[논문 리뷰] Quantification of propidium iodide delivery with millisecond electric pulses: A model study

Miao Yu, Hao Lin|arXiv (Cornell University)|2014. 01. 27.

Microbial Inactivation Methods참고 문헌 42인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 밀리초 전기 펄스 동안 막 투과성 증가를 설명하는 渐近 Smoluchowski 방정식과 Nernst-Planck 방정식을 결합한 계산 모델을 개발한다. 이를 통해 프로피디움 아이오다이드(PI)의 전달을 시뮬레이션한다. 전기역학적 이동이 PI의 침입을 지배하며, 모델은 실험적으로 관찰된 외세포 전도도와 PI 전달 간의 역상관관계를 정량적으로 재현하여 전기영양 동역학 예측 능력을 검증한다.

ABSTRACT

A model study of propidium iodide delivery with millisecond electric pulses is presented; this work is a companion of the experimental efforts by Sadik et al. [1]. Both membrane permeabilization and delivery are examined with respect to six extra-cellular conductivities. The transmembrane potential of the permeabilized regions exhibits a consistent value, which corresponds to a bifurcation point in the pore-radius-potential relation. Both the pore area density and membrane conductance increase with an increasing extra-cellular conductivity. On the other hand, the inverse correlation between propidium iodide delivery and extra-cellular conductivity as observed in the experiments is quantitatively captured by the model. This agreement confirms that this behavior is primarily mediated by electrophoretic transport during the pulse. The results suggest that electrophoresis is important even for the delivery of small molecules such as propidium iodide. The direct comparison between model prediction and experimental data presented in this work helps validate the former as a robust predictive tool for the study of electroporation.

연구 동기 및 목표

• 밀리초 전기 펄스를 이용한 전기영양 중 분자 전달을 위한 예측 가능한 계산 모델을 개발하기 위해.
• 외세포 전도도와 프로피디움 아이오다이드(PI) 전달 간에 관찰된 실험적 역상관관계를 설명하기 위해.
• Sadik 등(2013)의 시간 및 공간 해상도가 높은 형광 데이터와의 직접 비교를 통해 모델을 검증하기 위해.
• 전기역학, 확산 및 막 투과성 증가가 PI 이동에 미치는 역할을 조사하기 위해.
• 전기영양 중 전막 잠근 전위 동역학과 구멍 형성의 물리적 메커니즘을 규명하기 위해.

제안 방법

• 모델은 막 구멍 형성과 진화를 위한 渐近 Smoluchowski 방정식(ASE)과 이온 이동을 위한 Nernst-Planck 방정식을 결합한다.
• 축대칭 조건 하에서 일정한 외부 전압장을 적용할 때, 세포 내외 전기 잠근 전위를 오믹 방정식으로 해결한다.
• 전막 잠근 전위(TMP)와 구멍 통계(수밀도, 반지름, 면적 밀도)는 구멍 크기- TMP 간의 분기 역학을 포함한 ASE를 통해 추적한다.
• 막 에너지 최소화와 구멍 크기 진화를 바탕으로 유도된 구멍 전류 모델을 사용해 구멍을 통한 이온 전류 밀도를 계산한다.
• 진화하는 구멍 통계에서 효과적인 막 전도도와 구멍 면적 밀도(PAD)를 계산한다.
• 모델 예측은 Sadik 등(2013)의 실험적 총 형광 강도(TFI) 데이터와 직접 비교하여 검증되며, 외세포 전도도 100–2000 µS/cm 범위의 여섯 가지 조건에서 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 외세포 전도도는 밀리초 전기영양 펄스 중 프로피디움 아이오다이드의 전달에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 전기역학과 확산 중 PI 세포 내 침입에 기여하는 비율은 각각 얼마인가?
• RQ3 투과성 증가 과정 중 전막 잠근 전위, 구멍 면적 밀도, 막 전도도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 관찰된 외세포 전도도와 PI 전달 간의 역상관관계를 설명할 수 있는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 모델은 실험적 형광 데이터를 정량적으로 재현할 수 있으며, 이는 그 예측 능력의 타당성을 입증하는가?

주요 결과

• 모델은 외세포 전도도와 프로피디움 아이오다이드 전달 간의 역상관관계를 정량적으로 재현하여, 전기역학이 주요 이동 메커니즘이라는 것을 확인한다.
• 전막 잠근 전위(TMP)는 V_m^crit ≈ 1.5 V에서 임계 분기점에 도달하며, 이 시점에서 구멍 확장으로 인해 막 전도도가 급격히 증가한다.
• 분기점에서 시스템은 히스테리시스를 나타내며, 초기 조건에 따라 두 개의 안정된 구멍 크기 분지(1.01 nm 및 10.4 nm)가 존재한다. 이는 V_m^eq ≈ 0.8 V에서 발생한다.
• 외세포 전도도가 높을수록 구멍 면적 밀도(PAD)와 막 전도도가 증가하며, 이는 높은 전도도에서 더 많은 구멍 형성이 일어남을 반영한다.
• 모델은 프로피디움 아이오다이드(가장자리 +2)와 같은 작은, 양전하를 띤 분자에 대해서도 전기역학적 이동이 지배적임을 예측한다. 특히 외세포 전도도가 높을수록 더욱 그렇다.
• 임계 TMP 값 V_m^crit 및 V_m^eq 는 막 에너지 모델의 매개변수를 校정하는 데 사용할 수 있는 측정 가능한 지표로 기능한다.