Eletroporação de células biológicas isoladas através de eletrodo capilar: estudos numéricos dos efeitos elétricos e mecânicos na membrana celular

Abstract

Eletroporação é o aumento da permeabilidade e condutividade elétrica da membrana plasmática, causada pela aplicação de um campo elétrico externo. Como resultado, tem-se o aparecimento temporário de poros em escala manométrica em sua membrana, permitindo o transporte de moléculas, genes e até mesmo fármacos para o interior da célula. Tal fenômeno ainda é passível de estudos para entendimentos da dinâmica de abertura e crescimento destes poros. Os experimentos com membranas planares elucidam os mecanismos envolvidos na eletroporação, mas mascaram a situação real do comportamento da membrana. Neste contexto, realizaram-se estudos diretamente em uma célula isolada, com o auxílio de eletrodos microcapilares estirados, repletos com eletrólito (EFC). Esta metodologia reduz as influências externas, no entanto, mantém a integridade fisiológica da membrana celular. Neste trabalho, realizaram-se três estudos numéricos para avaliar a influência de parâmetros elétricos e mecânicos envolvidos neste arranjo da eletroporação. No primeiro estudo, com a pipeta distante da célula, observou-se que o raio da célula, a condutividade elétrica do meio e a distância dos pulsos aplicados afetaram a eficiência da eletroporação. A não linearidade da distribuição do potencial elétrico transmembrana, induzido pelo campo elétrico externo, provoca poros concentrados em pequenas regiões. No módulo seguinte, confirmou-se a elevação de reatância capacitiva nos microcapilares estirados com a variação da frequência, comparando-se estes resultados com resultados experimentais. O algoritmo desenvolvido para compensação desta reatância mostrou-se eficiente em aplicação de pulsos de nanossegundos (ns). No terceiro e último módulo, com a pipeta tocando a membrana celular, são fatores relevantes: a deformação mecânica, a distribuição das tensões de von Mises e o tensor de Maxwell. O potencial elétrico transmembrana apresentou uma elevação significativa na presença destes fatores. Os estudos da eletrodeformação e dos modelos matemáticos mecânicos trazem um novo panorama na eletroporação em arranjos utilizando células isoladas com EFC tocando a membrana.<br>

Abstract : Electroporation is the increase in the electrical conductivity and permeability of the plasma membrane caused by application of an external electric field. As a result, there is the temporary appearance of nanoscale pores in its membrane, allowing the transport of molecules, genes and even drugs into the cell. This phenomenon still requires studies to understand the dynamics of opening and growth of these pores. The experiments with planar membrane elucidate the mechanisms involved in electroporation, masking the real situation of the behavior of the membrane. In this context, studies were made directly on a single-cell, with the aid of electrolyte-filled capillary (EFC). This methodology reduces external influences, however maintains the integrity of the physiological cell membrane. In this work, there were three numerical studies to evaluate the influence of electrical and mechanical parameters involved in this arrangement of electroporation. In the first study, with the pipette distant from the cell, it was observed that the radius of the cell, the electrical conductivity and the distance of the applied pulses affect the efficiency of electroporation. The non-linearity of the distribution of the transmembrane electric potential induced by an external electric field causes pores concentration in small regions. In the next module, confirmed the lifting capacitive reactance in electrolyte-filled capillary with the frequency variation, by comparing these results with experimental results. The algorithm developed for this reactance compensation was efficient in the application of nanosecond pulses (ns). In the third and last module, with the pipette touching the cell membrane, are relevant factors: a mechanical deformation, the distribution of von Mises stress tensor and Maxwell. The electric potential transmembrane showed a significant increase in the presence of these factors. Studies of eletrodeformation and mechanical mathematical models bring a new scenario for electroporation in arrangements using isolated cells with EFC touching the membrane.