Če biološko celico izpostavimo električnemu polju z dovolj visoko jakostjo, dosežemo zača-sno povečanje prevodnosti in prepustnosti celične membrane. Ta pojav se imenuje elektroporacija. Če celice preživijo izpostavljenost električnim pulzom, se elektroporacija imenuje reverzibilna; če celice umrejo, se elektroporacija imenuje ireverzibilna. Elektroporacija se v biomedicini uporablja pri elektrokemoterapiji, genski terapiji, vnosu zdravilnih učinkovin skozi kožo, cepljenju z DNK ter kot metoda ablacije za zdravljenje srčnih aritmij ali tumorjev. Uporablja se tudi za različne namene v biotehnologiji in predelavi hrane, na primer za ekstrakcijo snovi iz rastlinskega tkiva, uničevanje bakterij, zlivanje celic in genski inženiring mikroorganizmov.
Pri elektrokemoterapiji z elektroporacijo izboljšamo vnos kemoterapevtskih učinkovin v tumorske celice, kar se v klinikah uspešno uporablja za zdravljenje kožnih in podkožnih tumorjev, v teku pa so tudi študije za zdravljenje globlje ležečih tumorjev. Monopolarni pulzi s trajanjem 100 μs, ki jih običajno dovajamo pri elektrokemoterapiji, povzročajo bolečine in krčenje mišic. Z dovajanjem vlakov visokofrekvenčnih kratkih bipolarnih pulzov lahko omilimo bolečine in krčenje mišic. Nedavno so se pojavile študije, kjer elektrokemoterapijo kombiniramo z imunsko gensko terapijo in dosežemo sistemsko zdravljenje. Pri genski terapiji, ki temelji na elektroporaciji, se uporabljajo milisekundni pulzi za znotrajcelični prenos molekul DNK, ki kodirajo beljakovine, sposobne spodbuditi imunski odziv. Z dovajanjem različnih pulzov, ki so alternativni klasičnim 100 μs pulzom, bi lahko izboljšali zdravljenje z elektrokemoterapijo. Ker še ni povsem jasno, ali so lahko različne vrste pulzov enako učinkovite pri elektrokemoterapiji, je bil prvi cilj disertacije raziskati, kako različne vrste pulzov vplivajo na vnos cisplatina in na citotoksičnost. Izvedli smo poskuse in vitro z dovajanjem cisplatina in treh vrst pulzov: klasičnih elektrokemoterapevtskih pulzov, visokofrekvenčnih bipolarnih pulzov in milisekundnih pulzov. Dokazali smo, da lahko vse preizkušene vrste pulzov štejemo za enakovredne v smislu vnosa cisplatina in citotoksičnosti.
Za uspešno elektrokemoterapijo morata biti izpolnjena dva glavna pogoja: i) celoten tumor mora biti izpostavljen dovolj visokemu električnemu polju, ki povzroči elektroporacijo tumorskih celic, in ii) zadostna količina kemoterapevtika (običajno bleomicina ali cisplatina) mora vstopiti v celice, da se veže na DNK in uniči tumorske celice.
Parametri pulzov, ki so potrebni za uspešno zdravljenje kožnih tumorjev, so določeni v standardnih operativnih postopkih, medtem ko je zdravljenje globokih tumorjev načrtovano z računalniškim modelom, ki predvideva porazdelitev električnega polja v tkivu glede na postavitev elektrod. Za nadaljnje izboljšanje takšnega računalniškega načrtovanja zdravljenja bi bilo koristno model nadgraditi z opisom elektroporacije in z njo povezanega vnosa kemoterapevtskih učinkovin v tumorske celice. Za razvoj takih modelov je treba določiti število molekul cisplatina, potrebnih v celici za citotoksični učinek. Drugi cilj disertacije je bil torej izmeriti število molekul cisplatina, ki jih v celice vnesemo z različnimi vrstami pulzov, in določiti zadostno število, ki povzroči celično smrt. Ugotovili smo, da je število molekul cisplatina, potrebnih za doseganje citotoksičnega učinka, v razponu 2-7 ×107 molekul na celico ne glede na vrsto dovedenih pulzov.
Za razumevanje pojava elektroporacije so koristni matematični modeli. V literaturi je veliko različnih modelov, ki opisujejo elektroporacijo in z njo povezan prenos molekul skozi celično membrano. Čeprav se ti modeli razlikujejo v svojem teoretičnem opisu, običajno kažejo dobro ujemanje z določenim nizom podatkov. Ni jasno, ali je mogoče katerega od modelov uporabiti za opis molekularnega transporta za širok razpon parametrov pulzov in drugih eksperimentalnih pogojev. Tretji cilj disertacije je bil kritično oceniti obstoječe mehanistične modele transporta ionov in molekul skozi elektroporirano celično membrano. Modele smo preverjali na širokem naboru eksperimentalnih meritev in ugotovili, da nobeden od modelov ni bil dovolj zanesljiv za napoved molekularnega transporta v vseh preizkušenih pogojih. Poudarili smo omejitve modelov in predlagali nadaljnje raziskave za izboljšanje in nadgradnjo obstoječih modelov. Kljub omejitvam lahko obstoječi modeli še vedno pomagajo pri razlagi nekaterih eksperimentalnih rezultatov, na primer vpliva orientacije kardiomiocitov v električnem polju in trajanja pulzov na učinkovitost elektroporacije.
|