Siyah koniler, lipit ile arayüzde elektrik alanında yönlendirilen su moleküllerini gösterir. Kredi: Carlos Marques, ENS Lyon
Güçlü elektrik alanları, elektroporasyon adı verilen bir süreçle biyolojik zarlarda gözenekler oluşturma yeteneğine sahiptir. Zarlardaki bu kusurları kasıtlı olarak oluşturmak, yalnızca tıp ve biyoteknolojide değil, aynı zamanda gıda maddelerinin tedavisinde de çok önemli bir tekniktir.
İstanbul’daki Ecole Normale Supérieure’den Dr. Carlos Marques başkanlığındaki bir Fransız-Alman araştırma ekibi. Lyon, Fransa ve Freiburg Üniversitesi Fizyoloji Enstitüsü’nden Prof. Dr. Jan Behrends yakın zamanda topladıkları veriler, bu mekanizmanın on yıllardır standart modeli olarak kabul edilen şey hakkında temel şüphe uyandırıyor.
{6 }”Bu, bu alanda teori oluşturma ve sayısal simülasyonlar için bir zorluktur” diyor Marques. Sonuçlar şimdi Amerika Birleşik Devletleri Bilimler Akademisi Bildirilerinde (PNAS) yayınlandı. Hücrelerdeki aktif maddelerin taşınmasını iyileştirmeye yardımcı olabilirler.
Terapötik maddeler hücrelere elektrogözenekler yoluyla girer
Belirli bir yoğunluğun üzerindeki doğru akım elektrik alanları, lipidlerin, yani yağ benzeri moleküllerin organizasyonunu bozar. Biyolojik zarların temel yapısını, bir tür sıvı kristalde bir arada istiflenmiş bir çift tabaka halinde oluştururlar. Ortaya çıkan ve genellikle yalnızca çok kısa bir süre kararlı olan elektrogözenekler, su ve çevreleyen ortamdaki çözünen maddelerin (ilaçlar veya RNA veya DNA dahil diğer aktif maddeler gibi) bir hücreye girmesine izin verir.
Bundan bu yana çift lipit tabakası çok incedir, milimetrenin yalnızca beş milyonda biri büyüklüğündedir, çok yüksek alan kuvvetleri (metre başına volt) oluşturmak için çok yüksek voltajların uygulanması gerekli değildir. Böylece, zar boyunca 0,1 voltluk bir voltajda bile alan şiddeti metre başına 20 milyon volttur. Örneğin havada, kıvılcım deşarjı halihazırda metre başına üç milyon voltta gerçekleşir. Ancak doğru akım voltajı olmalı; cep telefonları tarafından üretilenler gibi megahertz-gigahertz aralığındaki alternatif akım alanları gözeneklere neden olmaz. Teknik iyi kurulmuş olsa da, gen terapisi için genetik materyal eklemek gibi çeşitli amaçlar için hücre zarlarının elektroporasyonunu optimize etmeye hala ihtiyaç vardır. Bu amaçla, elektrik alanları altında gözenek oluşumu mekanizmasını tam olarak anlamak önemlidir.
Deneysel doğrulaması çok az olan standart bir model
1970’lerden kalma standart bir elektroporasyon teorik modeli, elektrik alanı lipidlere basınç uygulayarak gözenek oluşumu olasılığını artırır. Bununla birlikte, şimdiye kadar, modelin yalnızca çok az deneysel doğrulaması var. Bunun nedeni, birincisi, elektrogözeneklerin oluşumunu doğrudan tespit etmenin zorluğu ve ikincisi, istatistiksel olarak savunulabilir sonuçlara varmak için bu tür çok sayıda deney gerçekleştirme gerekliliğidir. Bunun nedeni, proteinler tarafından oluşturulan gözeneklerin aksine, elektrogözeneklerin çok çeşitli, daha az basmakalıp davranış sergilemesidir.
Gözenek oluşumunu büyük bir doğrulukla ve yüksek zaman çözünürlüğüyle tespit edebilen bir yöntem, elektriksel ölçümdür. iyonik akım. İyonlar, tüm biyolojik sıvılarda ve dolayısıyla hücre içinde ve dışında bulunan tuzların pozitif veya negatif yüklü bileşenleridir. Pratik olarak bozulmamış zarlara nüfuz edemezler, ancak bir gözenek açılır açılmaz elektrik alanında taşınırlar. Yüklü parçacıkların bu taşınması, bir amperin birkaç milyarda biri ile milyonda biri arasında küçük bir elektrik akımı olarak oldukça hassas amplifikatörlerle ölçülebilir. Bu amaçla, iki elektrot arasına yerleştirilen yaklaşık 0,1 milimetre çapındaki küçük açıklıklar aracılığıyla ince Teflon katmanlarda yapay lipit çift katmanları oluşturulur. Bu zar oluşturma tekniği, bozulmaya karşı oldukça hassastır – bir seferde yalnızca bir zar oluşur ve bu, özellikle daha yüksek voltajlarla yapılan testler sırasında kolayca kırılır.
Lipit katmanları oluşturmak için yeni yöntem
Çünkü Araştırma grubu, deneylerinde, basitleştirilmiş prosedürler kullanılarak çok hızlı ve tekrar tekrar çok daha kararlı lipit katmanlarının üretilebildiği birçok açıklığa sahip bir mikroçip kullandı. Bu sözde mikroelektrot kavite dizisi (MECA), Jan Behrends’in araştırma grubu tarafından geliştirilmiştir ve 2014 yılında kurulan Freiburg start-up şirketi Ionera Technologies GmbH tarafından üretilip ticari olarak kullanıma sunulmuştur.
Bunun yardımıyla cihazla, Strasbourg Üniversitesi Charles Sadron Enstitüsünden doktora adayı Eulalie Lafarge ve Freiburg araştırma grubundan Dr. doğru akım alanının gücünün bir fonksiyonu.
Sonuçlar, eski standart modelin öngörüsünün aksine, gözenek oluşumu için enerji bariyerinin alan gücünün karesiyle değil, orantılı olarak azaldığını gösterdi. alan gücü. Başka bir deyişle, alan kuvvetini iki katına çıkarmak, enerji bariyerini dört kat değil, yalnızca yarı yarıya azaltır. Bu, temel olarak farklı bir mekanizmaya işaret eder: elektrik alanındaki su moleküllerinin yeniden yönlendirilmesi nedeniyle lipit ve su arasındaki arayüzün dengesizleşmesi.
Oksitlenmiş zarlar da incelendi
Bu sonuç da doğrulandı. lipitleri değişen derecelerde oksitlenmiş zarlar için. Bu ilginçtir, çünkü lipit oksidasyonu, hücre zarı işlevinin düzenlenmesinde doğal bir süreçtir ve organizmanın doğal yaşlanmasında ve muhtemelen Parkinson ve Alzheimer gibi hastalıklarda da rol oynar. Behrends, “Özellikle bu konunun tıbbi önemi göz önünde bulundurulduğunda, bu önemli olgu hakkında gerçek bir anlayışa ulaşmak için optik yöntemleri de içerecek şekilde konuyu daha ileriye götürmek istiyoruz” diyor.
Referans: “Aktivasyon Bir elektrik alanı altında lipid membranlarda gözenek açılması için enerji” yazan Eulalie J. Lafarge, Pierre Muller, André P. Schroder, Ekaterina Zaitseva, Jan C. Behrends ve Carlos M. Marques, 7 Mart 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences .
DOI: 10.1073/pnas.2213112120