UČINKI ELEKTRIČNE IN TOPLOTNE OBDELAVE NA TRANSPORT SNOVI V BIOLOŠKEM TKIVU

Mahnič-Kalamiza, Samo (author), Miklavčič, Damijan (mentor)

Električno polje dovoljšne jakosti lahko povzroči znatno povečanje električne prevodnosti in prepustnosti celične membrane. Pojav je poznan kot elektroporacija in je pripisan vzpostavitvi vodnih kanalov v lipidnem dvosloju imenovanih pore. Elektroporacija je bila in je še vedno predmet intenzivnih raziskav na številnih področjih, kot so biomedicina (za gensko transfekcijo, elektrokemoterapijo, vnos zdravil preko kože, in ablacijo mehkih tkiv, npr. tumorjev); v predelavi hrane in kemijskem inženirstvu (za povečanje količine ekstrakta pri pridobivanju sokov ali dragocenih snovi, izboljšanju kakovosti pridobljenih snovi, ali konzervacijo hrane); prav tako pa tudi v okoljskih znanostih (pri predelavi odpadnih voda, pridobivanju lipidov iz mikroorganizmov, ali stimulaciji rasti rastlin). Skoraj na vseh teh področjih nas zanima izboljšanje vnosa snovi v biološke celice ali pa pridobivanja snovi iz bioloških celic. Razumevanje in kvantifikacija transporta snovi v povezavi z elektroporacijo sta pomembna cilja pri raziskavah elektroporacije. Sposobnost dobrega razumevanja procesov transporta snovi ima pomembne posledice za, naprimer, nadaljnje izboljšanje selektivnega pridobivanja snovi ali sokov iz rastlinskih celic, za izboljšanje dostave zdravil v ciljna tkiva oziroma celice, in za uspešno reševanje trenutnih okoljskih izzivov. Čeprav so elektroporacija in z njo povezani pojavi predmet intenzivnih raziskav, je občutiti pomanjkanje kompleksnejših oziroma popolnejših modelov, ki bi se lahko uporabljali za modeliranje transporta snovi v kompleksnih strukturah, kakršna so biološka tkiva, še posebej v povezavi z elektroporacijo. Pričujoča dizertacija predstavlja poskus izgradnje teoretičnega matematičnega opisa – t.j. modela – za proučevanje transporta snovi v elektroporiranem tkivu. Model, poimenovan model dvojne poroznosti, je osnovan na podlagi obstoječe teoretične analize tlačnih razmer (hidrodinamike) v prsteh, sedimentih, prodovnih nanosih ter lomljenih kamninah. Med temi sistemi ter strukturo bioloških tkiv obstaja analogija, ki je izkoriščena za vzpostavitev ekvivalentne matematične obravnave bioloških tkiv z že obstoječimi metodami in pristopi, ki so bili prvotno razviti v geoloških znanostih, so pa bili že uporabljeni tudi v povezavi z biološkimi materiali, denimo pri obravnavi procesa prešanja z oljem bogatih semen. Model dvojne poroznosti je bil razvit upoštevaje zakone o ohranitvi mase in zakone masnega transporta (termodinamika sistemov v neravnovesju), in omogoča sklapljanje efektov 9 elektroporacije na membrano posameznih celic z rezultirajočim transportom snovi preko membrane in v izvenceličnem prostoru. Slednje predstavlja tudi poglavitni izvirni prispevek znanosti, saj model dvojne poroznosti še ni bil zapisan za difuzijo in v preteklih delih ni predstavljen v povezavi z elektroporacijo. Predstavljena je tudi poučna analitična rešitev modela, ki dovoljuje fizikalno interpretacijo, model pa se lahko enostavno nadgradi z dodatnimi odvisnostmi in s tem modelira učinke elektroporacije, ter nato reši numerično. Dizertacijo sestavlja pet znanstvenih člankov. Prvi podaja pregled nad aplikacijami elektroporacije v industriji predelave hrane ter biorafineriji. Drugi znanstveni članek zajema kontrukcijo modela dvojne poroznosti za problem difuzije topljenca v elektroporiranem tkivu po elektroporaciji. V tretjem članku je zajeta prilagoditev oz. predelava modela dvojne poroznosti za difuzijski problem (koncentracijske razmere) v formo primerno za obravnav problema iztiskanja soka iz elektroporiranega tkiva oz. problem konsolidacije elektroporiranega vzorca rastlinskega tkiva (tlačne razmere). Četrti članek združuje oba modela, model difuzije ter konsolidacije, ter dodaja potrebno validacijo modela prek primerjave eksperimentalno pridobljenih podatkov z rezultati pridobljenimi prek simulacij na modelu. Sklepno poglavje podaja še kratek oris najnovejših rezultatov v smeri izboljšav modela z vključitvijo drugih pomembnih dejavnikov v model kot so izguba turgorskega tlaka in elektroosmoza, ter predloge za možne prihodnje nadgradnje modela, njegovo razširitev in posplošitev.

• Language: Slovenian
• Keywords: elektroporacija, matematično modeliranje, transport snovi, rastlinsko tkivo, difuzija, filtracija-konsolidacija, električna poljska jakost, mehanistični model, celična membrana, elektro-pore
• Work type: Doctoral dissertation
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2015
• PID: 20.500.12556/RUL-80040
• COBISS.SI-ID: 11261524
• Publication date in RUL: 05.01.2016

Secondary language

• Language: English
• Title: EFFECTS OF ELECTRICAL AND THERMAL PRE-TREATMENT ON MASS TRANSPORT IN BIOLOGICAL TISSUE

Abstract

An electric field of sufficient strength can cause a significant increase of conductivity and permeability of cell membrane. Effect is known as electroporation and is attributed to creation of aqueous pathways in the lipid bilayer. Understanding and quantifying mass transport in connection with electroporation of biological tissues is an important goal in research. The ability to fully comprehend transport processes has ramifications in improved juice extraction and improved selective extraction of compounds from plant cells, improved drug delivery, and solutions to current environmental challenges. While electroporation is intensively investigated, there is a lack of comprehensive models that can be used to model mass transport in complex structures such as biological tissues with relation to electroporation. This thesis presents an attempt at constructing a theoretical mathematical description – a model, for studying mass transport in electroporated tissue. The model was developed employing mass conservation and transport laws and enables coupling effects of electroporation to the membrane of individual cells with the resulting mass transport in tissue. An instructive analytical solution has been found via simplifications and the model can be extended with additional dependencies to account for the phenomenon of electroporation, and solved numerically. Thesis comprises five peer-reviewed papers describing electroporation in the food industry, model creation for the problem of diffusion, translation of the model to the mathematically-related case of juice expression, model validation, as well as suggestions for possible future development, extension, and generalization.

• Keywords: electroporation, mathematical modelling, mass transport, plant tissue, diffusion, filtration-consolidation, electric field strength, mechanistic model, cell membrane, electropores