Bei der Elektroporation bewirken elektrische Hochspannungsimpulse eine Erhöhung der Plasmamembranpermeabilität für Moleküle, die sonst schlecht permeiert sind1. Elektroporationsbasierte Techniken sind heute in Anwendungen in der Medizin2, Biotechnologie3 und Lebensmitteltechnologie4 weit verbreitet.
Erregbare Zellen wie neuronale Zellen und Muskelzellen gehören zu den primären Zielen bei schnell aufkommenden Elektroporations-basierten Behandlungen des Herzens, des Gehirns und der Skelettmuskulatur5. Darüber hinaus können sie auch bei Therapien, bei denen sie nicht die primären Ziele sind, von elektrischen Impulsen beeinflusst werden, was zu unerwünschten Nebenwirkungen wie Schmerzen, Muskelzuckungen und Nervenschäden führenkann 6. Elektrische Pulse können nämlich eine elektrische Stimulation von erregbaren Zellen bewirken: Sie aktivieren spannungsgesteuerte Ionenkanäle und lösen Aktionspotentiale (AP) aus. Bei höheren elektrischen Feldern wird jedoch die Plasmamembran der Zellen permeabilisiert, und es entsteht zusätzlicher Ionenstrom durch Poren/Defekte7. Dieser zusätzliche Ionenstrom beeinflusst die Erregbarkeit der Zellen in einem komplexen Zusammenspiel zwischen Anregung und Elektroporation. Um die auf Elektroporation basierende Behandlung von erregbaren und nicht erregbaren Geweben zu optimieren, ist es daher notwendig, die Auswirkungen von elektrischen Impulsen auf erregbare Zellen, ihre Ionenkanäle und die Erregbarkeit in vitro zu untersuchen.
In einer kürzlich durchgeführten Studie8 untersuchten wir gentechnisch veränderte humane embryonale Nierenzellen (HEK), die von Cohen et al.9,10 entwickelt wurden, als wertvolles Werkzeug zur Untersuchung der Elektroporation in erregbaren Zellen. In diesen ansonsten nicht erregbaren Zellen wird ein minimales Komplement an Natrium- und Kaliumkanälen (NaV1,5 und Kir2,1) exprimiert, das für die Erregbarkeit benötigt wird. Die Expression von Kir2.1 in diesen Zellen wird durch ein Doxycyclin-induziertes Tet-on-System gesteuert, das die Etablierung von zwei Zellvarianten ermöglicht: erregbare spikende S-HEK (mit NaV1,5 und Kir2.1) und nicht erregbare nicht-spikende NS-HEK-Zellen (die nur NaV1,5-Kanäle enthalten). Dies ermöglicht es uns, die Auswirkungen von elektrischen Impulsen auf erregbare und nicht erregbare Varianten desselben Zelltyps zu vergleichen. Im Vergleich zu isolierten primären erregbaren Zellen, erregbaren Zellen, die aus embryonalen oder induzierten pluripotenten Stammzellen differenziert wurden, und Zelllinien, die aus erregbaren Geweben gewonnen wurden, haben S-HEK-Zellen mehrere Vorteile: Sie sind einfach zu handhaben, kultivieren und zu vermehren, haben gut definierte Natrium- und Kaliumkanäle und erzeugen robuste APs8.
Wir haben ein Protokoll zur Überwachung von Änderungen der Transmembranspannung (TMV) entwickelt, die durch elektrische Impulse unterschiedlicher Amplituden unter Verwendung eines potentiometrischen Fluoreszenzfarbstoffs ausgelöst werden. Auf diese Weise können wir untersuchen, wie sich die Elektroporation auf die AP-Bildung in S-HEK-Zellen und andere Veränderungen des TMV sowohl in S-HEK- als auch in NS-HEK-Zellen auswirkt. Kurz gesagt, die S-HEK- oder NS-HEK-Zellen werden alle 2 Minuten einem einzelnen elektrischen Impuls von 100 μs ausgesetzt, und relative Änderungen der Fluoreszenz werden für etwa 3 s um jede Pulsanwendung aufgezeichnet. Die angelegten Pulse haben eine zunehmende Spannung, die zunächst APs in Zellen und bei einem höheren elektrischen Feld eine Elektroporation auslöst. Das 2-Minuten-Intervall zwischen der Pulsapplikation wurde gewählt, um die möglichen kumulativen Effekte aufeinanderfolgender Pulse zu minimieren und gleichzeitig die Experimente kurz genug zu halten, um die Zellen nicht zu verschlechtern. Die Bildverarbeitung wurde mit einer speziellen MATLAB-Anwendung automatisiert, um relevante Parameter der Fluoreszenzreaktionen des potentiometrischen Farbstoffs zu extrahieren und so die Veränderungen des TMV (APs und anhaltende Depolarisation aufgrund von Elektroporation) in S-HEK- und NS-HEK-Zellen zu bewerten.