[论文解读] 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 5

一句话总结

本研究开发了一种计算模型，将膜通透化的渐近Smoluchowski方程与Nernst-Planck方程耦合，以模拟毫秒电脉冲期间碘化丙啶（PI）的输送。结果表明，电泳输运主导了PI的摄取，且该模型定量再现了实验观察到的细胞外电导率与PI输送之间的反比关系，验证了其在电穿孔动力学预测方面的有效性。

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.

研究动机与目标

• 开发一种用于毫秒电脉冲下电穿孔过程中分子输送的预测性计算模型。
• 解释实验观察到的细胞外电导率与碘化丙啶（PI）输送之间的反比关系。
• 通过与Sadik等人（2013年）的时间-空间分辨荧光数据直接对比，验证该模型。
• 研究电泳、扩散及膜通透化在PI转运中的作用。
• 阐明电穿孔过程中跨膜电位动态及孔道演化背后的物理机制。

提出的方法

• 该模型将用于孔道形成与演化的渐近Smoluchowski方程（ASE）与用于离子输运的Nernst-Planck方程耦合。
• 在轴对称条件下，于恒定外加电场下求解细胞内和细胞外电势的Ohmic方程。
• 利用ASE追踪跨膜电位（TMP）和孔道统计量（数量密度、半径和面积密度），其中包含孔径与TMP之间的分叉动力学。
• 通过基于膜能最小化和孔径演化推导出的孔道电流模型，计算通过孔道的离子电流密度。
• 根据随时间演化的孔道统计量，计算有效膜电导率和孔道面积密度（PAD）。
• 通过与Sadik等人（2013年）在六种细胞外电导率（100–2000 µS/cm）下测得的总荧光强度（TFI）实验数据直接对比，验证模型预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 细胞外电导率如何影响毫秒电穿孔脉冲期间碘化丙啶的输送？
• RQ2 电泳与扩散对PI进入细胞的相对贡献如何？
• RQ3 在通透化过程中，跨膜电位、孔道面积密度和膜电导率如何演化？
• RQ4 何种物理机制可解释观察到的细胞外电导率与PI输送之间的反比关系？
• RQ5 该模型能否定量再现实验荧光数据，从而验证其预测能力？

主要发现

• 该模型定量再现了细胞外电导率与碘化丙啶输送之间的反比关系，确认电泳是主导输送机制。
• 跨膜电位（TMP）在临界分叉点V_m^crit ≈ 1.5 V处达到临界值，此时孔道扩张触发膜电导率的急剧增加。
• 在分叉点处，系统表现出滞后现象，存在两个稳定孔径分支（1.01 nm 和 10.4 nm），在V_m^eq ≈ 0.8 V处共存，具体取决于初始条件。
• 孔道面积密度（PAD）和膜电导率随细胞外电导率增加而增加，与高电导率下孔道形成增强的现象一致。
• 该模型预测，即使对于小分子且带电荷的碘化丙啶（价态+2），电泳输运也占主导地位，尤其在较高细胞外电导率下。
• 临界TMP值V_m^crit和V_m^eq可作为可测量的标记物，用于校准膜能模型的底层参数。