Bij elektroporatie veroorzaken elektrische pulsen met hoge spanning een toename van de permeabiliteit van het plasmamembraan voor moleculen die anders slecht permeabel zijn1. Op elektroporatie gebaseerde technieken worden tegenwoordig veel gebruikt in toepassingen in de geneeskunde2, biotechnologie3 en voedingstechnologie4.
Prikkelbare cellen zoals neuronale en spiercellen behoren tot de primaire doelwitten in snel opkomende op elektroporatie gebaseerde behandelingen in het hart, de hersenen en de skeletspieren5. Bovendien kunnen ze worden beïnvloed door elektrische pulsen, zelfs bij therapieën waarbij ze niet de primaire doelen zijn, en dit kan nadelige bijwerkingen veroorzaken zoals pijn, spiertrekkingen en zenuwbeschadiging6. Elektrische pulsen kunnen namelijk elektrische stimulatie van exciteerbare cellen veroorzaken: ze activeren spanningsafhankelijke ionenkanalen en activeren actiepotentialen (AP). Bij hogere elektrische velden wordt het plasmamembraan van de cellen echter permeabiliseerd en treedt er extra ionische stroom door poriën/defecten op7. Deze extra ionische stroom beïnvloedt de prikkelbaarheid van cellen in een complex samenspel tussen excitatie en elektroporatie. Om de op elektroporatie gebaseerde behandelingen van exciteerbare en niet-prikkelbare weefsels te optimaliseren, is het daarom nodig om de effecten van elektrische pulsen op prikkelbare cellen, hun ionkanalen en prikkelbaarheid in vitro te bestuderen.
In een recente studie8 hebben we genetisch gemanipuleerde menselijke embryonale niercellen (HEK) onderzocht, ontwikkeld door Cohen et al.9,10, als een waardevol hulpmiddel voor het bestuderen van elektroporatie in prikkelbare cellen. In deze anders niet-prikkelbare cellen wordt een minimale aanvulling van natrium- en kaliumkanalen (NaV1,5 en Kir2,1) tot expressie gebracht die nodig is voor prikkelbaarheid. De expressie van Kir2.1 in deze cellen wordt gecontroleerd door een door doxycycline geïnduceerd tet-on-systeem dat het mogelijk maakt om twee celvarianten tot stand te brengen: exciteerbare spiking S-HEK (met NaV1.5 en Kir2.1) en niet-exciteerbare niet-spiking NS-HEK-cellen (met alleen NaV1.5-kanalen). Dit stelt ons in staat om de effecten van elektrische pulsen op exciteerbare en niet-prikkelbare varianten van hetzelfde type cellen te vergelijken. Vergeleken met geïsoleerde primaire prikkelbare cellen, exciteerbare cellen gedifferentieerd van embryonale of geïnduceerde pluripotente stamcellen, en cellijnen afgeleid van prikkelbare weefsels, hebben S-HEK-cellen verschillende voordelen: ze zijn gemakkelijk te hanteren, te cultiveren en te vermeerderen, hebben goed gedefinieerde natrium- en kaliumkanalen en genereren robuuste AP's8.
We hebben een protocol ontworpen voor het monitoren van veranderingen in transmembraanspanning (TMV) veroorzaakt door elektrische pulsen van verschillende amplitudes met behulp van een fluorescerende potentiometrische kleurstof. Op deze manier kunnen we bestuderen hoe elektroporatie de AP-generatie in S-HEK-cellen en andere veranderingen in de TMV in zowel S-HEK- als NS-HEK-cellen beïnvloedt. Kortom, de S-HEK- of NS-HEK-cellen worden elke 2 minuten blootgesteld aan een enkele elektrische puls van 100 μs, en relatieve veranderingen in fluorescentie worden geregistreerd gedurende ongeveer 3 s rond elke pulstoepassing. De toegepaste pulsen hebben een toenemende spanning, waarbij eerst AP's in cellen worden geactiveerd en, bij een hoger elektrisch veld, elektroporatie. Het interval van 2 minuten tussen pulstoepassingen werd gekozen om de mogelijke cumulatieve effecten van opeenvolgende pulsen te minimaliseren en tegelijkertijd de experimenten kort genoeg te houden om de cellen niet te verslechteren. De beeldverwerking werd geautomatiseerd met een aangepaste MATLAB-applicatie om relevante parameters van de fluorescentieresponsen van de potentiometrische kleurstof te extraheren, waardoor de veranderingen in TMV (AP's en aanhoudende depolarisatie als gevolg van elektroporatie) in S-HEK- en NS-HEK-cellen werden geëvalueerd.