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活體電穿孔法原理、特點(diǎn)和應(yīng)用

日期：2025-06-15 20:18
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摘要：1、什么是活體電穿孔 活體電穿孔法(in vivo electroporation) 是將外源基因通過電場作用，導(dǎo)入動(dòng)物目標(biāo)組織或器官。由于這種方法能有效導(dǎo)入外源基因，可在多種組織器官上應(yīng)用，并且效率較高?；铙w電穿孔法的原理很簡 單，在直流電場作用的瞬間，細(xì)胞膜表面產(chǎn)生疏水或親水的微小通道105～115μm ，這種通道能維持幾毫秒到幾秒，然后自行恢復(fù)。在此期間生物大分子如DNA 可通過這種微小的通道進(jìn)入細(xì)胞。近年來活體電穿孔法用于轉(zhuǎn)基因研究的報(bào)道不斷增多，在基因**方面的優(yōu)勢也日趨顯著，是一種很好的活體基因?qū)敕椒ā? 活體電穿孔法...
1、什么是活體電穿孔 

活體電穿孔法(in vivo electroporation) 是將外源基因通過電場作用，導(dǎo)入動(dòng)物目標(biāo)組織或器官。由于這種方法能有效導(dǎo)入外源基因，可在多種組織器官上應(yīng)用，并且效率較高?；铙w電穿孔法的原理很簡 單，在直流電場作用的瞬間，細(xì)胞膜表面產(chǎn)生疏水或親水的微小通道105～115μm ，這種通道能維持幾毫秒到幾秒，然后自行恢復(fù)。在此期間生物大分子如DNA 可通過這種微小的通道進(jìn)入細(xì)胞。近年來活體電穿孔法用于轉(zhuǎn)基因研究的報(bào)道不斷增多，在基因**方面的優(yōu)勢也日趨顯著，是一種很好的活體基因?qū)敕椒ā?/span>

活體電穿孔法可用于檢測瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)中載體的表達(dá)狀況。大量的研究表明活體電穿孔法在基因**方面有非常好的應(yīng)用前景。因此目前國內(nèi)外對活體電穿孔法介導(dǎo)外源基因轉(zhuǎn)移的研究越來越多。

2、活體電穿孔的法的特點(diǎn) 

活體電穿孔法基因?qū)牒捅磉_(dá)效率較高，它的特點(diǎn)主要在以下幾個(gè)方面:

首先，靶器官的選擇面廣，理論上任何組織和器官都可以作為活體電穿孔的靶器官。

    在用于基因**方面，要考慮到靶器官組織生理特性。如果所選擇的局部組織細(xì)胞不能把所轉(zhuǎn)移基因的表達(dá)產(chǎn)物分泌到外周血液循環(huán)中，則在某種意義上說已失去了 基因?qū)氲膬r(jià)值，這在基因**中是關(guān)鍵性的問題。當(dāng)使用組織特異性表達(dá)載體時(shí)，研究人員應(yīng)根據(jù)所構(gòu)建的表達(dá)載體來選擇基因轉(zhuǎn)移和表達(dá)的靶器官組織。例如魚 精蛋白21 啟動(dòng)子可指導(dǎo)外源基因在精母細(xì)胞中特異性表達(dá)，以小鼠的睪丸作為靶器官將含有魚精蛋白21啟動(dòng)子的表達(dá)載體導(dǎo)入，獲得外源基因的表達(dá)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于該基因在肝 臟和骨骼肌中的表達(dá)。

其次，對導(dǎo)入的外源基因片段的大小沒有限制，從幾KB 或十幾KB 的表達(dá)載體， 到100～200KB 的YAC、BAC基因組 ，都有成功導(dǎo)入并獲得表達(dá)的報(bào)道。

此外活體電穿孔法操作簡單快速，電穿孔的時(shí)間只有幾秒鐘，而且DNA片段不需要特殊的純化操作。

但電穿孔法也存在一些的缺點(diǎn):首先，外源基因表達(dá)持續(xù)的時(shí)間很短，雖然外源基因?qū)牒?快可在215 小時(shí)有表達(dá)，但大多1～2 月后表達(dá)量降至很低。外源基因表達(dá)的時(shí)間主要由于所構(gòu)建的表達(dá)載體和基因?qū)氲陌屑?xì)胞組織器官不同而存在巨大差異。

由于應(yīng)用不同的表達(dá)載體，Muramatsu 在小鼠肝臟進(jìn)行電穿孔7天后則檢測不到外源基因的表達(dá)，而Heller 21 天后還可以檢測到外源基因的表達(dá)。如果選擇代謝和酶活動(dòng)旺盛的組織器官如肝臟，則表達(dá)持續(xù)時(shí)間會(huì)較短，表達(dá)時(shí)間在1 個(gè)月以內(nèi)，但以骨骼肌為靶組織，表達(dá)可持續(xù)15個(gè)月。

3、 活體電穿孔法與其他活體基因?qū)敕椒ǖ谋容^ 

到目前為止，非病毒載體的活體基因?qū)敕椒ㄓ兄苯幼⑸浞?、脂質(zhì)體法、基因槍法、電穿孔法等。每一種方法都有其各自的特殊性，因此很難將這幾種方法進(jìn)行簡單的比較。

直接注射法：可將外源基因直接注射到靶位點(diǎn)或血管中，但此種方法不適合以肌肉作為靶器官，它的外源基因表達(dá)效率極低，僅為電穿孔法的百分之一。

脂質(zhì)體法：活體基因轉(zhuǎn)移法中脂質(zhì)體法更適宜較大面積組織的基因?qū)?，但無法避免DNA濃度變低，在出血的情況下會(huì)使本來不高的DNA濃度更加降低，往往造成基因?qū)胄实汀?/span>

基因槍法：適合于DNA較易接觸到的質(zhì)地較堅(jiān)韌的組織如皮膚，而視網(wǎng)膜、胚胎和禽類的胚盤等組織會(huì)由于機(jī)械刺激和出血造成器質(zhì)性損傷或發(fā)育停滯，因而不能 用基因槍法完成。DNA包裹的金屬顆粒從基因槍發(fā)出到達(dá)組織表面大多只幾百微米的距離，較深層的組織不易操作， 表達(dá)效率也較低。

Muramatsu報(bào)道在材料一致的情況下，電穿孔法的基因?qū)牒捅磉_(dá)效率明顯高于其它方法，而且電穿孔法適合多種組織的操作[3 ] 。

4 、活體電穿孔法施加條件的研究 

波型的選擇

在電穿孔過程中方波較指數(shù)衰減波更能獲得較高的基因表達(dá)。同時(shí)方波只要要求控制電壓和時(shí)間，十分直觀，而指數(shù)衰減波需要控制的電壓、電容、電阻等參數(shù)，這樣的條件摸索過程中，方波較指數(shù)衰減波更易得到高表達(dá)。

電　壓

電穿孔時(shí)在能量導(dǎo)入一定的情況下設(shè)計(jì)施加電壓的值。電壓過低或過高都會(huì)影響外源基因的表達(dá)。電壓過低時(shí)，無法造成細(xì)胞膜表面狀態(tài)的改變，因而外源D 不能進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)。電壓過高時(shí)，局部組織積聚過多熱量，造成細(xì)胞的死亡或組織失去功能，即使外源基因?qū)爰?xì)胞，也無法進(jìn)行正常的表達(dá)。哺乳動(dòng)物常用的活體電 壓大多為20～100VPcm ，*高電壓在250～750VPcm。

電穿孔次數(shù)和時(shí)間

有試驗(yàn)證明，皮膚的電阻在每一次電穿孔后都有所降低，說明電穿孔使皮下組織形成孔道，且其大小隨電穿孔而變大，經(jīng)過電穿孔的處理后外源基因更易在更深的真皮和毛囊內(nèi)表達(dá)。但電穿孔次數(shù)不能過多，否則會(huì)對局部的細(xì)胞組織造成不可逆的損害，基本應(yīng)在10 次以內(nèi)，

每組電穿孔時(shí)間應(yīng)在20～100msec 。

能量的測算

電穿孔過程中能量的測算公式為: Q(J ) = V2 TP412R 其中Q 代表電穿孔時(shí)導(dǎo)入的能量，V 代表施加的電壓，T 代表電穿孔延續(xù)的時(shí)間，R 代表作用組織的電阻。試驗(yàn)證明在導(dǎo)入能量一定的情況下外源基因轉(zhuǎn)移效率也相近。在此原則基礎(chǔ)上可根據(jù)不同的組織器官選擇不同的電壓和電穿孔時(shí)間。 

溫　度

由于電穿孔瞬間在局部會(huì)產(chǎn)生大量熱，因此操作過程中，DNA 轉(zhuǎn)染試劑應(yīng)保持4 ℃，同時(shí)電穿孔操作部位的溫度也應(yīng)適當(dāng)降低，Muramatsu 證明溫度較低的情況下，外源基因的轉(zhuǎn)移表達(dá)效率會(huì)有明顯的提高。此外在電穿孔操作部位溫度降低的同時(shí)可以有效抑制局部組織的出血和外源DNA 的流失，這樣也在一定程度上保證了基因的導(dǎo)入效率。

DNA 的狀態(tài)和濃度

很多試驗(yàn)都證明線狀DNA 較環(huán)狀DNA 在活體電穿孔法瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)的建立中效果較好[12 ] 。DNA 的濃度應(yīng)在1～40mgPml 范圍內(nèi)。

DNA 溶液組分

DNA溶液中不應(yīng)含有不能分解成離子的組分，如甘露糖醇、蔗糖等。這些大分子存在時(shí)會(huì)降低基因的轉(zhuǎn)移效率。 

5、活體電穿孔法在不同組織上的應(yīng)用 

肌肉組織

在肌肉組織中*初進(jìn)行外源基因活體導(dǎo)入是采用電穿孔法。選擇肌肉組織作為靶組織是因?yàn)榧∪饨M織在體內(nèi)所占比例很大，約占40 % ，而且外源基因可在肌肉中長期表達(dá)、分泌，在基因**中經(jīng)常會(huì)用到。此外，外源基因也不會(huì)因肌細(xì)胞的分裂而丟失。

皮　膚

皮膚組織相對于其他組織較難進(jìn)行電穿孔法的基因?qū)?，因?yàn)槠つw比較薄，電阻相對低，要求電流較高。但如果電流過大，會(huì)嚴(yán)重影響基因的表達(dá)，因此應(yīng)適當(dāng)降低 電流和電壓，延長電穿孔的時(shí)間。另外，由于皮膚組織含有的脂肪細(xì)胞分布不均，會(huì)干擾電穿孔的作用，因此只推薦用鑷狀電極，且應(yīng)將動(dòng)物被毛刮凈后操作。雖然 外源基因在皮膚中表達(dá)的時(shí)間較肌肉中短，但可利用活體電穿孔法對很多皮膚**進(jìn)行**。

肝　臟

由于肝臟的生理代謝十分旺盛，因此外源基因在肝臟中的表達(dá)時(shí)間往往很短暫，而且表達(dá)產(chǎn)物的水平也較低。為減少出血，可從小靜脈注入，然后在肝臟上施加電場，能顯著增強(qiáng)基因的表達(dá)。

睪　丸

相對于其他的轉(zhuǎn)基因方法，活體電穿孔法可使外源基因在睪丸中產(chǎn)生大量和持久的表達(dá)。此外，很多研究人員希望利用活體電穿孔法將外源基因?qū)刖樱?進(jìn)而通過授精得到轉(zhuǎn)基因動(dòng)物。Yamazaki 等[13 ] 和Ryoki 等[14 ] 用甲磺酸丁二醇二酯注射或用手術(shù)法將動(dòng)物人為造成隱睪，大部分體細(xì)胞和分化了的精母細(xì)胞減少，這樣使外源基因?qū)刖?xì)胞的幾率增加。Ryoki 等[14 ] 將基因與病毒誘導(dǎo)的整合酶基因共轉(zhuǎn)染，可在精原細(xì)胞中檢測到外源基因的表達(dá)，且病毒誘導(dǎo)的雙基因共轉(zhuǎn)染較單基因整合效率更高。但目前用這種方法獲得轉(zhuǎn)基因 動(dòng)物還較難。

禽類輸卵管

對禽類輸卵管活體電穿孔的研究很少，但這一方法卻有很廣闊的發(fā)展前景。因?yàn)檩斅压芟袤w細(xì)胞具有很強(qiáng)的分泌功能，可以將大量蛋白分泌到雞蛋中。也可以利用此 瞬時(shí)表達(dá)系統(tǒng)檢測含卵清蛋白啟動(dòng)子的載體功能。Park 等用活體電穿孔法以熒光素基因?qū)腚u輸卵管上皮，檢測到熒光素活性約4500RLUPmg 組織[15 ] 。

眼睛、胚胎和禽類胚盤

這三種組織都是很脆弱的，如果實(shí)施基因槍法，會(huì)使靶組織因強(qiáng)烈的機(jī)械損傷而失去功能或直接導(dǎo)致發(fā)育停滯。Sakamoto 將血纖蛋白溶酶原激活因子基因?qū)胙劬χ?，有效抑制了眼睛在淤傷后血纖蛋白的反應(yīng)。哺乳動(dòng)物胚胎的電穿孔操作包括離體和**內(nèi)操作。禽類胚胎基本是在蛋殼 中進(jìn)行電穿孔的，而且表達(dá)快速，Momose 等報(bào)道電穿孔施加后215 小時(shí)在雞胚中就可以檢測到外源基因的表達(dá)，這在使用病毒載體時(shí)也是不可能的。當(dāng)電場被限定在一個(gè)很小的范圍內(nèi)時(shí)，基因可以定點(diǎn)表達(dá)， 這是活體電穿孔法的又一優(yōu)點(diǎn)，Katahira 等[17 ] 證實(shí)可將外源基因?qū)腚u胚大腦、心臟和一些微小組織(如中胚層，間充質(zhì)和體節(jié)) 中進(jìn)行表達(dá)。

6、 活體電穿孔法進(jìn)行基因**及外源基因表達(dá)的調(diào)控 

6．1 　活體電穿孔法在基因**方面的應(yīng)用

原來在基因**中利用活體電穿孔法將抗體或化療**導(dǎo)入腫瘤中，促進(jìn)抗體和化療**的運(yùn)送來進(jìn)行**，現(xiàn)在則以特異的外源基因替代了抗體的應(yīng)用，簡化操作步驟同時(shí)降低了費(fèi)用。

首先，在皮膚瘤和腦瘤的**中，電穿孔法可有效地將**基因?qū)?*部位。電穿孔法導(dǎo)入人單核細(xì)胞趨化物蛋白基因到大鼠腦瘤后，該蛋白在腫瘤的局部表達(dá)，同時(shí)在基因?qū)氲牟课豢捎^察到巨噬細(xì)胞和白細(xì)胞的聚集。

同時(shí)有科學(xué)家從另一角度研究電穿孔對**腫瘤方面的作用，利用高電場強(qiáng)度的陡脈沖促使腫瘤細(xì)胞發(fā)生不可逆性電擊穿而*終死亡，這種方法很適于局部組織腫瘤的**。

此外，活體電穿孔法還可以參與癌癥的**，通過活體電穿孔法將基因?qū)霗C(jī)體后，導(dǎo)入組織可成為分泌抗體等物質(zhì)的臨時(shí)分泌器官，以抵**細(xì)胞的侵蝕或代償由于癌細(xì)胞的侵蝕而造成的機(jī)體多種生理機(jī)能的喪失。

除了可以利用活體電穿孔法對腫瘤進(jìn)行局部**外，還可以**機(jī)體的***系統(tǒng)和**系統(tǒng)的**?？稍跈C(jī)體局部以活體電穿孔法導(dǎo)入編碼分泌型蛋白的基因，這 種重組的**蛋白可以隨著血液循環(huán)分布到全身各種組織和細(xì)胞進(jìn)行**。如在活體電穿孔骨骼肌導(dǎo)入EPO 基因后，可通過紅細(xì)胞比容值檢測到EPO 基因表達(dá)產(chǎn)物的增加。Yasui 等在小鼠體內(nèi)檢測到活體電穿孔法導(dǎo)入的胃泌素基因的表達(dá)產(chǎn)物和人的單克隆抗體。

在不遠(yuǎn)的將來，研究人員可以選擇機(jī)體的一種組織的某個(gè)位置作為活體電穿孔的靶位點(diǎn)，將**基因從該位點(diǎn)導(dǎo)入進(jìn)而表達(dá)，因此又可以把這個(gè)特殊的組織當(dāng)作機(jī)體 的一個(gè)人造的***或**組織，對病人進(jìn)行相應(yīng)的**?；铙w電穿孔法可對系統(tǒng)**產(chǎn)生作用并且**有效。將不同類型的耐藥基因同時(shí)導(dǎo)入造血細(xì)胞，以擴(kuò)大耐 藥范圍和進(jìn)行體內(nèi)選擇是基因**的重要策略，這類載體基因片段大多較長，進(jìn)行傳統(tǒng)基因?qū)胗幸欢ǖ碾y度。有報(bào)道可以用活體電穿孔法將醛脫氫酶基因和多藥耐 藥基因共轉(zhuǎn)移并在PA317 細(xì)胞中獲得高效表達(dá)，轉(zhuǎn)導(dǎo)率達(dá)98 % ，測定**蛋白表達(dá)較常規(guī)方法增高4 倍。此外電穿孔法有很高的經(jīng)皮促滲作用，可進(jìn)行很多經(jīng)皮給藥的**。

6．2 　基因**中外源基因表達(dá)的調(diào)控

研究人員大都不希望導(dǎo)入的外源基因過度表達(dá)，尤其在基因**中，我們希望外源基因表達(dá)的誘導(dǎo)和抑制能夠得到控制。目前這方面的研究主要包括兩個(gè)方面:效應(yīng) 元件調(diào)節(jié)和生理活動(dòng)調(diào)節(jié)。效應(yīng)元件的作用，例如類固醇類**誘導(dǎo)的效應(yīng)元件中，在卵清蛋白啟動(dòng)子5′遠(yuǎn)端019kb 處有一個(gè)雌**效應(yīng)元件，將具有此元件的基因?qū)氤赡昴鸽u后，在其皮下注射糖皮質(zhì)**和雌**，便可誘導(dǎo)外源基因的高效表達(dá)，表達(dá)量較未經(jīng)**誘導(dǎo)的對照 組增加10 倍。   

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