ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2023, № 8 · БИОМЕДИЦИНСКАЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКА

Моделирование процесса порообразования при электрическом пробое бислойных липидных мембран

А.Д. Старостин1, Л.А. Миткевич1, В.С. Агентова1, И.М. Шогенов1, А.А. Аносов1,2, А.Г. Упатова1

1 Первый МГМУ им. И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет), Москва, Россия
2 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2023.8.11 УДК 577.352.26 EDN CSETVQ

Аннотация

Адресная доставка лекарств - одно из важнейших направлений в фармакологии. Лекарственный препарат можно поместить в липосомальную оболочку и разрушить ее в определенном месте организма с помощью электропорации. Во многих экспериментах по изучению электропорации в качестве модели для воздействия электрического поля используется бислойная липидная мембрана БЛМ (черная пленка). Характерный размер пор при электропорации составляет несколько нанометров, что соответствует толщине мембраны. Эти поры можно визуализировать с помощью криоэлектронной микроскопии или атомно-силовой микроскопии. Однако этими методами нельзя наблюдать динамику пор: изменение их количества в мембране и изменения их размера с течением времени. Мы предлагаем использовать цветную пленку толщиной 100-500 нм, пока она не превратилась в черную пленку БЛМ, в качестве модели БЛМ. В цветной пленке были зарегистрированы метастабильные поры-дефекты размером около 6 мкм, за которыми наблюдали с помощью светового микроскопа (видео прилагается, дефекты-поры появляются в самом конце записи). Были рассмотрены временные характеристики зарегистрированных пор-дефектов: время жизни пор до разрыва мембраны, скорость увеличения числа пор в мембране. Полученные результаты показывают, что толстая цветная пленка может быть использована как модель БЛМ для изучения процесса возникновения пор при электропорации.

  • мембрана
  • пора
  • электропорация
  • мембранный ток
  • интерференция света
Abstract (in English)

Modeling of the process of pore formation during electrical breakdown of bilayer lipid membranes

Targeted drug delivery is one of the most important areas in pharmacology. The drug can be placed in a liposomal shell and destroyed it in a specific location in the body using electroporation. In many experiments on the study of electroporation, the bilayer lipid membrane BLM (black film) is used as a model for the action of an electric field. The characteristic pore size during electroporation is several nanometers, which corresponds to the membrane thickness. These pores can be visualized using cryoelectron microscopy or atomic force microscopy. However, we cannot observe with the help of these methods the dynamics of pores: changes in their number in the membrane and changes in their size over time. We suggest using 100-500 nm color film until it has turned into a black BLM film as the BLM model. Metastable pore-defects about 6 µm in size were registered in the color film, which were observed with a light microscope (video is attached, pore-defects appear at the very end of the recording). The temporal characteristics of the registered pore-defects were considered: the lifetime of pores before membrane rupture, the rate of increase in the number of pores in the membrane. The results obtained show that a thick colored film can be used as a BLM model for studying the process of pore formation during electroporation.

Для цитирования

Старостин А.Д., Миткевич Л.А., Агентова В.С., Шогенов И.М., Аносов А.А., Упатова А.Г. Моделирование процесса порообразования при электрическом пробое бислойных липидных мембран // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – № 8. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.8.11

Литература

  1. Weaver J.C., Chizmadzhev Y.A. Theory of electroporation: a review. Bioelectrochemistry and bioenergetics. 1996. V.41. №2. P.135-160. https://doi.org/10.1016/S0302-4598(96)05062-3
  2. Alvarez-Erviti L., Seow Y., Yin H., Betts C., Lakhal S., Wood M. J. Delivery of siRNA to the mouse brain by systemic injection of targeted exosomes. Nature Biotechnology. 2011. №29. P.341-345. https://doi.org/10.1038/nbt.1807
  3. Wilhelm C., Winterhalter M., Zimmermann U., Benz R. Kinetics of pore size during irreversible electrical breakdown of lipid bilayer membranes. Biophysical Journal. 1993. №64. P.121-128. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(93)81346-8
  4. Barnett A., Weaver J. C. Electroporation: a unified, quantitative theory of reversible electrical breakdown and mechanical rupture in artificial planar bilayer membranes. Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. 1991. V.320. №2. P.163-182. https://doi.org/10.1016/0022-0728(91)85625-Y
  5. Крауфорд Ф.С. Том 3. Волны. Москва, Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука". 1974. 527 с.
  6. Chang D.C., Reese T.S. Changes in membrane structure induced by electroporation as revealed by rapid-freezing electron microscopy. Biophysical Journal. 1990. V.58. №1. P.1-12. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(90)82348-1
  7. Jeuken L.J. AFM study on the electric-field effects on supported bilayer lipid membranes. Biophysical Journal. 2008. V.94. №12. P.4711-4717. https://doi.org/10.1529/biophysj.107.122887
  8. Awasthi N., Kopec W., Wilkosz N. et al. Molecular Mechanism of Polycation-Induced Pore Formation in Biomembranes. ACS Biomater. Sci. Eng. 2019. V.5. №2. P.780-794. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsbiomaterials.8b01495
  9. Glaser R.W., Leikin S.L., Chernomordik L.V., Pastushenko V.F., Sokirko A.V. Reversible electrical breakdown of lipid bilayers: formation and evolution of pores. Biochimica et Biophysica Acta (BBA). 1988. V.940 №2. P.275-287. https://doi.org/10.1016/0005-2736(88)90202-7
  10. Freeman S.A., Wang M.A., Weaver J.C. Theory of electroporation of planar bilayer membranes: predictions of the aqueous area, change in capacitance, and pore-pore separation. Biophysical Journal. 1994. V.67. №1. P.42-56. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(94)80453-9