Um Medikamente, Impfstoffe oder Gene in Zellen einzuschleusen, nutzen Wissenschaftler häufig die Elektroporation. Dabei erzeugt ein elektrisches Feld winzige Poren in der Lipidmembran der Zellen und macht sie so durchlässig. Doch wie jetzt ein Experiment belegt, beruht die Elektroporation auf anderen Mechanismen als bisher gedacht. Die Ergebnisse widerlegen auch das seit rund 50 Jahren geltende theoretische Standardmodell zu diesem Verfahren, nach dem sich die Energiebarriere für die Porenbildung mit dem Quadrat der Feldstärke verringert. Stattdessen wiesen die Forscher einen linearen Zusammenhang nach. Die neuen Erkenntnisse könnten nun dabei helfen, den Transport von Wirkstoffen in Zellen zu verbessern.
Unsere Zellen sind durch ein geniales Patent der Natur gegen ihre Umwelt abgeschirmt: Ihre Lipid-Doppelmembran ist nur fünf MiIlionstel Millimeter dick, hält aber die meisten Moleküle und auch Krankheitserreger draußen. Durchlass gewähren nur spezielle Proteinkanäle und Rezeptoren in der Membran, die aber meist nur ganz bestimmte Botenstoffe und Moleküle passieren lassen. Wenn Wissenschaftler im Rahmen der medizinischen Forschung, einer Impfung oder der Gentherapie eigene Wirkstoffe in die Zelle einschleusen wollen, müssen sie diese entweder an Transportmoleküle oder virale Genfähren koppeln, die die Membran passieren können, oder sie müssen sich quasi mit Gewalt einen Weg hinein bahnen – aber ohne die Zelle dabei zu schädigen.
Poren in der Zellbarriere
In diesen Fällen kommt meist die Elektroporation zum Einsatz. Dabei nutzen Wissenschaftler eine schwache elektrische Gleichspannung, um die die Organisation der Membranlipide zu stören. Dadurch entstehen für kurze Zeit winzige Poren in der Membran, durch die Wasser und darin gelöste Substanzen aus der Umgebung in die Zelle eindringen können, also etwa Medikamente oder andere Wirkstoffe bis hin zu RNA oder DNA. Solche Defekte in Membranen gezielt zu verursachen, ist eine wichtige Technik in Medizin und Biotechnologie, aber auch bei der Behandlung von Nahrungsmitteln. Das Verfahren der Elektroporation ist schon lange etabliert, dennoch fehlen einige grundlegende Erkenntnisse, um diese Methode für verschiedene Zwecke zu optimieren, beispielsweise um Genmaterial für eine Gentherapie einzuschleusen. Dazu ist es wichtig, den Mechanismus der Porenbildung unter elektrischen Feldern genau zu verstehen.
Ein schon in den 1970er Jahren aufgestelltes theoretisches Standardmodell der Elektroporation geht davon aus, dass das elektrische Feld Druck auf die Lipide ausübt, wodurch die Wahrscheinlichkeit der Porenbildung zunimmt. “Eine weitere zentrale Vorhersage des Modells ist, dass die Energiebarriere für die Porenbildung proportional zum Quadrat der elektrischen Feldstärke gesenkt wird”, erklären Eulalie Lafarge von der Universität Strasburg und ihre Kollegen. Ob diese Annahme jedoch stimmt, war bisher schwer experimentell überprüfbar. Dies liegt zum einen an der Schwierigkeit, die Entstehung der Elektroporen direkt zu erfassen, zum anderen an der Notwendigkeit, sehr viele solcher Experimente durchführen zu müssen, um zu statistisch haltbaren Aussagen zu kommen. Denn die Elektroporen zeigen ein sehr vielgestaltiges, wenig stereotypes Verhalten.
Linear statt im Quadrat
Das Team um Lafarge hat nun eine Methode entwickelt, um die Bildung der Elektroporen näher zu untersuchen und auch ihre Gesetzmäßigkeiten zu erkunden. Dafür nutzte es einen Mikrochip mit vielen Öffnungen, über die künstliche Lipiddoppelmembranen gespannt sind. Ob sich in dieser Membran Poren bildeten und unter welchen Umständen, erfassten die Forschenden dabei über den Ionenstrom – den Durchstrom elektrisch geladener Teilchen durch die Membran. Diese Teilchen, beispielsweise in Form gelöster Salze, können intakte Membranen praktisch nicht durchdringen, werden aber, sobald sich eine Pore öffnet, mit dem elektrischen Feld hindurch transportiert. Über Elektroden und hochempfindliche Verstärker lässt sich dieser Ionen-Transport als winziger elektrischer Strom von einigen Milliardstel bis Millionstel Ampere messen. Mit dem neuentwickelten Chip, dem sogenannten Mikroelektroden-Kavitäten-Array (MECA) , konnten Lafarge und ihre Kollegen in relativ kurzer Zeit hunderte von Membranen erzeugen und die Porenbildung in Abhängigkeit von der Stärke des Gleichspannungsfeldes messen und quantifizieren.
Dabei zeigte sich: Anders als vom bisherigen Modell angenommen verringert sich die Energiebarriere für die Porenbildung nicht mit dem Quadrat der Feldstärke, sondern linear dazu. Eine Verdopplung der Feldstärke senkt die Energiebarriere demnach nur um die Hälfte. “Dies steht im Widerspruch zu den Vorhersagen des Standardmodells der Elektroporation”, so das Team. Wie sie erklären, deutet dies darauf hin, dass die Porenbildung auf einen anderen Mechanismus zurückgehet als bisher angenommen. Demnach führt eine Reorientierung der Wassermoleküle im elektrischen Feld dazu, dass die Grenzfläche zwischen Lipidschicht und Wasser destabilisiert wird. Dieses Ergebnis bestätigte sich auch für Membranen, deren Lipide in unterschiedlichem Maße oxidiert waren. Das ist deshalb von Interesse, weil Lipidoxidation ein natürlicher Vorgang bei der Regulation der Funktion von Zellmembranen ist und sowohl bei der natürlichen Alterung des Organismus als auch möglicherweise bei Krankheiten wie Parkinson und Alzheimer eine Rolle spielt. „Gerade angesichts der medizinischen Bedeutung wollen wir das Thema unter Einschluss auch optischer Methoden weiterverfolgen und so zu einem wirklichen Verständnis dieses wichtigen Phänomens gelangen“, erklärt Co-Autor Jan Behrends von der Universität Freiburg.
Quelle: Eulalie Lafarge (Université de Strasbourg) et al., Proceedings of the National Academy of Sciences, doi: 10.1073/pnas.2213112120
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