica:
dr. Zvonko Jagličić Vanja
Aš
Novo mesto, maj 2003
1. RAZVOJ ELEKTROPORACIJE DO DANES
V petdesetih in šestdesetih letih se je
pojavila vrsta publikacij, ki so opisovale, da zunanje električno polje lahko
vsili velik membranski potencial na obeh polih celice. Raziskovalci so vedeli,
da lahko zelo veliko električno polje povzroči celično smrt. Sale in Hamilton
sta s poskusi na različnih bakterijah in eritrocitih ugotovila, da lahko
transmembranski potencial, ki doseže kritično vrednost, povzroči spremembe v
strukturi membrane, katerih rezultat je izguba polprepustnosti. Kritično vrednost
transmembranskega potenciala sta izračunala iz povprečnega premera celic in
električne poljske jakosti, ki je povzročila uničenje 50 % celic v opazovani
populaciji. Izračunane vrednosti vsiljene spremembe transmembranskega
potenciala so se pri vseh opazovanih celicah vrtele okrog enega volta.
Proti koncu sedemdesetih so odkrili, da
električno polje, ki ga dovedemo v obliki zelo kratkega pulza , sicer poruši
polprepustno strukturo membrane, vendar celica lahko to popravi in vzpostavi
prvotno stanje.
V začetku osemdesetih so se pojavila
poročila, da lahko ob permeabilizaciji membrane v celico vstopijo različne
majhne molekule, kot so ioni, barvila in sladkorji, kasneje pa tudi o vnosu
različnih makromolekul, kot so DNA in zdravila.
2. VPLIV ELEKTRIČNEGA POLJA NA CELICE
Homogeno električno polje deluje na
nabite delce s silo, ki je sorazmerna električni poljski jakosti. Nenabite
delce skuša električno polje deformirati. V nehomogenem električnem polju na
nenabite delce deluje sila, ki povzroči njihovo gibanje. V električnem polju
lahko torej pride do gibanja celic, celice zaradi prisotnosti električnega
polja spremenijo obliko, se uredijo v verige in se v polju orientirajo.
Pulzirajoče električno polje povzroči povezavo dveh ločenih membran v eno,
zlitje celic poveča prepustnost celične membrane in membran celičnih organelov.
Pojav povečanja prepustnosti celične membrane imenujemo elektroporacija oziroma
elektropermeabilizacija, uporablja pa se za vnos različnih snovi v celice.
3. ELEKTROPORACIJA – OPIS POJAVA
Elektroporacija je pojav, pri katerem
zaradi prisotnosti že kratkotrajnega visokonapetostnega električnega pulza v
celični membrani nastajajo strukturne spremembe, ki jih imenujemo »pore«. Ob
zadostnem številu le-teh in njihovi ustrezni velikosti se poveča prepustnost
plazmaleme (= celična membrana).
Plazmalemo tvori tanka, tekoča dvojna
plast posebnih maščob, v kateri se nahajajo številne beljakovine, ki opravljajo
najrazličnejše naloge. Med njimi so tudi takšne, ki skrbijo za prenos
snovi prek membrane. Vsaka od teh
beljakovin omogoča le prenos ene same snovi, zato je plazmalema selektivno
prepustna, kar celici omogoča, da nadzira izmenjavo snovi med svojo
notranjostjo in okolico. S tem celica v svoji notranjosti vzdržuje sorazmerno
stabilne pogoje ne glede na spremembe v okolici, snovi, ki jih v naravi ne
zasledimo, pa praktično ne morejo vstopiti. Poleg izredno nizke prepustnosti za
tuje molekule ima plazmalema tudi zelo nizko električno prevodnost tako v
primerjavi z notranjostjo celice kot z njeno okolico. Če na celico deluje
električno polje, se plazmalema obnaša kot izolator, na njej pa nastane t.i.
vsiljena transmembranska napetost.
Zanimivo je, da kratkotrajna vsiljena
transmembranska napetost (do nekaj sto milivoltov) ne povzroči opaznih
posledic. Če pa ta napetost preseže neko kritično vrednost, ki znaša v
različnih pogojih med 200 mV in 1 V, se prepustnost in prevodnost plazmaleme
skorajda v trenutku močno povečata. Plazmalema začne takrat neselektivno
prepuščati vse vrste molekul in ionov. Če amplituda in trajanje napetostnih
pulzov nista prevelika, pride po končanem električnem pulzu do spontane
zacelitve plazmaleme in ponovne vzpostavitve selektivne prepustnosti
plazmaleme-reverzibilna/povratna elektroporacija. V kolikor pa uporabimo
premočne ali predolge pulze, pa do zacelitve plazmaleme ne pride in celica
odmre. V tem primeru govorimo o ireverzibilni/nepovratni elektroporaciji.
Zaradi zunanjega električnega polja se transmembranski potencial spremeni
v nekaj mikrosekundah. Če je sprememba transmembranskega potenciala dovolj
velika, se zaradi nje spremeni struktura membrane. Sprememba transmembranskega
potenciala je premosorazmerna jakosti električnega polja in velikosti celice,
ter je odvisna od položaja na membrani. Čim bolj pravokotno tokovnice
električnega polja prebadajo površino celice, tem večja je na tem mestu
sprememba transmembranskega potenciala. Prepustnost
celične membrane nastopi pri pragovni vrednosti transmembranskega potenciala.
Pragovna vrednost transmembranskega potenciala pa znaša približno
1 V.
Strukturne spremembe v
celični membrani, ki nastanejo v prisotnosti električnega poIja, so nekakšen
tristopenjski proces. Pojavijo se ob pragovni transmembranski napetosti, ki
zahteva pragovno vrednost jakosti zunanjega električnega polja. Strukturne
spremembe se med prisotnostjo zunanjega električnega polja večajo oziroma
množijo. To so kratkotrajne spremembe v strukturi celične membrane. Ko zunanje
električno polje izključimo, se lahko kratkotrajne strukturne spremembe
preuredijo v osnovno stanje, ali pa v nekaj mikrosekundah zavzamejo stabilno
konfiguracijo. Tako nastale spremembe imenujemo dolgotrajne, saj se le počasi
(tudi nekaj 10 minut) preuredijo v izhodiščno stanje (slika 1).

Slika 1. Shema por v membrani.
Povečanje prepustnosti
membrane, ki ga povzroči električno polje, omogoča vstop v celico različnim
molekulam, od preprostih ionov do makromulekul. Kako bo molekula prišla v
celico, pa je odvisno od njene velikosti, molekularne teže in naboja. Ko se prične
povečevati prepustnost membrane, se vnos molekul povečuje z višanjem električne
poljske jakosti in hitro doseže največjo vrednost (plato). Pri nizkih jakostih
električnega polja je transport nadzorovan z nekim od električnega polja
odvisnim procesom. Pri višjih električnih poljskih jakostih, to je tistih, pri
katerih dosežemo plato vnosa molekul, pa transport ni več odvisen od jakosti
električnega polja, saj lahko majhne molekule dodamo v celično okolico tudi po
aplikaciji električnega polja; torej so za njihov vnos odločilne dolgotrajne
spremembe v celični membrani, ki jih lahko povzročimo že s kratkimi
električnimi pulzi. Makromolekule (protitelesa, encimi, nukleinske kisline,
nekatera zdravila) pa vstopijo v celico le v primeru, če so prisotne že med
aplikacijo električnega polja; torej so za njihov vnos odločilne kratkotrajne
spremembe v strukturi membrane. Makromolekule zato potrebujejo dlje trajajoče
pulze ali večje število krajših pulzov. Koliko molekul bo med prisotnostjo
električnega polja prišlo v celico, je odvisno od njihove molekularne teže;
težjih molekul bo v celico vstopilo manj kot lažjih.
Višja je jakost
električnega polja, več celic je elektroporiranih. Toda hkrati se povečuje tudi
delež celic, ki jih močno električno polje uniči (slika 2). Kadar je jakost
električnega polja zelo velika, elektroporacije ne preživi nobena celica.

Slika 2. Delež živih, flourescentnih in mrtvih celic v
odvisnosti od napetosti. Celice so bile izpostavljene osmim pulzom dolžine
100ms ob prisotnosti propidijevega jodida.
3.1. DEJAVNIKI, KI VPLIVAJO NA ELEKTROPORACIJO
Na elektroporacijo
in povečanje prepustnosti celične membrane ter vnos eksogenih/zunanjih molekul
vplivajo številni dejavniki:
Ø električni parametri:
- jakost električnega polja
-
trajanje pulza
-
število pulzov
-
frekvenca aplikacije pulzov
Ø drugi
dejavniki: - prevodnost medija
- ozmotski tlak
- popolnost celičnega skeleta
3.1.1. PARAMETRI ELEKTRIČNEGA
POLJA
Elektroporacijo celice
dosežemo tako, da damo celico v električno polje z ustrezno električno poljsko
jakostjo. Električna poljska jakost mora biti višja od pragovne in hkrati dovolj
nizka, da plazmaleme ne poškoduje trajno.
Pri električni poljski
jakosti, ki je višja ali enaka pragovni, tako povečanje števila pulzov (slika
3), kot tudi podaljšanje trajanja pulzov (slika 4) izboljša učinkovitost
permeabilizacije; seveda le do nekega platoja, ki ga dosežemo že pri relativno
majhni vrednosti tako trajanja kot števila pulzov. Permeabilizacija je bolj
učinkovita, če je čas med posameznimi pulzi krajši. Pri vseh teh parametrih pa
so vrednosti omejene z njihovim vplivom na preživetje celic. Vrednosti
parametrov so odvisne od velikosti celice, njene oblike, orientacije, gostote
celic ipd. in se tako od celice do celice razlikujejo.

Slika 3. Odstotek permeabiliziranih celic v odvisnosti
od števila pulzov. Dolžina enega pulza je bila 1ms, jakost električnega polja
med posameznim pulzom pa 900V/cm.

Slika 4. Odstotek permeabiliziranih celic v odvisnosti
od trajanja pulzov. Celice so bile izpostavljene 5 pulzom in električnemu polju
900V/cm.
3.1.2. DRUGI
DEJAVNIKI
Vpliv električnega polja
na površino membrane posredujejo ioni. Višja je koncentracija prostih ionov v
mediju, učinkovitejša bo poracija. V nizkoprevodnih medijih se zmanjša vsiljeni
transmembranski potencial. Za permeabilizacijo je zato potrebno električno
polje višjih jakosti oziroma dlje trajajoči pulzi.
Poskusi na celicah, ki
rastejo v plasti pritrjene na dno posode, so pokazali, da ozmotski tlak močno
vpliva na pragovno vrednost jakosti zunanjega električnega polja, ki je
bistveno večja pri višjem ozmotskem tlaku. Nižji je ozmotski tlak, učinkovitejša
je elektropermeabilizacija; prej dosežemo plato elektropermeabilizacije. Na
celice, ki jih poriramo v suspenziji, ima ozmotski tlak podoben vpliv, le
pragovna vrednost jakosti zunanjega električnega polja naj bi bila neodvisna od
ozmotskega tlaka.
Če poškodujemo celični
skelet, bodisi kemično ali s temperaturnim šokom, postanejo tako imenovane
dolgotrajne spremembe v strukturi membrane nestabilne. Posledica temperaturnega
šoka je dvig praga električne poljske jakosti za elektroporacijo in nastanek le
kratko trajajočih strukturnih sprememb v celični membrani.
4. PODROČJA UPORABE ELEKTROPORACIJE
Membrana je neprepustna
za določeno molekulo, če le-ta sama ne more skozi membrano, in je izključena
iz vseh membranskih transportov. Permeabilizacija, povzročena z električnim
poljem, ima nekaj prednosti pred drugimi biokemičnimi metodami:
• lahko jo uporabimo na
vsaki celici,
• ne prizadene celičnega preživetja,
• je specifična za
plazmalemo in ne prizadene membran celičnih organelov,
• povzroči le minimalne
motnje membranskih funkcij.
Opisane lastnosti so
vzrok njeni široki uporabnosti. Z elektropermeabilizacijo vnašamo v celice
gene in zdravila. V celično membrano vstavljamo beljakovine. Z njeno pomočjo
preučujemo aktivnosti encimov. S pomočjo električnih pulzov vnašamo v telo
zdravila preko kože in antibiotike v krvne celice.
4.1.
MOLEKULARNA GENETIKA
Kadar za vnos genskega materiala v celico uporabljamo postopek z visokonapetostnimi električnimi pulzi, govorimo o elektrotransfekciji. Metodo uporabljamo v molekularni biologiji in genetiki, saj z njo lahko vnesemo DNA v vsako prokariontsko in evkariontsko celico. Postopek je enostaven, ponovljiv in zelo učinkovit. V primerjavi z drugimi tehnikami, ki so danes v uporabi za vnašanje genskega materiala v žive celice, elektrotransfekcija povzroči najmanj sprememb na ciljni celici in najmanj mutacij na genskem materialu. Z elektroporacijo lahko vnesemo v celico izredno velike molekule DNA, tudi desetkrat večje kot z drugimi metodami.
4.2.
ELEKTROGENSKO ZDRAVLJENJE
Z genskim zdravljenjem
mutirani gen, ki določa neko bolezensko stanje, zamenjamo z normalnim. Pri
elektroporaciji se elektroporirani gen rekombinira s homolognimi gostiteljskimi
geni. Celica ima novo obliko gena prav na mestu mutiranega gena, zato je metoda
zelo zanesljiva.
4.3.
ELEKTROKEMOTERAPIJA
Vnos zdravil v celice z
elektroporacijo imenujemo elektrokemoterapija. Uporablja se za zdravljenje
tumorjev. Elektroporacija namreč omogoča povečan vstop kemoterapevtikov v
maligne celice in s tem posledično njihovo večje protitumorsko delovanje.
Elektrokemoterapija tudi spodbudi delovanje imunskega sistema.

Slika
5. Elektrokemoterapija tumorja.
A-molekule v veno vbrizganega zdravila
obkrožijo tumorske celice.
B-pulz
visoke napetosti povzroči nastanek por v celični membrani. Molekule zdravila
vstopijo v celično notranjost.
C-pore
se zaprejo. Molekule zdravila uničijo tumorske celic.
5. KOMENTAR
Elektroporacija celic je sorazmerno nova
metoda, ki se je hitro uveljavila v biokemičnih in celičnih laboratorijih,
pričenjajo pa jo uporabljati tudi v medicinske namene. V onkologiji z
elektroporacijo povečajo vnos nekaterih kemoterapevtikov in s tem povišajo
učinkovitost zdravljenja raka (elektrokemoterapija tumorjev), v biotehnologiji
jo uporabljajo za vnos DNK in s tem gensko spreminjanje celic, v zadnjem času
pa skušajo z vnosom DNK v celice odpraviti tudi genske okvare (genska
terapija).
6. LITERATURA