Elektroporacija je biofizikalni pojav, ki ga povzroči dovajanje kratkih visokonapetostnih električnih pulzov biološkemu tkivu. Dovajanje pulzov povzroči začasno povečanje prepustnosti celične membrane, kar omogoči prehod ionov in molekul, ki sicer ne bi mogli skozi membrano, v celico ali iz nje. Odvisno od parametrov pulzov je elektroporacija lahko reverzibilna, pri kateri si celice po določenem času opomorejo, ali ireverzibilna, ki vodi v celično smrt. Zaradi možnosti selektivnega spreminjanja prepustnosti celične membrane se elektroporacija široko uporablja v biomedicini, biotehnologiji in živilski industriji. Njene aplikacije segajo od ablacije tumorjev, genskega zdravljenja, elektrokemoterapije in zdravljenja srčnih aritmij do različnih postopkov v živilski industriji.
Kljub razširjeni uporabi elektroporacije ostaja več pomembnih dejavnikov, ki vplivajo na njeno učinkovitost, slabo raziskanih. Ta doktorska disertacija obravnava tri takšne dejavnike: anizotropijo skeletne mišice, elektrokemično povzročene spremembe pH, in elektroosmozni tok, ter raziskuje njihov pomen za terapije, temelječe na elektroporaciji.
Najprej smo podrobno raziskali anizotropno električno obnašanje skeletne mišice. Razvili smo večnivojske numerične modele, ki predstavljajo skeletno mišico od ravni posameznih celic do ravni celotnega tkiva, pri čemer zajamejo vpliv mikroskopske strukture na makroskopske električne lastnosti. Modele in izsledke smo potrdili z ablacijskimi poskusi in vivo, in z MRI-slikanjem gostote toka ter impedančno spektroskopijo ex vivo. Skupaj so ti pristopi pokazali, da anizotropija skeletne mišice pomembno vpliva na porazdelitev električnega polja, geometrijo lezij, in poti električnega toka v tkivu. Eksperimentalni in numerični rezultati so pokazali, da anizotropne električne lastnosti mišice izvirajo predvsem iz neprepustnosti plazemske membrane celice.
V drugem delu smo razvili mehanistični numerični model za napovedovanje elektrokemično povzročenih sprememb pH, povezanih z dovajanjem elektroporacijskih pulzov, zlasti pri protokolih, kot se uporabljajo pri genski elektrotransfekciji. V modelu smo upoštevali elektrokemične reakcije na elektrodah in ga eksperimentalno potrdili z uporabo agaroznih gelov, ki smo jim dodali pH indikatorje. Razvili smo kalibriran sistem slikanja, ki omogoča sledenje pH frontam v realnem času. Razviti model je zanesljivo zajel prostorsko in časovno evolucijo kislih in bazičnih območij ter podal vpogled v obseg in posledice pH sprememb med in po postopku elektroporacije.
V tretjem delu raziskav smo obravnavali elektroosmozni tok, ki je sorazmerno slabo raziskan pojav električno induciranega gibanja tekočin. Eksperimentalno smo ga ovrednotili v rastlinskem tkivu (krompir), skeletni mišici živalskega izvora, in agaroznih fantomih pri obdelavi s pulzirajočim električnim poljem (PEF) ter enosmernim tokom (DC). Rezultati so pokazali pomemben prispevek elektroosmozno induciranega toka k deformaciji tkiva in gibanju tekočin. Zlasti pri nižjih jakostih toka je sinergijsko delovanje med povečanjem prepustnosti membran zaradi elektroporacije in kasnejšim elektroosmoznim tokom še posebej izrazito. Ta sistematična karakterizacija poudarja pomen elektroosmoze na vpliv gibanja tekočin med elektroporacijo ter podpira njeno vključitev v prihodnji razvoj aplikacij, temelječih na elektroporaciji.
Disertacija vključuje pet izvirnih znanstvenih člankov, ki vsak zase predstavljajo nova eksperimentalna in teoretična dognanja. Skupaj prispevajo k boljšemu razumevanju mehanizmov in fizikalno-kemijskih dejavnikov, ki oblikujejo potek terapij, temelječih na elektroporaciji, ter ponujajo nova spoznanja in rešitve za prihodnjo rabo. Ugotovitve in razviti modeli skupaj predstavljajo osnovo za izboljšanje načrtovanja in optimizacije elektroporacijskih postopkov v biomedicini, biotehnologiji, in živilski industriji.
|