Die reversible Elektroporation (RE) ist eine etablierte Methode, um eine Vielzahl von normalerweise membranundurchlässigen Verbindungen und Molekülen in Zellen zu bringen 1,2,3. Hier werden gepulste elektrische Felder (PEFs) verwendet, um eine kritische elektrische Feldstärke zu erreichen, die transiente, lokalisierte Nanoporen entlang von Teilen der Zellmembran induziert. RE wurde verwendet, um eine Vielzahl von Molekülen und Verbindungen zu verabreichen, die von Farbstoffen und Nukleinsäuren bis hin zu Chemotherapeutika und anderen Arzneimittelnreichen 4,5,6,7,8,9,10. Wenn die Intensität des elektrischen Feldes jedoch ausreichend erhöht wird, kann sie eine höhere kritische Schwelle erreichen, was zu einer raschen Abnahme der Zellviabilität führt 1,2,11,12. Dieser Prozess ist als irreversible Elektroporation (IRE) bekannt und wurde für die Weichteilablation untersucht, einschließlich zur Behandlung von ansonsten inoperablen Tumoren und Herzrhythmusstörungen 11,12,13,14,15,16. Um die Behandlungsergebnisse zu verstehen und zukünftige Behandlungen zu informieren, ist die Quantifizierung dieser RE- und IRE-Schwellenwerte in der Elektroporationsforschung gängige Praxis 12,17,18,19,20. Die RE- und IRE-Schwellenwerte variieren jedoch in Abhängigkeit von vielen Faktoren, einschließlich des Zelltyps, der angelegten Spannung, der Impulsdauer, der Anzahl der Impulse und der Impulsabgaberate 1,17,18,21,22.
Elektroporationsprotokolle weisen eine Reihe von Parametern auf, die zu unterschiedlichen RE- und IRE-Schwellenwerten führen 1,17,18,21,22. Optimale Behandlungsspannungen und Wellenformen sind seit langem erforscht. Die meisten kommerziell erhältlichen Elektroporationstechnologien verwenden Protokolle mit monopolaren PEFs in der Größenordnung von 100 μs bis 10 ms23. Während diese Protokolle klinisch relevante Ergebnisse erzielen, induzieren sie in vivo intensive Muskelkontraktionen 24,25,26. Aus diesem Grund sind kürzere, bipolare Mikrosekundenpulse, die diese Stimulation abschwächen, in jüngster Zeit zu einem interessanten Thema geworden 1,11,24. Diese Pulse führen jedoch neue Faktoren ein, die die RE- und IRE-Schwellenwerte beeinflussen, einschließlich der Pulssymmetrie, der Burst-Dauer und der Temperaturabhängigkeit 1,17,22,27. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass der Zelltyp und die Gewebeeigenschaften sowohl die RE- als auch die IRE-Ergebnisse signifikant beeinflussen 19,28,29. Da sich das Feld weiterentwickelt, besteht die Notwendigkeit, weiter zu charakterisieren, wie sich diese Faktoren und ihre Wechselwirkungen untereinander und mit anderen möglichen Umweltfaktoren auf die RE- und IRE-Schwellenwerte auswirken, was es zunehmend notwendig macht, die experimentelle Effizienz zu verbessern, um Experimente mit höherem Durchsatz zu ermöglichen.
Typische In-vitro-Elektroporationsexperimente testen Protokolle, indem Zellen in einer Küvette mit parallel leitfähigen Platten behandelt werden, was zu einer gleichmäßigen elektrischen Feldverteilung innerhalb der Küvette während der Behandlung führt 19,30,31,32,33,34. Wie bereits erwähnt, ist es notwendig, die RE- und/oder IRE-Schwellenwerte eines Protokolls zu identifizieren, um eine optimale angelegte Spannung für eine bestimmte Behandlung zu ermitteln. Um dies in Küvettenstudien zu erreichen, müssen mehrere Küvetten mit jeweils diskret angelegten Spannungen behandelt werden. Dies erfordert eine beträchtliche Anzahl von Proben, die separat vorbereitet, behandelt und analysiert werden müssen, was den experimentellen Durchsatz einschränkt. Um diesen Prozess zu verbessern, wurden sowohl 2D35,36 als auch 3D 13,20,27,37,38,39 Kulturmodelle entwickelt, um ein Kontinuum von Feldstärken in einer einzelnen Probe unter Verwendung von Elektroden zu bewerten, die ungleichmäßige Feldverteilungen erzeugen 13,20,27,37.38,39. Die RE- und IRE-Schwellenwerte werden dann aus Rechenmodellen der elektrischen Feldverteilung 13,20,27,37,38 abgeleitet. Dadurch wird die Anzahl der benötigten Proben erheblich reduziert und ein höherer Durchsatz bei der Schwellenwertquantifizierung ermöglicht.
Dieser Artikel zielt darauf ab, diesen Ansatz für die Quantifizierung von RE- und IRE-Feldern in einem 3D-In-vitro-Modell zu demonstrieren, um sein Potenzial als Mittel zur effizienten Bewertung von Elektroporationsprotokollen in verschiedenen Umgebungen (z. B. Zelltypen, Behandlungsparameter, zu verabreichende Moleküle) zu demonstrieren.