izpis_h1_title_alt

Elektrokemijske reakcije, sproščanje kovinskih ionov in oksidacija lipidnih molekul pri elektroporaciji
ID Balantič, Katja (Avtor), ID Kramar, Peter (Mentor) Več o mentorju... Povezava se odpre v novem oknu

.pdfPDF - Predstavitvena datoteka, prenos (14,31 MB)
MD5: E90EF3D9FDA90CA4A3EBDF9A1CD5B8F9

Izvleček
Izpostavitev 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.

Jezik:Slovenski jezik
Ključne besede:Elektroporacija, elektrokemija, numerično modeliranje, modeli celične membrane
Vrsta gradiva:Doktorsko delo/naloga
Organizacija:MF - Medicinska fakulteta
Leto izida:2023
PID:20.500.12556/RUL-152446 Povezava se odpre v novem oknu
Datum objave v RUL:25.11.2023
Število ogledov:163
Število prenosov:31
Metapodatki:XML RDF-CHPDL DC-XML DC-RDF
:
Kopiraj citat
Objavi na:Bookmark and Share

Sekundarni jezik

Jezik:Angleški jezik
Naslov:Electrochemical reactions, dissolution of metal ions and lipid oxidation in electroporation
Izvleček:
Exposure of biological cells to electric pulses is a useful tool for manipulating the permeability of the cell membrane. It is believed that even a brief exposure to the electric field causes structural changes in lipid membrane through the formation of hydrophilic pores. This temporarily makes the membrane more permeable to molecules that normally lack the mechanism to overcome the membrane’s hydrophobic barrier. The chemical and physical processes that occur at the molecular level during electroporation are relatively well studied. However, some processes are still less known and will be investigated in this doctoral dissertation. Electroporation can be described as an application of high voltage electric pulses passing direct electric current through electrodes in contact with the tissue. Application of electric pulses unavoidable causes electrochemical reactions at the electrode-electrolyte interface, specifically, metal release from the electrodes. Metal release can have adverse effects on the electroporation process, equipment and biological tissue leading to lipid oxidation. The processes described can be studied with in silico numerical models or in vitro cell membrane models such as liposomes and planar lipid bilayers. In silico numerical models are based on a set of differential equations and can be used to describe a physical problem, for example the occurrence of electrochemical reactions at the electrode-electrolyte interface during electroporation. By solving these equations, concentration profiles of dissolved substances in dependence of applied pulse amplitude and pulse polarity are obtained. Developed and validated numerical model is therefore a very useful tool, to study the effects of different electroporation protocols on the extent of electrochemical reactions, in a fast and reliable way. In vitro models such as liposomes and planar lipid bilayers can be used to study various processes at the molecular level. The artificial lipid bilayer is a simple model of the cell membrane with less complexity compared to the biological cell membrane. We can form liposomes with structure that is very similar to the cell, but the composition of the membrane is greatly simplified. Electroporation processes can also be studied with planar lipid bilayers. The composition of the planar lipid bilayer can be arbitrarily changed to mimic the composition of a real cell membrane. Thus, in a simple membrane model, we can study how the cell membrane is affected by metal ions that are physiologically present in the biological environment or released from electrodes during the application of high-voltage electric pulses. What is more, using planar lipid bilayers, we can also study the influence of lipid oxidation on electrical properties of cell membranes. In this doctoral dissertation, we were able to develop in silico numerical model describing the dissolution of metal ions from aluminium and iron electrodes during the application of high-voltage electric pulses. The numerical model was validated using experimental results from the study of electrolyte contamination by Kotnik et al. Furthermore, in vitro membrane models were used to study the effect of metal ions on membrane structure. Using planar lipid bilayers and liposomes, changes in the phospholipid membrane, namely increased membrane thickness, were observed due to the addition of metal ions, such as calcium, aluminium, and iron. Finally, lipid oxidation was studied using planar lipid bilayers. An increase in electric conductivity and capacitance was observed, leading us to believe that lipid oxidation indeed plays a role in prolonged membrane permeability after electroporation.

Ključne besede:Electroporation, electrochemistry, numerical modelling, cell membrane models

Podobna dela

Podobna dela v RUL:
Podobna dela v drugih slovenskih zbirkah:

Nazaj