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L’électroporation utilise des impulsions de champ électrique pour faire des pores microscopiques dans les membranes cellulaires. Ces pores sont aussi appelés « électropores ». Leur présence permet aux molécules de passer de part et d’autre de la membrane. Comme le montrent les schémas, les électropores sont localisés préférentiellement sur les surfaces cellulaires proches des électrodes. Si l’impulsion électrique a été donnée avec de bons paramètres, alors la cellule « électroporée » va retrouver son intégrité (les électropores se referment spontanément) et les cellules vont continuer leur croissance. Le temps de formation des électropores est de quelques microsecondes, le temps de fermeture des pores est de quelques minutes.
L’utilisation de l’électroporation a été décrite par Neumann au début des années 1980. Durant les années 1980, cette technique est vite devenue un outil de routine, car très pratique pour introduire des drogues ou autres molécules à l’intérieur des cellules. A la fin des années 1980, les chercheurs ont commencé à utiliser l’électroporation pour des applications dans des tissus.
Au début des années 1990, Lluis Mir de l’institut Gustave-Roussy fut le premier à utiliser l’électroporation dans un essai sur l’homme pour le traitement de tumeurs externes.La recherche a montré que l’induction d’électropores est affectée par trois facteurs majeurs. D’abord, la variabilité biologique qui fait que certaines cellules sont plus sensibles que d’autres à l’électroporation. Deuxièmement, pour induire des électropores, la combinaison de l’amplitude de l’impulsion et la durée de l’impulsion doit atteindre un certain seuil. Troisièmement le nombre de pores et le diamètre des pores augmentent avec le produit amplitude et durée. |
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D’autres facteurs sont aussi impliqués, ce seuil est aussi connu pour être largement dépendant d’un quatrième facteur, inversement proportionnel à la taille de la cellule. Si la limite supérieure est atteinte le diamètre des pores et la surface totale des pores sont trop importants pour que la cellule les répare spontanément. Le résultat en est un dommage irréversible, allant jusqu’à la lyse cellulaire. Parce que le mécanisme d’électroporation n’est pas bien compris, le développement de protocoles pour une application particulière a été achevé empiriquement, en ajustant les paramètres de l’impulsion (amplitude, durée, nombre d’impulsions et intervalle entre les impulsions).
Des recherches sur le transport transmembranaire via les électropores admet que la diffusion de molécules par les électropores se fait par diffusion thermique.Des études menées à la fin des années 1980 et au début des années 1990 ont montré que dans certaines conditions expérimentales et avec certains paramètres des impulsions électriques le nombre de molécules qui diffusent est plus important par rapport à la simple diffusion. Par exemple, il a été mis en évidence (Dimitrov and Sowers, 1990) [1] que le flux moléculaire va dans la direction de la flèche, et il a été aussi mis en évidence (Sukharev, et al., 1992) [2] que les l’ADN migre dans le sens opposé de la flèche. Cela implique que l’électroporation est dépendant de la polarité. Bien que cette apparente contradiction sera probablement résolue par de futures recherches, cela suggère clairement que des générateurs d’impulsion avec des paramètres électriques polarité-ajustables sont nécessaires pour le développement de protocoles.
Une autre considération importante est que durant l’impulsion électrique, le champ électrique induit un courant dans la suspension cellulaire ou le tissu. Des tampons cellulaires, des milieux de bain, et des fluides dans l’espace extra cellulaire dans les tissus contiennent des ions à des concentrations assez élevées pour causer des courants électriques élevés. Ces courants peuvent conduire à des réchauffements, ce qui est inacceptable pour les cellules. Des principes de physique suggère que la première partie de l’impulsion est responsable de l’apparition des pores dans la membrane, alors que la deuxième partie ne fait que réchauffer le milieu.
Il y a deux grandes catégories de formes d’ondes d’impulsion d’electroporation: onde rectangulaire ou exponentielle. Un générateur pouvant délivrer un type d’onde, ne peut délivrer le deuxième type. De plus seulement peu d’études ont été conduites en parallèle pour montrer la supériorité d’un type d’onde par rapport à l’autre. Dans certains cas, il est évident qu’une impulsion exponentielle est plus adaptée dans certaines applications. Un protocole qui délivre deux impulsions: la première d’un forte intensité et courte en durée, suivie d’une impulsion de faible intensité et plus longue peut induire les mêmes effets que l’impulsion exponentielle, voire de meilleurs résultats. En effet la technologie Pulse Agile ® des générateurs Cyto Pulse a plus de flexibilité que les autres instruments actuellement disponibles.
[1] Dimitrov, D.S., and Sowers, A.E., (1990) Membrane electroporation - fast molecular exchange by electroosmosis. Biochimica et Biophysica Acta 1022: 381-392.
[2] Sukharev SI, Klenchin VA, Serov SM, Chernomordik LV and Chizmadzhev YA, (1992) Electroporation, and electrophoretic DNA transfer into cells: The effect of DNA interaction with electropores, 1992, Biophys J. 63: 1320-1327.
Références
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Livres
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Nickoloff, Jac A., ed. (1995) Animal Cell Electroporation and Electrofusion Protocols, Methods in Molecular Biology, Volume 48. (Humana Press, Totowa, New Jersey). 369 pp.
Nickoloff, Jac A., ed. (1995) Plant Cell Electroporation and Electrofusion Protocols, Methods in Molecular Biology, Volume 55. (Humana Press, Totowa, New Jersey). 205 pp.
E. A. Disalvo and S.A. Simon, eds. (1995) Permeability and Stability of Lipid Bilayers (CRC Press, Boca Raton), p 105-121.
Chang, D.C., Chassy, B.M., Saunders, J.A. and Sowers, A.E., eds. (1992) Guide to Electroporation and Electrofusion, (Academic press, San Diego), 581 pp.
Neuman, E., Sowers, A.E., and Jordan, C.A., eds. (1989) Electroporation and Electrofusion in Cell Biology, (Plenum Press, New York) 581 pp.
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Articles
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