Pulsacyjne pole elektryczne  podstawą metody elektroporacji

Elektroporacja jest zjawiskiem fizycznym, w którym materiały biologiczne poddaje się działaniu pola elektrycznego. W wyniku oddziaływania impulsów elektrycznych na błony komórkowe obserwuje się znaczny wzrost ich przewodnictwa, głównie poprzez tworzenie się na powierzchni wolnych przestrzeni - tzw. porów (rys. 1). Ich obecność umożliwia swobodny przepływ różnych składników przez błonę komórkową. Dzięki temu zjawisku możliwy staje się transfer jonów, cząsteczek a nawet bardziej złożonych związków (tj. leki , kwasy nukleinowe, monoklonalne przeciwciała, oligonukleotydy czy plazmidy) do wnętrza komórki (KOTULSKA,  2007a; PRASANNA I WSPÓŁAUT., 1997).

Na początku lat 90 po raz pierwszy opublikowano badania, w których wykazano transport małych cząsteczek, takich jak sacharoza, barwniki i jedno- lub dwujony przez błony komórkowe pod wpływem PEF (CHEN I WSPÓŁAUT., 2006; LARQUIN, 1997). Mimo tego, że zjawisko to znane jest już od dawna, do dziś nie wyjaśniono jednoznacznie mechanizmu formowania się porów. Szczegółowy mechanizm powstawania wolnych przestrzeni w błonie lipidowej pozostaje nadal przedmiotem badań in vivo (CHEN I WSPÓŁAUT., 2006; SUGA I HATAKEYAMA, 2003). Jedna z teorii głosi, że pod wpływem działania pola elektrycznego jony zawarte w roztworze otaczającym komórkę przemieszczają się w kierunku przeciwnym do swojego ładunku, wywierając przy tym nacisk na błonę lipidową. Z kolei według innych badaczy, na zjawisko elektroporacji wpływ mają oddziaływania elektrostatyczne pomiędzy zastosowanym polem elektrycznym a warstwą lipidową błony, powodując przy tym jej dezintegrację. Sugeruje się, że w wyniku tych interakcji zachodzi zmiana położenia poszczególnych molekuł lipidowych oraz związane z tym zmiany odległości pomiędzy nimi. Konsekwencją jest powstanie wolnych przestrzeni (KOTULSKA, 2007B). Znana jest także hipoteza głoszona przez Zimmermana, określana jako elektromechaniczne sprzężenie błony komórkowej. Zgodnie z nią, w wyniku przyłożonego pola elektrycznego indukowane są ładunki o przeciwnych znakach na zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni błony komórkowej (FIEDUREK, 2007; FIEDUREK I WSPÓŁAUT., 2000). Ładunki te przyciągają się ku sobie, powodując wzrost ciśnienia wewnątrz komórki. Kiedy potencjał transmembranowy osiągnie wartość krytyczną (ok. 1 V) (CHEN I WSPÓŁAUT., 2006), wspomniane przyciąganie powoduje formowanie się porów. Teoria ta, najczęściej przytaczana w literaturze, wydaje się najlepiej tłumaczyć podstawy zjawiska elektroporacji.

Rysunek 1. Struktura hydrofilowego elektropora w błonie komórkowej – schemat własny

W procesie elektroporacji prowadzonej w warunkach laboratoryjnych można wymienić ogólne etapy: 1) traktowanie materiału serią impulsów elektrycznych, które są wystarczające do wywołania przejściowych zmian potencjału błon oraz powstania porów; 2) przepływ jonów, cząsteczek przez wolne przestrzenie w błonach; 3) odwrócenie zmian błonowych po usunięciu pola zewnętrznego i powrót do stanu wyjściowego. Należy zauważyć, że mimo powstania elektropora, nadal zachowany jest model płynnej mozaiki. Półpłynna, podwójna struktura błony utworzona jest przez dwie warstwy lipidów, których polarne „głowy” zawsze skierowane są na zewnątrz (w stronę środowiska hydrofilowego), natomiast węglowodorowe łańcuchy kwasów tłuszczowych zwrócone są do wnętrza. Dzięki temu możliwe jest utrzymanie błony komórkowej w stanie ciągłej polaryzacji oraz zachowanie dużego oporu elektrycznego, co warunkuje jej właściwe przewodnictwo elektryczne (NAUMOWICZ I FIGASZEWSKI, 2011).