[論文レビュー] Quantification of propidium iodide delivery with millisecond electric pulses: A model study

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

Microbial Inactivation Methods参考文献 42被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、膜透過化の漸近的スモリュッチョフ方程式とナールスト・プランク方程式を結合した計算モデルを開発し、ミリ秒電気パルス下でのプロピジウムヨウ化物（PI）の送達をシミュレートした。電気泳動輸送がPI取り込みを支配しており、実験的に観察された細胞外電導度とPI送達の逆相関関係を定量的に再現した。この結果、電気穿孔のダイナミクスを予測するモデルの有効性が裏付けられた。

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.

研究の動機と目的

• ミリ秒電気パルスを用いた電気穿孔における分子送達を予測可能な計算モデルを開発すること。
• 細胞外電導度とプロピジウムヨウ化物（PI）送達の間で実験的に観察された逆相関関係を説明すること。
• サディクら（2013年）の時間的・空間的分解能を有する蛍光強度データと直接比較することで、モデルを検証すること。
• 電気泳動、拡散、膜透過化の役割がPI輸送に与える影響を調査すること。
• 電気穿孔中の膜電位ダイナミクスおよびポアの進化を規定する物理的メカニズムを特定すること。

提案手法

• モデルは、ポア形成および進化のための漸近的スモリュッチョフ方程式（ASE）と、イオン輸送のためのナールスト・プランク方程式を結合している。
• 軸対称条件下で一定の印加電場のもと、細胞内および細胞外の電位をオームの法則に基づいて解いている。
• 膜電位（TMP）およびポア統計（数密度、半径、面積密度）は、ポアサイズとTMPの間の分岐ダイナミクスを含むASEを用いて追跡している。
• 膜エネルギー最小化とポアサイズの進化に基づいて導出されたポア電流モデルを用いて、ポアを通過するイオン電流密度を計算している。
• 時間変化するポア統計から、有効膜電導度およびポア面積密度（PAD）を計算している。
• モデルの予測は、サディクら（2013年）の実験的全蛍光強度（TFI）データと直接比較することで検証されており、細胞外電導度6種類（100–2000 µS/cm）の範囲で評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミリ秒電気穿孔パルス下で、細胞外電導度はプロピジウムヨウ化物の送達にどのように影響するか？
• RQ2 電気泳動と拡散のうち、PI細胞内輸送への相対的寄与は何か？
• RQ3 膜透過化プロセス中、膜電位、ポア面積密度、膜電導度はどのように変化するか？
• RQ4 観察された細胞外電導度とPI送達の逆相関関係を説明する物理的メカニズムは何か？
• RQ5 モデルは実験的蛍光強度データを定量的に再現できるか。これにより、モデルの予測能力が裏付けられるか？

主な発見

• モデルは、細胞外電導度とプロピジウムヨウ化物送達の間の逆相関関係を定量的に再現し、電気泳動が支配的輸送メカニズムであることを確認した。
• 膜電位（TMP）は、臨界分岐点 V_m^crit ≈ 1.5 V に達する。この点でポア拡大が発生し、膜電導度が急激に増加する。
• 分岐点ではヒステリシスを示し、初期条件に依存して2つの安定なポアサイズ分岐（1.01 nm および 10.4 nm）が V_m^eq ≈ 0.8 V で共存する。
• ポア面積密度（PAD）および膜電導度は、細胞外電導度に比例して増加し、高電導度でより顕著なポア形成が生じることを示している。
• モデルは、電気泳動輸送がプロピジウムヨウ化物（価数+2）のような小さな charged 分子に対しても、特に高電導度条件下で支配的であると予測している。
• 臨界膜電位 V_m^crit および V_m^eq は、膜エネルギーモデルのパラメータをキャリブレーションするための測定可能なマーカーである。