Electroporation

Electroporation หรือ electropermeabilization เป็นเทคนิคทางอณูชีววิทยาที่ประกบสนามไฟฟ้าเข้ากับเซลล์เพื่อเพิ่มสภาพให้ซึมผ่านได้ของเยื่อหุ้มเซลล์ แล้วทำให้สามารถส่งสารเคมี ยา ชุดอิเล็กโทรด หรือดีเอ็นเอเข้าไปในเซลล์ได้ (เป็นกระบวนการที่เรียกว่า electrotransfer) ในอณูชีววิทยา กระบวนการนี้มักใช้แปลงพันธุ์แบคทีเรีย ยีสต์ หรือโพรโทพลาสต์ของพืชโดยเพิ่มดีเอ็นเอแปลกปลอมเข้าในเซลล์ เช่น ถ้าผสมแบคทีเรียกับพลาสมิดแล้วนำผ่านกระบวนการนี้ พลาสมิดก็จะเข้าไปในแบคทีเรียได้ ทั้งนี้ ขึ้นอยู่กับว่าต้องการจะส่งอะไรเข้าไป เพราะการใช้เพปไทด์ cell-penetrating peptides หรือการใช้เครื่องทำการแบบ CellSqueeze ก็อาจใช้ได้เหมือนกัน กระบวนการนี้ทำโดยสร้างศักย์ไฟฟ้า ~8 กิโลโวลต์/ซ.ม. เข้ากับเซลล์ที่แขวนลอยอยู่ในหลอดชนิด electroporation cuvette ต่อจากนั้น จะต้องระวังในการจัดการเซลล์จนกระทั่งเซลล์แบ่งตัวแล้ว ซึ่งก็จะเกิดเซลล์ใหม่อันมีพลาสมิดที่ต้องการเกิดขึ้นพร้อมกันด้วย

Gene electroporation

ภาพแสดงกระบวนการแสดงออกของยีนที่ส่งผ่านพลาสมิดเข้าไปในเซลล์ (1) การเคลื่อนย้ายดีเอ็นเอไปยังเซลล์ (2) การดูดซับดีเอ็นเอเข้าไปที่เยื่อหุ้มเซลล์ (3) การเคลื่อนย้ายทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ (4) การเคลื่อนไปยังนิวเคลียส (5) การถ่ายโอนดีเอ็นเอผ่านเยื่อหุ้มนิวเคลียส (6) การแสดงออกของยีน

ศักย์ไฟฟ้าข้ามเยื่อหุ้มเซลล์ที่เพิ่มขึ้นอย่างเพียงพอจะทำให้เยื่อหุ้มเซลล์ไม่เสถียร และสภาพให้ซึมผ่านได้ของเยื่อก็จะเพิ่มขึ้น จึงยังโมเลกุลอันปกติซึมผ่านไม่ได้ให้ซึมผ่านได้ แม้กลไกของ gene electrotransfer จะยังไม่ชัดเจน แต่ก็ได้แสดงแล้วว่า ดีเอ็นเอจะเข้าไปที่เยื่อหุ้มเซลล์ส่วนที่หันหน้าชนกับแคโทดเท่านั้น โดยต้องผ่านกระบวนการหลายขั้นตอนรวมทั้งการเคลื่อนย้ายดีเอ็นเอผ่านกระบวนการอิเล็กโตรโฟรีซิสไปยังเซลล์ การแทรกดีเอ็นเอเข้าไปที่เยื่อหุ้มเซลล์ การเคลื่อนย้ายทะลุผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ การเคลื่อนไปยังนิวเคลียส การถ่ายโอนดีเอ็นเอข้ามเยื่อหุ้มนิวเคลียส และในขั้นตอนสุดท้าย การแสดงออกของยีน มีปัจจัยหลายอย่างที่มีผลต่อประสิทธิภาพของการส่งยีนผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ เช่น อุณหภูมิ ลักษณะต่าง ๆ ของศักย์ไฟฟ้า ความเข้มข้นของดีเอ็นเอ สารบัฟเฟอร์ที่ใช้ ขนาดเซลล์ และสมรรถภาพการแสดงออกยีนของเซลล์ สำหรับกระบวนการ gene electrotransfer ในร่างกาย ปัจจัยที่มีผลอื่น ๆ รวมทั้งการแพร่ของดีเอ็นเอผ่านสารเคลือบเซลล์ (extracellular matrix) และคุณสมบัติของเนื้อเยื่อ โดยสภาพนำไฟฟ้าทั่วไปของเนื้อเยื่อก็สำคัญด้วย

เชิงอรรถและอ้างอิง

1. Neumann, E; Schaefer-Ridder, M; Wang, Y; Hofschneider, PH (1982). "Gene transfer into mouse lyoma cells by electroporation in high electric fields". The EMBO Journal. 1 (7): 841–5. doi:10.1002/j.1460-2075.1982.tb01257.x. PMC 553119. PMID 6329708.
2. Jimbo, Yasutoshi; Sasaki, Daisuke; Ohya, Takashi; Lee, Sunghoon; Lee, Wonryung; Arab Hassani, Faezeh; Yokota, Tomoyuki; Matsuura, Katsuhisa; Umezu, Shinjiro; Shimizu, Tatsuya; Someya, Takao (2021). "An organic transistor matrix for multipoint intracellular action potential recording". Proceedings of the National Academy of Sciences. 118 (39): e2022300118. doi:10.1073/pnas.2022300118. PMID 34544852 Check |pmid= value (help). S2CID 237584521 Check |s2cid= value (help).
3. Chang, Donald C. (2006-09-15), "Electroporation and Electrofusion", ใน Meyers, Robert A. (บ.ก.), Encyclopedia of Molecular Cell Biology and Molecular Medicine, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, doi:10.1002/3527600906.mcb.200300026, ISBN 9783527600908
4. Kotnik, T; Miklavcic, D (August 2000). "Analytical description of transmembrane voltage induced by electric fields on spheroidal cells". Biophys J. 79 (2): 670–9. doi:10.1016/S0006-3495(00)76325-9. PMC 1300967. PMID 10920001.
5. Sweeney, DC; Weaver, JC; Davalos, RV (January 2018). "Characterization of Cell Membrane Permeability In Vitro Part I: Transport Behavior Induced by Single-Pulse Electric Fields". Technology in Cancer Research & Treatment. 17: 1533033818792491. doi:10.1177/1533033818792491. PMC 6154305. PMID 30236040.
6. Satkauskas, S; Bureau, MF; Puc, M; Mahfoudi, A; Scherman, D; Miklavcic, D; Mir, LM (February 2002). "Mechanisms of in vivo DNA electrotransfer: respective contributions of cell electropermeabilization and DNA electrophoresis". Molecular Therapy. 5 (2): 133–40. doi:10.1006/mthe.2002.0526. PMID 11829520.
7. Gehl, J (April 2003). "Electroporation: theory and methods, perspectives for drug delivery, gene therapy and research". Acta Physiologica Scandinavica. 177 (4): 437–47. doi:10.1046/j.1365-201X.2003.01093.x. PMID 12648161. S2CID 16742681.
8. Miklavcic, D; Beravs, K; Semrov, D; Cemazar, M; Demsar, F; Sersa, G (May 1998). "The importance of electric field distribution for effective in vivo electroporation of tissues". Biophysical Journal. 74 (5): 2152–8. Bibcode:1998BpJ....74.2152M. doi:10.1016/S0006-3495(98)77924-X. PMC 1299558. PMID 9591642.