Elektrokemijske reakcije, sproščanje kovinskih ionov in oksidacija lipidnih molekul pri elektroporacijiBalantič, Katja (Avtor) Kramar , Peter (Mentor) Elektroporacijaelektrokemijanumerično modeliranjemodeli celične membraneIzpostavitev bioloških celic visokonapetostnim električnim pulzom se je izkazalo kot uporabno orodje za povečanje prepustnosti celične membrane. Že kratkotrajna izpostavitev električnemu polju povzroči strukturne spremembe v membrani, v obliki hidrofilnih por. Tako postane membrana začasno bolj prepustna za molekule, ki običajno nimajo mehanizmov za prehajanje te hidrofobne pregrade. Kemijski in fizikalni procesi, kot na primer nastanek hidrofilnih por, ki potekajo na molekularni ravni pri elektroporaciji, so razmeroma dobro raziskani, različni procesi pa še vedno ostajajo neznani in so predmet preučevanja te doktorske disertacije. Eden od procesov, ki potekajo pri elektroporaciji, so zagotovo elektrokemijske reakcije na stiku elektrode in elektrolita, ki povzročajo sproščanje kovinskih ionov z elektrod ter nastajanja mehurčkov v obliki plinastega kisika in vodika. Kovinski ioni, ki se sproščajo z elektrod med uporabo visokonapetostnih električnih pulzov, lahko vplivajo na biološke aktivnosti v celici in povzročijo oksidacijo lipidov v celični membrani. Opisane procese lahko preučujemo z numeričnimi modeli in modeli celičnih membran, kot so liposomi in ravninski lipidni dvosloji. In silico numerični modeli temeljijo na nizu diferencialnih enačb, ki opisujejo fizikalni problem, na primer elektrokemijske reakcije na stiku med elektrodo in elektrolitom pri elektroporaciji. Z reševanjem teh enačb je mogoče simulirati koncentracijske profile raztopljenih kovinskih ionov v odvisnosti od uporabljene napetosti in oblike pulzov. Validirani numerični modeli so tako zelo uporabni za hitro in zanesljivo testiranje različnih protokolov elektroporacije, ter vsaj deloma nadomeščajo eksperimentalno delo. Modele celične membrane, kot so liposomi in ravninski lipidni dvosloji, pa lahko uporabljamo za preučevanje različnih procesov na molekularni ravni. Ti umetni lipidni dvosloji so preprosti, a še vedno zadovoljivi modeli celične membrane. Liposomi so oblikovno zelo podobni celici; a sestava membrane je močno poenostavljena. Elektroporacijo lahko proučujemo tudi z uporabo ravninskih lipidnih dvoslojev. Prednost ravninskih lipidnih dvoslojev je, da so kemično in električno dostopni z obeh strani. Tako lahko v enostavnem modelu preučujemo, kako na celično membrano vplivajo kovinski ioni, ki so fiziološko prisotni v biološkem okolju ali pa se sproščajo z elektrod med aplikacijo visokonapetostnih električnih pulzov. Proučujemo lahko tudi vpliv oksidacije lipidov na spremembe električnih lastnosti lipidnega dvosloja. V doktorski disertaciji smo razvili numerični model, ki opisuje sproščanje kovinskih ionov iz aluminijevih in železovih elektrod pri elektroporaciji. Numerični model smo validirali z uporabo eksperimentalnih rezultatov študije kontaminacije elektrolita opisane v članku Kotnika s sodelavci. Poleg tega sta bila uporabljena dva različna modela celične membrane za preučevanje vpliva kovinskih ionov in lipidne oksidacije na strukturo lipidnega dvosloja. Z uporabo ravninskih lipidnih dvoslojev in liposomov smo opazovali posledice konformacijskih sprememb, bolj specifično, povečanje debeline lipidne membrane ob prisotnosti kovinskih ionov, kot so kalcij, aluminij in železo. Nazadnje smo preučili vpliv lipidne oksidacije na spremembo električnih lastnosti ravninskih lipidnih dvoslojev in zaznali povečanje električne prevodnosti in kapacitivnosti lipidnega dvosloja, kar lahko pojasni dlje časa trajajočo prepustnost celične membrane pri elektroporaciji.20232023-11-25 07:15:17Doktorsko delo/naloga152446VisID: 25968sl