Мощные электрические поля способны создавать поры в биологических мембранах посредством процесса, называемого электропорацией. Преднамеренное создание этих дефектов в мембранах является важнейшей техникой не только в медицине и биотехнологии, но и в обработке пищевых продуктов.
Группа франко-немецких исследователей, возглавляемая доктором Карлосом Маркесом из Высшей нормальной школы в Лионе, Франция, и профессором доктором Яном Берендсом из Института физиологии Фрайбургского университета, недавно собрала данные, которые ставят под сомнение то, что десятилетиями принималось за стандартную модель этого механизма.
«Это сложная задача для построения теории и численного моделирования в этой области», — говорит Маркес. Результаты опубликованы в Proceedings of the Academy of Sciences of the United States of America (PNAS). Они могли бы помочь улучшить транспорт активных веществ в клетках.
Лечебные вещества проникают в клетки через электропоры.
Электрические поля постоянного тока выше определенной интенсивности нарушают организацию липидов, жироподобных молекул, которые образуют базовую структуру биологических мембран в виде двойного слоя, сложенного вместе в виде жидкого кристалла. Возникающие в результате электропоры, которые обычно стабильны только в течение очень короткого времени, позволяют воде и растворенным веществам в окружающей среде, таким как лекарства или другие активные вещества, включая РНК или ДНК, проникать в клетку.
Поскольку двойной слой липидов очень тонкий, его размеры составляют всего пять миллионных долей миллиметра, нет необходимости применять очень высокие напряжения для создания очень высоких напряженностей поля (вольт на метр). Таким образом, даже при напряжении 0,1 вольта на мембране напряженность поля составляет 20 миллионов вольт на метр. В воздухе, например, искровой разряд возникает уже при трех миллионах вольт на метр. Однако это должно быть напряжение постоянного тока; поля переменного тока в диапазоне мегагерц-гигагерц, такие как те, которые генерируются сотовыми телефонами, не вызывают пор. Хотя этот метод хорошо зарекомендовал себя, все еще существует необходимость оптимизировать электропорацию клеточных мембран для различных целей, например, для введения генетического материала для генной терапии. Для этого важно точно понимать механизм образования пор под действием электрических полей.
Стандартная модель с небольшой экспериментальной проверкой
Стандартная теоретическая модель электропорации 1970-х годов предполагает, что электрическое поле оказывает давление на липиды, тем самым увеличивая вероятность образования пор. Однако до сих пор существует лишь небольшая экспериментальная проверка модели. Это связано, во-первых, с трудностью непосредственного обнаружения образования электропор и, во-вторых, с необходимостью проведения очень большого числа таких экспериментов, чтобы прийти к статистически обоснованным выводам. Это связано с тем, что, в отличие от пор, образованных белками, электропоры проявляют весьма разнообразное, менее стереотипное поведение.
Методом, способным обнаруживать образование пор с высокой точностью и высоким временным разрешением, является электрическое измерение ионного тока. Ионы являются положительно или отрицательно заряженными составляющими солей, присутствующих во всех биологических жидкостях и, таким образом, внутри и вне клетки. Они практически не способны проникать через неповрежденные мембраны, но как только открывается пора, они транспортируются через нее в электрическом поле. Этот перенос заряженных частиц можно измерить с помощью высокочувствительных усилителей как крошечный электрический ток от нескольких миллиардных до миллионных долей ампера. Для этого искусственные липидные бислои создаются в тонких слоях тефлона через крошечные отверстия диаметром около 0,1 миллиметра и помещаются между двумя электродами. Этот метод формирования мембраны очень чувствителен к отказам — за один раз формируется только одна мембрана, которая легко ломается, особенно во время испытаний с более высокими напряжениями.
Новый метод создания липидных слоев
Для своих экспериментов исследовательская группа использовала микрочип с множеством отверстий, с помощью которых можно очень быстро и повторно создавать значительно более стабильные липидные слои с использованием упрощенных процедур. Эта так называемая решетка микроэлектродных резонаторов (MECA) была разработана исследовательской группой Яна Берендса, а затем произведена и выпущена в продажу начинающей компанией из Фрайбурга Ionera Technologies GmbH, основанной в 2014 году.
С помощью этого устройства докторант Эулали Лафарж из Института Шарля Садрона Страсбургского университета и доктор Екатерина Зайцева из исследовательской группы Фрайбурга смогли за относительно короткое время создать сотни мембран и измерить и количественную оценку образования пор в зависимости от силы поля постоянного тока.
Результаты показали, что, вопреки предсказанию старой стандартной модели, энергетический барьер для образования пор снижается не пропорционально квадрату напряженности поля, а пропорционально напряженности поля. Другими словами, удвоение напряженности поля снижает энергетический барьер только вдвое, а не вчетверо. Это предполагает принципиально иной механизм: дестабилизацию границы между липидом и водой за счет переориентации молекул воды в электрическом поле.
Окисленные мембраны также изучались
Этот результат подтвердился и для мембран, липиды которых были окислены в разной степени. Это интересно, потому что окисление липидов является естественным процессом регуляции функции клеточных мембран и играет роль в естественном старении организма и, возможно, также в таких заболеваниях, как болезнь Паркинсона и болезнь Альцгеймера. «Особенно ввиду медицинской значимости этой темы мы хотим продолжить ее, включая оптические методы, чтобы достичь реального понимания этого важного явления», — говорит Берендс.
Ссылка: «Энергия активации для раскрытия пор в липидных мембранах под действием электрического поля», Юлалия Дж. Лафарж, Пьер Мюллер, Андре П. Шредер, Екатерина Зайцева, Ян К. Берендс и Карлос М. Маркес, 7 марта 2023 г., Труды Национальная академия наук.
DOI: 10.1073/pnas.2213112120
No comments:
Post a Comment