Elektroporasyonda, yüksek voltajlı elektrik darbeleri, aksi takdirde kötü bir şekilde kullanılan moleküller için plazma zarı geçirgenliğinde bir artışa neden olur1. Elektroporasyona dayalı teknikler günümüzde tıp2, biyoteknoloji3 ve gıda teknolojisi4'teki uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Nöronal ve kas hücreleri gibi uyarılabilir hücreler, kalp, beyin ve iskelet kaslarında hızla ortaya çıkan elektroporasyona dayalı tedavilerde birincil hedefler arasındadır5. Ayrıca, birincil hedef olmadıkları tedavilerde bile elektrik darbelerinden etkilenebilirler ve bu da ağrı, kas seğirmesi ve sinir hasarı gibi olumsuz yan etkilere neden olabilir6. Yani, elektrik darbeleri, uyarılabilir hücrelerin elektriksel uyarılmasına neden olabilir: voltaj kapılı iyon kanallarını aktive ederler ve aksiyon potansiyellerini (AP) tetiklerler. Bununla birlikte, daha yüksek elektrik alanlarında, hücrelerin plazma zarı geçirgen hale gelir ve gözeneklerden/kusurlardan ek iyonik akım meydana gelir7. Bu ek iyonik akım, uyarma ve elektroporasyon arasındaki karmaşık bir etkileşimde hücre uyarılabilirliğini etkiler. Bu nedenle, uyarılabilir ve uyarılamayan dokuların elektroporasyona dayalı tedavilerini optimize etmek için, elektrik darbelerinin uyarılabilir hücreler, iyon kanalları ve in vitro uyarılabilirlik üzerindeki etkilerini incelemeye ihtiyaç vardır.
Yakın tarihli bir çalışmada8, Cohen ve ark.9,10 tarafından geliştirilen genetik olarak tasarlanmış insan embriyonik böbrek (HEK) hücrelerini, uyarılabilir hücrelerde elektroporasyonu incelemek için değerli bir araç olarak araştırdık. Aksi takdirde uyarılamayan bu hücrelerde, uyarılabilirlik için gerekli olan sodyum ve potasyum kanallarının (NaV1.5 ve Kir2.1) minimal bir tamamlayıcısı eksprese edilir. Bu hücrelerde Kir2.1'in ekspresyonu, iki hücre varyantının oluşturulmasına izin veren bir doksisiklin kaynaklı tet-on sistemi tarafından kontrol edilir: uyarılabilir sivri uçlu S-HEK (NaV1.5 ve Kir2.1 içeren) ve uyarılamayan sivri uçlu olmayan NS-HEK hücreleri (sadece NaV1.5 kanalları içeren). Bu, elektrik darbelerinin aynı tip hücrelerin uyarılabilir ve uyarılamaz varyantları üzerindeki etkilerini karşılaştırmamızı sağlar. İzole edilmiş birincil uyarılabilir hücreler, embriyonik veya indüklenmiş pluripotent kök hücrelerden farklılaşan uyarılabilir hücreler ve uyarılabilir dokulardan türetilen hücre dizileri ile karşılaştırıldığında, S-HEK hücrelerinin çeşitli avantajları vardır: kullanımları, yetiştirilmeleri ve çoğaltılmaları kolaydır, iyi tanımlanmış sodyum ve potasyum kanallarına sahiptirler ve sağlam AP'ler üretirler8.
Floresan potansiyometrik boya kullanarak farklı genliklerdeki elektrik darbeleri tarafından tetiklenen transmembran voltajındaki (TMV) değişiklikleri izlemek için bir protokol tasarladık. Bu şekilde, elektroporasyonun S-HEK hücrelerinde AP oluşumunu ve hem S-HEK hem de NS-HEK hücrelerinde TMV'deki diğer değişiklikleri nasıl etkilediğini inceleyebiliriz. Kısaca, S-HEK veya NS-HEK hücreleri her 2 dakikada bir 100 μs'lik tek bir elektrik darbesine maruz bırakılır ve floresandaki nispi değişiklikler her darbe uygulamasının etrafında yaklaşık 3 saniye boyunca kaydedilir. Uygulanan darbeler artan voltaja sahiptir, önce hücrelerde AP'leri tetikler ve daha yüksek bir elektrik alanında elektroporasyona neden olur. Darbe uygulaması arasındaki 2 dakikalık aralık, ardışık darbelerin olası kümülatif etkilerini en aza indirmek ve deneyleri hücreleri bozmayacak kadar kısa tutmak için seçildi. Görüntü işleme, potansiyometrik boyanın floresan tepkilerinin ilgili parametrelerini çıkarmak için özel bir MATLAB uygulaması ile otomatikleştirildi, böylece S-HEK ve NS-HEK hücrelerinde TMV'deki değişiklikler (AP'ler ve elektroporasyona bağlı sürekli depolarizasyon) değerlendirildi.