大规模的电穿孔能量操纵细胞行为有效的药。
Saeid Movahed和丹尼尔·弗里德里希Minnetronix医疗
当应用于组织,电场可以使精确操纵细胞层面的电特性和选择性的消融效果。一个效应,称为电穿孔或electropermeabilization,有许多治疗和诊断应用程序包括肿瘤消融和细胞间的DNA, RNA,蛋白质和其他货物。
细胞间隙分离是由磷脂双分子层外部环境(细胞膜),这是一个电偏振膜的脂质分子。跨膜电位(TMP) -电动电位之间的内在差异,双方的细胞膜——可以被外部字段。这种不连续电势是由细胞膜的能力作为电容器、细胞内和细胞外导率之间的区别,电流的存在导致细胞膜离子泵和离子通道。
存在外部应用电脉冲附近的细胞会改变这个跨膜电位,因此影响膜结构。当外加电场足够强时,它将极大地扰乱细胞膜,创造人工纳米孔。
纳米孔的创建
能量最低原理可以用来解释纳米孔在细胞膜电穿孔。基于这一理论,细胞膜上的毛孔可以疏水或亲水。
热涨落将导致差距的脂质双分子层膜(疏水孔隙)。这些毛孔开始成长的压力下升高TMP增强外部电场。TMP的有一个阈值(0.5 ~ 1 V)的疏水毛孔开始被转化为亲水毛孔(或转换毛孔)通过衬water-attracting头与孔壁的脂质分子,减少他们的能量。
创建第一个亲水纳米孔后,创造亲水纳米孔附近的TMP保持不变,进一步增加的外部电场将不再影响TMP。在这个阶段,增加电场会加剧的electroporated区域细胞膜(亲水纳米孔的面积)以及创建的纳米孔的半径。
电穿孔的五个步骤
电穿孔过程可以分为五个不同的步骤:
- 归纳法:在这个步骤中,TMP增加外部电场,直到它达到临界值。这一步通常小于1微秒。
- 扩张:创建的纳米孔的数量和半径不断增加而TMP保持常数高于阈值。这一步的时间跨度是影响形状和电子脉冲的持续时间,通常在毫秒微秒。
- 稳定:这一步启动外部电场时,因此TMP,减少亚临界价值,而纳米孔仍然存在于细胞膜。
- 再密封:在外部电场,细胞膜的再密封过程开始,通常跨越从秒到几分钟。
- 记忆:再密封步骤后,一些更有弹性的变化通常保持在细胞膜分钟小时。
elecroporation治疗和诊断的应用
纳米孔创造人为的细胞膜电穿孔可以永久或临时的强度和持续时间的基础上应用外部电脉冲(年代)。低,短期电场,创建纳米孔可以通过删除应用电场封自己,因此,电穿孔过程是可逆的。
然而,强度大、长时间的电场可以产生永久性的纳米孔和细胞膜造成不可逆的损害。不可逆电穿孔,一步扩张仍在继续,直到他们永久损伤细胞膜,从而杀死细胞,一个属性可以有益用于肿瘤消融,作为一个例子。
这些可逆与不可逆电穿孔过程中有大量的治疗和诊断的应用。
作为一个例子,可逆电穿孔可以用来提供化疗到癌细胞。由此产生的临时纳米孔细胞膜是一个有效的途径运输毒品,离子甚至未来的纳米传感器进入细胞。
不可逆电穿孔可用于永久性破坏膜结构和恶性肿瘤等杀死细胞。在这里,纳米孔是永久性的,不能重新封装,从而杀死细胞和切除的目标区域。
电穿孔设备开发
电极和脉冲发电机的设计和制造,以及寻找最佳电极在目标区域的安排,是最具挑战性的细胞电穿孔设备发展的瓶颈。
电穿孔的有效性和安全性取决于目标组织的生物学特性和电脉冲特性。这些属性不断改进通过开发更高效的电脉冲交付方法。
电脉冲参数的优化设计(波形、脉冲形状、强度和持续时间)和电极(位置和数量)的安排不仅提高了电穿孔的结果,但也允许血管和神经电穿孔过程中幸免,这可以减少所需的时间,病人恢复和保持目标器官的功能。Saeid Movahed博士与Minnetronix医疗咨询设计、验证和制造可逆与不可逆电穿孔电极和脉冲发电机。Minnetronix开发特定于设备的要求为各种肿瘤细胞电穿孔,electroporation-specific安全系统,实时治疗监控架构。
丹尼尔·弗里德里希博士领导开发工程Minnetronix商业化的医疗手术能源设备包括体内电穿孔系统和其他能源医疗、手术和药物传输疗法。他命名了35项专利,曾与一个广泛的客户网络寻求广泛的商业化技术在多个不同的临床适应症。在这篇文章中表达的观点是作者的,不一定反映的MedicalDesignandOutsourcing.com或其雇员。