L'elettroporazione è una tecnica in cui le cellule sono esposte a un campo elettrico, creando pori temporanei nella membrana cellulare attraverso i quali i carichi, tra cui proteine, RNA e DNA, possono passare 1,2. La versione più utilizzata è l'elettroporazione di massa (BEP). La BEP viene eseguita riempiendo una cuvetta con un elettrolita contenente milioni di cellule, esponendo l'elettrolita ad alta tensione e consentendo al carico di entrare nelle cellule attraverso la diffusione o l'endocitosi1. Ci sono molti vantaggi per BEP, tra cui un'elevata produttività e numerosi sistemi disponibili in commercio. Tuttavia, ci sono limitazioni all'erogazione del BEP. Il posizionamento incoerente delle celle rispetto agli elettrodi e la schermatura del campo elettrico dalle celle adiacenti causano una significativa variabilità nell'esposizione al campo elettrico durante BEP 3,4. L'alta tensione richiesta per la BEP ha anche un impatto negativo significativo sulla vitalità delle celle5. Sin dal suo inizio nel 20116, c'è stato un crescente interesse per un metodo di elettroporazione chiamato elettroporazione del substrato poroso (PSEP), anche se a volte viene indicato con altri nomi, tra cui elettroporazione localizzata e nano- o micro-elettroporazione 1,7,8. A differenza della sospensione cellulare di BEP, il PSEP viene condotto su cellule aderenti a un substrato poroso. Non solo uno stato aderente è preferito per la maggior parte delle linee cellulari umane9, ma i pori nel substrato si concentrano anche sulla corrente elettrica, localizzando il potenziale elettrico transmembrana (TMP) in regioni specifiche della membrana cellulare10,11. Questa localizzazione consente una significativa riduzione della tensione applicata, diminuendo il danno e aumentando la vitalità cellulare. Questa combinazione di effetti aiuta a controllare lo sviluppo dei pori della membrana cellulare, risultando in un'erogazione più coerente ed efficiente 1,5,12.
Uno studio recente ha introdotto un dispositivo PSEP con un array di elettrodi placcati in oro a sei pozzetti per contenere inserti a membrana porosa13 disponibili in commercio (Figura 1A, B), una pratica che è stata introdotta per la prima volta da Vindis et al.14. Il dispositivo è in grado di applicare impulsi e misurare l'impedenza elettrica attraverso il monostrato cellulare, nota come impedenza elettrica transepiteliale (TEEI), in tempo reale13. L'interfaccia utente del dispositivo consente il controllo completo della forma d'onda e della polarità dell'elettroporazione. È importante sottolineare che le misurazioni dell'impedenza in tempo reale possono essere utilizzate per prevedere i risultati della somministrazione senza la necessità di costosi reagenti o marcatori fluorescenti, un concetto noto come consegna senza etichetta15.
La piattaforma PSEP è costituita da due principali componenti elettrici personalizzati: il corpo principale del dispositivo, che ospita il generatore di impulsi e l'apparecchiatura di misurazione TEEI, e l'array di elettrodi, dove vengono inseriti i substrati porosi e avviene l'elettroporazione. I diagrammi per tutta l'elettronica personalizzata e i componenti stampati in 3D sono disponibili all'indirizzo GitHub: https://github.com/YangLabUNL/PSEP-TEEI. Oltre all'elettronica personalizzata, è necessario anche un computer per il corretto funzionamento della piattaforma. Il software personalizzato richiede l'esecuzione di MATLAB (versione 2021a o successiva) e Microsoft Excel per l'archiviazione e l'accesso ai dati per l'analisi. Il programma controlla l'elettronica personalizzata e fornisce l'interfaccia utente grafica (GUI) per la regolazione delle impostazioni. Questi programmi sono stati resi disponibili anche su GitHub: https://github.com/YangLabUNL/PSEP-TEEI.
I dati preliminari suggeriscono che questo processo è possibile per diversi tipi di cellule aderenti (Figura 1C), ma questo articolo discuterà solo la preparazione delle cellule A431 utilizzando parametri che sono stati trovati ottimali per questa linea cellulare da Brooks et al.13. Inoltre, poiché il carico di ioduro di propidio (PI) è citotossico, vengono eseguiti due esperimenti, il primo con un terreno di trasfezione PI ad alta concentrazione per quantificare l'efficienza di somministrazione e il secondo con solo terreni di coltura cellulare per misurare il TEEI su scale temporali più lunghe. Questi esperimenti utilizzano forme d'onda di elettroporazione identiche, consentendo di correlare i risultati (Figura 1D).

Figura 1: Schema di assemblaggio dell'array di elettrodi e dati fondamentali. (A) Modello CAD di un inserto all'interno di un pozzetto dell'array di elettrodi. (B) Modello CAD dell'array di elettrodi. (C) Aumento dell'impedenza dovuto al PSEP per linee cellulari selezionate, n = 3 per linea cellulare. Barra di errore: errore standard della media. (D) Efficienza della consegna vs. TEEI aumenta i dati di correlazione. L'efficienza di somministrazione è stata calcolata dividendo il numero di cellule marcate nelle immagini PI e calceina dagli esperimenti di somministrazione per il numero totale di cellule identificate con Hoechst. Il numero di celle è stato determinato utilizzando una pipeline CellProfiler personalizzata, n = 6 per tensione. Barra di errore: (asse x e y) errore standard della media. Questa figura è riprodotta da Brooks et al.13 con il permesso. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.