Name: 的方向转变，并在电脉冲电场方向的应用，提高质粒的基因转移在体外 /em (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2011-09-12T14:00:00.000+00:00
Duration: 4 min 46 s
Description: 学习电穿孔基因转染技术，通过改变电场方向提高转染效率。本研究使用中国仓鼠卵巢细胞（CHO）证明该方法可将基因转移效率提升约两倍，同时不影响细胞活力。

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本工作由斯洛文尼亚研究署（项目 J2-9770、基础设施中心 IP-0510 和项目 P2-0249）资助。本视频是斯洛文尼亚卢布尔雅那大学电气工程学院主办的“电穿孔技术与治疗”科学研讨会及研究生课程的补充材料。作者还感谢 Duša Hodžič 慷慨提供质粒 DNA。

1. 实验用细胞培养、质粒及缓冲液的准备
<ol>
 <li>本实验使用中国仓鼠卵巢细胞（CHO-K1）。细胞在添加了2 mM L-谷氨酰胺、10%胎牛血清、400 µl/l 庆大霉素（以上均来自Sigma-Aldrich Chemie GmbH，德国德森霍芬）和1 ml/l 羧苄青霉素（Pliva，克罗地亚萨格勒布）的营养混合液HAM-F12（PAA）中培养。细胞置于37°C、含5% CO2的湿润培养箱中孵育24小时。</li>
 <li>在大肠杆菌DH5α菌株中扩增编码绿色荧光蛋白（GFP）的质粒pEGFP-N1（Clontech Laboratories Inc.，美国加利福尼亚州山景城），并使用HiSpeed Plasmid Maxi试剂盒（Qiagen，德国希尔登）进行提取。质粒DNA浓度（溶于TE缓冲液中的质粒）应通过分光光度法在260 nm处测定，并通过凝胶电泳确认。</li>
 <li>配制等渗磷酸钠缓冲液（10 mM Na2HPO4，10 mM NaH2PO4，1 mM MgCl2，250 mM 蔗糖，pH 7.4）。</li>
 <li>实验当天，用0.25%胰蛋白酶/EDTA溶液（Sigma-Aldrich Chemie GmbH，德国德森霍芬）进行消化制备细胞悬液。在4°C条件下以1000 rpm（180 × g）离心5分钟（Sigma，德国），将细胞沉淀重悬于等渗磷酸钠缓冲液中，调整细胞密度至5 × 106 个细胞/ml。</li>
</ol>

2. 硬件设备
<ol>
 <li>细胞在移液器尖端（图1）中暴露于电场，该尖端集成了连接至高压原型发生器的电极。尖端与电极的几何结构可实现相对均匀的电场施加，且该发生器能够提供不同方向的电脉冲。该尖端与发生器由卢布尔雅那大学电气工程学院生物控制论实验室研发1。</li>
</ol>

<img src="/files/ftp_upload/3309/3309fig1.jpg" alt="显示实验室环境中毛细管电泳分离装置及检测器细节的示意图。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图1"> 图1. 带集成电极的移液器吸头的垂直与水平（a）截面图及实物照片（b）。在截面图中，灰色表示塑料外壳，黑色表示电极。带集成电极的移液器吸头由四个圆柱形杆状电极组成。电极由不锈钢制成，直径为1.4 mm，相邻电极间距为1 mm，相对电极间距为2 mm。电极平行地粘接于塑料吸头内，有效长度为30 mm2。

3. 基因电转移方案
<ol>
 <li>将质粒 pEGFP-N1 以 10 μg/ml 的浓度加入细胞悬液中。</li>
 <li>在施加电脉冲前，于室温下孵育混合物 2-3 分钟。</li>
 <li>用带有集成电极的移液枪头吸取 100 µl 细胞悬液。</li>
 <li>为达到最佳基因电转移效率并维持细胞活力，应使用最优的电脉冲参数。本实验中，使用高压原型发生器对每个样品施加一串 8 个矩形脉冲（每个脉冲持续时间为 1 ms，幅值为 225 V，重复频率为 1 Hz）。采用两种不同的电场方案（图 2）：在第一种方案中，所有脉冲沿同一方向施加；而在第二种方案中，通过交替改变电场的方向和取向来施加脉冲。第二种方案仅可在配备能够施加不同方向电脉冲的适当脉冲发生器时使用。</li>
 <li>电脉冲施加后，立即将细胞从移液枪头转移至 6 孔板中，并加入胎牛血清（FCS-Sigma, USA）（体积为样品的 25%）。</li>
 <li>在 37°C 下孵育细胞 5 分钟，以使细胞膜重新封闭。</li>
 <li>向 6 孔板中的每个样品加入 2 ml HAM-F12，并在 37°C、湿润的 5% CO2 环境中孵育细胞 24 小时。</li>
</ol>

<img src="/files/ftp_upload/3309/3309fig2.jpg" alt="步进电机控制示意图，显示1-2和3-4波形，以及方向序列指示。" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图2"> 图2. 电场刺激方案：(a) 所有脉冲均沿同一方向施加；(b) 通过交替改变电场的方向和取向来施加脉冲。

4. 图像采集与基因电转移效率的测定
<ol>
 <li>基因电转移效率通过脉冲施加后24小时表达GFP的细胞百分比来确定。</li>
 <li>使用荧光显微镜（本实验中为Zeiss 200, Axiovert, ZR Germany）观察细胞，激发光由单色器系统（PolyChrome IV, Visitron, Germany）产生，波长为488 nm，发射光在507 nm处检测。图像通过成像系统（MetaMorph imaging system, Visitron, Germany）采集，但也可使用其他类似的图像采集软件。</li>
 <li>在20倍物镜放大下至少采集五张图像（相差图像和绿色荧光图像）。</li>
 <li>在相差图像中计数总细胞数，在绿色荧光图像中计数表达GFP的细胞数。通过将表达GFP的细胞数除以每张对应图像中的总细胞数，计算基因电转移效率的百分比（图3）。</li>
</ol>

5. 典型结果：
<img src="/files/ftp_upload/3309/3309fig3.jpg" alt="比较不同脉冲方向方案的基因电转移效率的柱状图" data-altupdatedat="1788235205000" data-alt="图3"> 图3. 显示了在所有脉冲均沿同一方向施加，以及通过交替改变电场方向和取向施加脉冲时，表达GFP的细胞百分比。细胞接受了一组八个脉冲处理，脉冲幅度为225 V，持续时间为1 ms，重复频率为1 Hz。结果通过荧光显微镜获得。图中每个数值代表三次独立实验的平均值±标准差。通过交替改变电场的方向和取向，表达GFP的细胞百分比增加。

<ol><li>Rebersek, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electroporator+with+automatic+change+of+electric+field+direction+improves+gene+electrotransfer+in-vitro%5BTitle%5D)+AND+%22Biomed+Eng+Online%22%5BJournal%5D)">Electroporator with automatic change of electric field direction improves gene electrotransfer in-vitro.</a> Biomed Eng Online. 6, 25-25 (2007).</li>
<li>Trontelj, K., Rebersek, M., Miklavcic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tip+electrode+chamber+for+small+volume+electroporation%2C+electrofusion%2C+and+gene+transfection%5BTitle%5D)+AND+%22%22%5BJournal%5D)">Tip electrode chamber for small volume electroporation, electrofusion, and gene transfection.</a> 18, (2006).</li>
<li>Neumann, E., Schaefer-Ridder, M., Wang, Y., Hofschneider, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gene+transfer+into+mouse+lyoma+cells+by+electroporation+in+high+electric+fields%5BTitle%5D)+AND+%22EMBO+J%22%5BJournal%5D)">Gene transfer into mouse lyoma cells by electroporation in high electric fields.</a> EMBO J. 1, 841-841 (1982).</li>
<li>Daud, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Phase+I+trial+of+interleukin-12+plasmid+electroporation+in+patients+with+metastatic+melanoma%5BTitle%5D)+AND+%22J+Clin+Oncol%22%5BJournal%5D)">Phase I trial of interleukin-12 plasmid electroporation in patients with metastatic melanoma.</a> J Clin Oncol. 26, 5896-5903 (2008).</li>
<li>Pavlin, M., Miklavcic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effective+conductivity+of+a+suspension+of+permeabilized+cells%3A+a+theoretical+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">Effective conductivity of a suspension of permeabilized cells: a theoretical analysis.</a> Biophys J. 85, 719-729 (2003).</li>
<li>Xie, T., Sun, L., Zhao, H., Fuchs, J., Tsong, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Study+of+mechanisms+of+electric+field-induced+DNA+transfection.+IV.+Effects+of+DNA+topology+on+cell+uptake+and+transfection+efficiency%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">Study of mechanisms of electric field-induced DNA transfection. IV. Effects of DNA topology on cell uptake and transfection efficiency.</a> Biophys J. 63, 1026-1031 (1992).</li>
<li>Rols, M., Delteil, C., Serin, G., Teissie, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Temperature+effects+on+electrotransfection+of+mammalian+cells%5BTitle%5D)+AND+%22Nucleic+Acids+Res%22%5BJournal%5D)">Temperature effects on electrotransfection of mammalian cells.</a> Nucleic Acids Res. 22, 540-540 (1994).</li>
<li>Golzio, M., Teissie, J., Rols, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Cell+synchronization+effect+on+mammalian+cell+permeabilization+and+gene+delivery+by+electric+field%5BTitle%5D)+AND+%22Biochim+Biophys+Acta%22%5BJournal%5D)">Cell synchronization effect on mammalian cell permeabilization and gene delivery by electric field.</a> Biochim Biophys Acta. 1563, 23-28 (2002).</li>
<li>Haberl, S., Miklavcic, D., Pavlin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+Mg+ions+on+efficiency+of+gene+electrotransfer+and+on+cell+electropermeabilization%5BTitle%5D)+AND+%22Bioelectrochemistry%22%5BJournal%5D)">Effect of Mg ions on efficiency of gene electrotransfer and on cell electropermeabilization.</a> Bioelectrochemistry. 79, 265-271 (2010).</li>
<li>Rols, M., Teissie, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electropermeabilization+of+mammalian+cells+to+macromolecules%3A+control+by+pulse+duration%5BTitle%5D)+AND+%22Biophys+J%22%5BJournal%5D)">Electropermeabilization of mammalian cells to macromolecules: control by pulse duration.</a> Biophys J. 75, 1415-1423 (1998).</li>
<li>Kanduser, M., Miklavcic, D., Pavlin, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanisms+involved+in+gene+electrotransfer+using+high-and+low-voltage+pulses-An+in+vitro+study%5BTitle%5D)+AND+%22Bioelectrochemistry%22%5BJournal%5D)">Mechanisms involved in gene electrotransfer using high-and low-voltage pulses-An in vitro study.</a> Bioelectrochemistry. 74, 265-271 (2009).</li>
<li>Pavlin, M., Flisar, K., Kanduser, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+role+of+electrophoresis+in+gene+electrotransfer%5BTitle%5D)+AND+%22J+Membr+Biol%22%5BJournal%5D)">The role of electrophoresis in gene electrotransfer.</a> J Membr Biol. 236, 75-79 (2010).</li>
<li>Sersa, G., Cemazar, M., Semrov, D., Miklavcic, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Changing+electrode+orientation+improves+the+efficacy+of+electrochemotherapy+of+solid+tumors+in+mice%5BTitle%5D)+AND+%22Bioelectrochem+Bioenerg%22%5BJournal%5D)">Changing electrode orientation improves the efficacy of electrochemotherapy of solid tumors in mice.</a> Bioelectrochem Bioenerg. 39, 61-66 (1996).</li>
<li>Faurie, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electro-mediated+gene+transfer+and+expression+are+controlled+by+the+life-time+of+DNA%2Fmembrane+complex+formation%5BTitle%5D)+AND+%22J+Gene+Med%22%5BJournal%5D)">Electro-mediated gene transfer and expression are controlled by the life-time of DNA/membrane complex formation.</a> J Gene Med. 12, 117-125 (2010).</li>
</ol>

未声明任何利益冲突。

基因电转移是一种多功能的生物技术，通过施加短暂的高电压电脉冲将DNA导入细胞3，由于其安全性高、效率良好且操作简便，是病毒载体的一种更安全的替代方法。尽管目前基因电转移已广泛用于转染各类细胞，并已有首个采用该方法的I期临床试验报道4，但其潜在的作用机制尚未完全阐明。已知的是，当对细胞施加足够强度的电脉冲时，会引起跨膜电位升高，从而导致细胞膜失稳5。细胞膜通透性因此增加，使原本不能透过膜的分子得以进入细胞。已有大量参数被描述6-9，可影响基因电转移的效率，尤其是不同电脉冲参数的应用已被广泛研究，以提高基因转移效果10-12。在脉冲递送过程中改变电场方向和取向，可扩大细胞膜的可渗透区域13，从而增加可用于DNA分子转移的有效区域。研究表明，在电脉冲施加过程中交替改变电场方向和取向，可提高表达所转移基因的细胞比例14。为此，必须使用能够施加不同方向电脉冲的电脉冲发生器1。我们采用此类脉冲发生器以及集成电极的移液器吸头，以演示在所有脉冲均沿同一方向施加，与交替改变电场方向...

<table><tbody><tr><td>HAM-F12</td><td>PAA Laboratories</td><td>E15-016</td><td>培养基</td></tr><tr><td>L-谷氨酰胺</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G7513</td><td></td></tr><tr><td>胎牛血清</td><td>PAA Laboratories</td><td>A15-151</td><td></td></tr><tr><td>庆大霉素</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>G1397</td><td>抗生素</td></tr><tr><td>结晶霉素</td><td>Pliva</td><td>625110</td><td>抗生素</td></tr><tr><td>pEGFP-N1</td><td>Clontech Laboratories</td><td>6085-1</td><td>质粒DNA</td></tr><tr><td>HiSpeed 质粒大提试剂盒</td><td>Qiagen</td><td>12662</td><td></td></tr><tr><td>Na&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;HPO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>Merck &amp;amp; Co., Inc.</td><td>F640786 933</td><td></td></tr><tr><td>NaH&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;PO&lt;sub&gt;4&lt;/sub&gt;</td><td>TKI Hrastnik</td><td>0795</td><td></td></tr><tr><td>MgCl&lt;sub&gt;2&lt;/sub&gt;</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M-8266</td><td></td></tr><tr><td>蔗糖</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>16104</td><td></td></tr><tr><td>胰蛋白酶/EDTA 溶液</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>T4174</td><td></td></tr><tr><td>移液器吸头</td><td>定制</td><td></td><td></td></tr><tr><td>电脉冲发生器</td><td>定制</td><td></td><td></td></tr><tr><td>6孔板</td><td>Techno Plastic Products</td><td>92406</td><td></td></tr><tr><td>15 ml 离心管</td><td>Techno Plastic Products</td><td>91015</td><td></td></tr><tr><td>75 cm&lt;sup&gt;2&lt;/sup&gt; 培养瓶</td><td>Techno Plastic Products</td><td>90076</td><td></td></tr></tbody></table>

改变电脉冲施加过程中电场的方向和取向可提高体外质粒基因转导效率 in vitro

Changing the Direction and Orientation of Electric Field During Electric Pulses Application Improves Plasmid Gene Transfer in vitro

基因电转移是一种通过施加短暂而强烈的电脉冲将基因导入细胞的物理方法，这些电脉冲会导致细胞膜失稳，使其对小分子具有通透性，并允许DNA等大分子进入细胞。由于其安全性高、效率好且操作简便，该方法是病毒载体的一种有效替代方案。为了实现最大化的基因转染效果，基因电转移中采用不同的电脉冲方案，其中之一是在电脉冲施加过程中改变电场的方向和取向。改变电场的方向和取向可增加细胞膜上适于DNA进入的区域面积。在本视频中，我们展示了在所有电脉冲均沿同一方向施加与交替改变电场方向和取向施加电脉冲两种情况下，基因电转移效率的差异。为此，使用了集成电极的电转头和一种高压原型发生器，后者可在施加电脉冲期间实现电场方向的切换。基因电转移效率通过脉冲施加24小时后表达绿色荧光蛋白的细胞数占总细胞数的比例来确定。结果表明，在电脉冲施加过程中改变电场取向可提高基因转染效率。

在脉冲施加过程中改变电场方向，可使电穿孔介导的基因转染效率提高约两倍，同时不影响细胞活力。基因转染效率的提升是由于细胞膜上具备DNA进入能力的区域面积增加所致。

基因电转移是一种通过施加短暂而强烈的电脉冲将基因导入细胞的物理方法，这些电脉冲可导致...

基因电穿孔转移是一种通过施加短暂而强烈的电脉冲将基因导入细胞的物理方法。在成功的基因电穿孔转移过程中，涉及多个步骤：DNA与细胞膜形成复合物、DNA跨过电穿孔后的膜进行转位、DNA从细胞质转移至细胞核，以及基因的表达。为了实现最高的基因转染效率，常采用不同的电脉冲方案。其中一种方法是在脉冲递送过程中改变电场方向。在本视频中，我们展示了当所有脉冲沿同一方向递送与改变电场方向递送时，基因电穿孔转染效率的差异。本实验以中国仓鼠卵巢细胞（CHOK1）进行。按照以下步骤操作：将细胞在培养箱中的培养瓶内培养24小时。实验当天，使用含0.25%胰蛋白酶的EDTA溶液制备细胞悬液，并计数细胞；在4°C条件下，以1000转/分钟离心5分钟，收集细胞沉淀，然后将细胞沉淀重悬于ISO OSM Miller磷酸钠缓冲液中，调整细胞密度至每毫升500万个细胞。将样品转移至合适的培养皿中，使细胞在带有集成电极的移液枪头中暴露于电场，电极连接至高压原型发生器。这些电极可在不同方向上施加相对均匀的电场。电极尖端和发生器由电气工程生物控制论学院实验室研制。卢安那大学将质粒 E-G-F-P-N1 以每毫升 10 微克的浓度加入细胞悬液中。将细胞与质粒DNA充分混合，在室温下孵育2至3分钟，然后施加电脉冲。用带有集成电极的移液器吸头吸取100微升细胞悬液。在本实验中，使用高压原型发生器施加一串八个矩形脉冲，针对不同的电场方案，在第一个方案中采用这些参数。所有脉冲均沿同一方向施加，而在第二种方案中，通过改变电场方向来施加脉冲。第二种方案只能使用能够施加不同方向电脉冲的专用脉冲发生器。脉冲施加后，立即将细胞从移液管尖转移至六孔板中，并加入胎牛血清。将样品体积的25%在37摄氏度下孵育细胞5分钟。为使细胞膜重新封闭，在6孔板中每份样品加入2毫升HAMF 12，并在37摄氏度、湿润的5%CO2气氛中孵育细胞24小时。基因电转效率通过脉冲施加后24小时表达GFP的细胞百分比来确定。使用成像软件在荧光显微镜下观察细胞。将激发波长设置为 488 纳米，并选择适当的带通滤光片以获取绿色荧光图像，用于检测表达 GFP 的细胞。以 20 倍放大倍数采集至少五张明场对比度和绿色荧光图像。通过物镜放大倍数在明场对比图像中计数细胞，并在绿色荧光图像中计数表达GFP的细胞，将表达GFP的细胞数量除以每幅对应图像中总细胞数量，从而计算基因电转效率的百分比。当所有电脉冲均沿同一方向施加，以及通过改变电场方向施加电脉冲时，表达GFP的细胞百分比随之变化。结果表明，改变电场方向后，表达GFP的细胞百分比显著增加。

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