Vpogled v elektroporacijo celične membrane s simulacijami molekularne dinamikeČagalj, Jan (Avtor) Rems, Lea (Mentor) elektroporacijasimulacije molekularne dinamikelipidni dvoslojnapetostno-odvisni ionski kanaliIzpostavitev bioloških celic kratkim visokonapetostnim električnim pulzom povzroči strukturne spremembe v njihovih membranah. Te spremembe povečajo prepustnost celičnih membran in omogočijo transmembranski transport molekulam, za katere so membrane običajno neprepustne. Pojav se imenuje elektroporacija in se uporablja na raznih področjih medicine, biologije in biotehnologije. Razumevanje mehanizmov elektroporacije je močno napredovalo z uporabo simulacij molekularne dinamike (MD). Te omogočajo napoved gibanja atomov in molekul v preučevanem sistemu ter vizualizacijo procesov na molekularni ravni. Simulacije MD so razkrile, da lahko povečano prepustnost membran pripišemo vodnim poram, ki nastanejo pod vplivom električnega polja v lipidnih domenah membrane, ali pa celo v napetostnih senzorjih nekaterih napetostno-odvisnih ionskih kanalov. Slednji igrajo ključno vlogo pri proženju električnih signalov imenovanih akcijski potenciali pri mišičnih in nevronskih celicah. Odpira se vprašanje, kolikšna je verjetnost poškodb ionskih kanalov pri elektroporaciji oziroma ali je nastanek por ugodnejši v lipidnih domenah membrane ali v ionskih kanalih. Zato smo v diplomski nalogi z uporabo atomističnih simulacij MD primerjali hitrost s katero električno polje ustvarja pore v različnih lipidnih dvoslojih in ionskih kanalih. Začeli smo s simulacijami dvosloja zgrajenega iz lipidov 1-pamitoil 2-oleoil fosfatidilholin (POPC), ki predstavlja najbolj poenostavljen model celične membrane in se pogosto uporablja na področju raziskav elektroporacije s simulacijami MD. Simulirali smo dva dvosloja POPC različnih velikosti in ugotovili, da velikost dvosloja vpliva na hitrost elektroporacije, pri čemer se pore hitreje tvorijo v večjem dvosloju. To ugotovitev smo upoštevali v nadaljevanju, ko smo simulirali elektroporacijo dvosloja, sestavljenega iz 15 različnih vrst lipidov, ki je predstavljal realističen model lipidne domene v membrani sesalcev. Ta lipidni dvosloj smo zasnovali na podlagi rezultatov predhodne študije in je predstavljal lipidno domeno, ki je najbolj dovzetna za elektroporacijo. Čas, potreben za elektroporacijo lipidnih dvoslojev, smo nato primerjali s časom, potrebnim za nastanek por v dveh klinično relevantnih napetostno-odvisnih ionskih kanalih, NaV1.5 in CaV1.1. Natrijev kanal NaV1.5 je pretežno izražen v srčno-mišičnih celicah, kalcijev kanal CaV1.1 pa v skeletno-mišičnih celicah. Ugotovili smo, da elektroporacija ionskih kanalov v povprečju poteče pri nižjih vrednostih električnega polja kot elektroporacija lipidnih dvoslojev, saj je bil pri dani vrednosti električnega polja nastanek por skozi napetostne senzorje hitrejši v primerjavi z nastankom por v lipidnih domenah. To pomeni, da je elektroporacija napetostno-odvisnih ionskih kanalov NaV1.5 in CaV1.1 energetsko ugodnejša od elektroporacije lipidnih domen. Rezultati nakazujejo, da je verjetnost poškodb ionskih kanalov pri elektroporaciji mišičnih in nevronskih celic zelo visoka. Te poškodbe lahko vplivajo na sposobnost proženja akcijskih potencialov in obliko le-teh po elektroporaciji mišičnih in nevronskih celic. Ugotovitve študije so pomembne za optimizacijo zdravljenj temelječih na elektroporaciji, kot so ablacija srčne mišice za zdravljenje artimij, ablacija možganskih tumorjev in vnos nukleinskih kislin v skeletne in srčne mišične celice za gensko terapijo.20252025-07-17 10:55:01Diplomsko delo/naloga170830VisID: 62581COBISS_ID: 244786435sl