Vpogled v elektroporacijo celične membrane s simulacijami molekularne dinamike

diplomsko delo

Povzetek

Izpostavitev bioloških celic kratkim visokonapetostnim električnim pulzom povzroči strukturne spremembe v njihovih membranah. Te spremembe povečajo prepustnost celičnih membran in omogočijo transmembranski transport molekulam, za katere so membrane običajno neprepustne. Pojav se imenuje elektroporacija in se uporablja na raznih področjih medicine, biologije in biotehnologije. Razumevanje mehanizmov elektroporacije je močno napredovalo z uporabo simulacij molekularne dinamike (MD). Te omogočajo napoved gibanja atomov in molekul v preučevanem sistemu ter vizualizacijo procesov na molekularni ravni. Simulacije MD so razkrile, da lahko povečano prepustnost membran pripišemo vodnim poram, ki nastanejo pod vplivom električnega polja v lipidnih domenah membrane, ali pa celo v napetostnih senzorjih nekaterih napetostno-odvisnih ionskih kanalov. Slednji igrajo ključno vlogo pri proženju električnih signalov imenovanih akcijski potenciali pri mišičnih in nevronskih celicah. Odpira se vprašanje, kolikšna je verjetnost poškodb ionskih kanalov pri elektroporaciji oziroma ali je nastanek por ugodnejši v lipidnih domenah membrane ali v ionskih kanalih. Zato smo v diplomski nalogi z uporabo atomističnih simulacij MD primerjali hitrost s katero električno polje ustvarja pore v različnih lipidnih dvoslojih in ionskih kanalih. Začeli smo s simulacijami dvosloja zgrajenega iz lipidov 1-pamitoil 2-oleoil fosfatidilholin (POPC), ki predstavlja najbolj poenostavljen model celične membrane in se pogosto uporablja na področju raziskav elektroporacije s simulacijami MD. Simulirali smo dva dvosloja POPC različnih velikosti in ugotovili, da velikost dvosloja vpliva na hitrost elektroporacije, pri čemer se pore hitreje tvorijo v večjem dvosloju. To ugotovitev smo upoštevali v nadaljevanju, ko smo simulirali elektroporacijo dvosloja, sestavljenega iz 15 različnih vrst lipidov, ki je predstavljal realističen model lipidne domene v membrani sesalcev. Ta lipidni dvosloj smo zasnovali na podlagi rezultatov predhodne študije in je predstavljal lipidno domeno, ki je najbolj dovzetna za elektroporacijo. Čas, potreben za elektroporacijo lipidnih dvoslojev, smo nato primerjali s časom, potrebnim za nastanek por v dveh klinično relevantnih napetostno-odvisnih ionskih kanalih, NaV1.5 in CaV1.1. Natrijev kanal NaV1.5 je pretežno izražen v srčno-mišičnih celicah, kalcijev kanal CaV1.1 pa v skeletno-mišičnih celicah. Ugotovili smo, da elektroporacija ionskih kanalov v povprečju poteče pri nižjih vrednostih električnega polja kot elektroporacija lipidnih dvoslojev, saj je bil pri dani vrednosti električnega polja nastanek por skozi napetostne senzorje hitrejši v primerjavi z nastankom por v lipidnih domenah. To pomeni, da je elektroporacija napetostno-odvisnih ionskih kanalov NaV1.5 in CaV1.1 energetsko ugodnejša od elektroporacije lipidnih domen. Rezultati nakazujejo, da je verjetnost poškodb ionskih kanalov pri elektroporaciji mišičnih in nevronskih celic zelo visoka. Te poškodbe lahko vplivajo na sposobnost proženja akcijskih potencialov in obliko le-teh po elektroporaciji mišičnih in nevronskih celic. Ugotovitve študije so pomembne za optimizacijo zdravljenj temelječih na elektroporaciji, kot so ablacija srčne mišice za zdravljenje artimij, ablacija možganskih tumorjev in vnos nukleinskih kislin v skeletne in srčne mišične celice za gensko terapijo.

Ključne besede

elektroporacija;simulacije molekularne dinamike;lipidni dvosloj;napetostno-odvisni ionski kanali;univerzitetni študij;Elektrotehnika;diplomske naloge;

Podatki

Jezik:	Slovenski jezik
Leto izida:	2025
Tipologija:	2.11 - Diplomsko delo
Organizacija:	UL FE - Fakulteta za elektrotehniko
Založnik:	[J. Čagalj]
UDK:	621.3(043.2)(0.034.2)
COBISS:	244786435
Št. ogledov:	217
Št. prenosov:	70
Ocena:	0 (0 glasov)
Metapodatki:

Ostali podatki

Sekundarni jezik:	Angleški jezik
Sekundarni naslov:	Insights into cell membrane electroporation with molecular dynamics simulations
Sekundarni povzetek:	Exposure of biological cells to short, high-voltage electrical pulses induces structural changes in their membranes, leading to an increase in membrane permeability and allowing transmembrane transport of molecules that are otherwise unable to cross the membrane. This phenomenon is termed electroporation and is used in various applications in medicine, biology and biotechnology. Our mechanistic understanding of electroporation has considerably improved through the use of molecular dynamics (MD) simulations. MD enables simulations of the movement of atoms and molecules within the studied system and offers a visualization of processes at the molecular level. MD simulations have revealed that the increase in membrane permeability can be attributed to the formation of aqueous pores formed under the influence of a strong electric field in the membrane lipid bilayer, or even in the voltage sensors of certain voltage-gated ion channels (VGICs). The latter play a crucial role in the generation of electrical signals called action potentials in muscle and neuronal cells. This opens the question on whether electroporation is favoured in lipid domains or VGICs and how susceptible VGICs are to damage due to electroporation. In this thesis we thus used atomistic MD simulations to compare how fast an electric field can form pores in different lipid bilayers and VGICs. We first simulated a 1-palmitoyl-2-oleoyl phosphatidylcholine (POPC) bilayer that represents the simplest model of a cell membrane and is commonly used for studying electroporation with MD simulations. We studied electroporation in two POPC bilayers of different sizes and found that the rate of pore formation depends on the bilayer size, with pores forming faster in the larger bilayer. This finding was considered in the following step, where we simulated electroporation of a bilayer composed of 15 different types of lipids, modeling a realistic lipid domain within a mammalian cell membrane. This bilayer was designed based on results from a previous study and represented a lipid domain that has the highest propensity for electroporation. The time required to form pores in these lipid bilayers was then compared with the time required for electroporation of two clinically relevant VGICs, NaV1.5 and CaV1.1. The sodium channel NaV1.5 is predominantly expressed in cardiac muscle cells, while the calcium channel CaV1.1 is predominantly expressed in skeletal muscles. Our results showed that electroporation of VGICs occurs on average at lower electric field strength than electroporation of lipid bilayers. At a given electric field strength, formation of pores within the voltage sensors of VGICs occurs faster compared to pores within lipid bilayers. This means that electroporation of the studied VGICs, NaV1.5 and CaV1.1, is energetically favorable compared to lipid bilayer electroporation. Consequently, our results suggest that the likeness of electroporation-induced damage to these VGICs is very high. Such damage may affect the ability of muscle and neuronal cells to trigger action potentials and alter the shape of these action potentials after electroporation. The findings of this study are particularly important for optimizing electroporation-based treatments, such as cardiac ablation for treatment of heart arrhythimias, ablation of brain tumours, and nucleic acid delivery into skeletal and cardiac muscle for gene therapy.
Sekundarne ključne besede:	electroporation;molecular dynamics simulations;lipid bilayer;voltage-gated ion channels;
Vrsta dela (COBISS):	Diplomsko delo/naloga
Študijski program:	1000313
Komentar na gradivo:	Univ. v Ljubljani, Fak. za elektrotehniko
Strani:	1 spletni vir (1 datoteka PDF (XX, 68 str.))
ID:	26841886