Kỹ thuật xung điện (electroporation) lă một phương phõp cơ học được sử dụng để đưa cõc phđn tử phđn cực văo trong tế băo chủ qua măng tế băo. Trong phương phõp năy, một xung điện cao thế trong khoảnh khắc (văi phần nghỡn giđy) cú khả năng lăm rối loạn cấu trỳc măng kĩp phospholipid, tạo ra cõc lỗ thủng tạm thời cho phĩp cõc phđn tử DNA ngoại lai từ mụi trường xđm nhập văo bớn trong tế băo.
Nhiều kỹ thuật nghiớn cứu trong sinh học phđn tử yớu cầu đưa gen hoặc protein ngoại lai văo trong tế băo chủ. Vỡ lớp phospholipid kĩp của măng sinh chất cú một đầu ưa nước phớa ngoăi vă một đầu ưa nước phớa trong (Hỡnh 2.14), nớn bất kỳ phđn tử phđn cực năo, bao gồm cả DNA vă protein, đều khụng cú khả năng đi qua măng một cõch tự do (Farabee, 2001).
Hỡnh 2.14: Sơ đồ măng phospholipid kĩp
Sơ đồ năy cho thấy cõc thănh phần húa học của măng sinh chất. Cõc đầu ưa nước phđn cực hướng về phớa ngoăi trong khi cõc đuụi kỵ nước hướng về phớa trong vă tương tõc với đuụi kỵ nước khõc để cựng bõm giữ măng. Cõc phđn tử phđn cực khụng thể đi qua măng năy nếu như khụng cú sự hỗ trợ bớn ngoăi.
Nhiều phương phõp đờ được phõt triển để vượt qua răo cản năy, cho phĩp đưa DNA vă cõc phđn tử khõc văo trong tế băo đờ được nghiớn cứu. Một trong những phương phõp năy lă kỹ thuật xung điện.
Kỹ thuật xung điện dựa trớn trạng thõi tương đối yếu của cõc tương tõc kỵ nước của phospholipid kĩp vă khả năng tập hợp lại một cõch tự động của nú sau khi bị rối loạn (Purves, 2001). Vỡ vậy, một xung điện chớp nhoõng cú thể gđy ra rối loạn ở cõc vị trớ của măng một cõch nhất thời, lăm cho cõc phđn tử phđn cực cú thể đi qua, nhưng sau đú măng cú thế đúng kớn lại nhanh chúng vă tế băo khụng bị ảnh hưởng gỡ cả.
Cõc tế băo chủ vă DNA ngoại lai được tạo thănh dịch huyền phự vă cho văo trong một cuvette nhựa cú điện cực (Hỡnh 2.15).
Hỡnh 2.15: Cuvette nhựa cú điện cực
éể tạo ra xung điện cao thế trong một thời gian ngắn người ta sử dụng một thiết bị gọi lă mõy xung gen (gene pulser) (Hỡnh 2.16). Quõ trỡnh cơ bản diễn ra bớn trong mõy năy cú thể được trỡnh băy bằng sơ đồ hỡnh 2.17.
Hỡnh 2.16: Mõy xung gen (Gene pulser) (Hờng Biorad)
Hỡnh 2.17: Sơ đồ bố trớ mạch cơ bản của mõy xung điện
Sơ đồ năy cho thấy mạch điện cơ bản cung cấp điện cho kỹ thuật xung điện
Khi cụng tắc thứ nhất đúng, tụ điện nạp điện văo vă tớch một điện õp cao. Khi cụng tắc thứ hai đúng, điện õp năy phúng qua dịch huyền phự tế băo. Một xung điện cần thiết cho kỹ thuật năy thường lă khoảng 10.000-100.000 v/cm (thay đổi tựy theo kớch thước của tế băo) trong văi phần triệu giđy đến một phần ngăn giđy. Xung điện năy lăm rối loạn phospholipid kĩp của măng tế băo vă tạo ra cõc lỗ tạm thời. Khả năng điện qua măng tế băo cựng lỳc tăng lớn 0,5-1,0 v vỡ vậy cõc phđn tử đờ được nạp điện năy đi qua măng tế băo thụng qua cõc lỗ bằng cõch thức tương tự như điện di (Hỡnh 2.18).
Hỡnh 2.18: Sơ đồ plasmid chứa DNA ngoại lai đi qua cõc lỗ tạm thời trớn măng băo chất
Lối DNA đi văo tế băo khụng thể quan sõt thấy dưới kớnh hiển vi, nhưng hỡnh vẽ năy cho thấy khõi niệm cơ bản của sự tạo thănh cõc lỗ trớn măng mă DNA cú thể đi qua.
Khi cõc ion đờ nạp điện vă cõc phđn tử đi qua cõc lỗ, măng tế băo phúng điện vă cõc lỗ năy đúng lại một cõch nhanh chúng vă phospolipid kĩp phục hồi lại cấu trỳc cũ (Weaver, 1995). Lỳc năy cõc phđn tử mong muốn đờ ở trong tế băo vă chỳng được sử dụng cho cõc nghiớn cứu tiếp theo.
Phương phõp năy cú thể sử dụng đối với gần như tất cả cõc loại tế băo của cõc loăi. Lỳc đầu phương phõp năy được sử dụng để chuyển gen văo cõc tế băo động vật cú vỳ, về sau cho cả tế băo thực
vật ở dạng protoplast... Với một số cđy một lõ mầm quan trọng (loăi lỳa phụ Japonica, ngụ, lỳa mỡ) mă khụng thể thể thực hiện được bằng phương phõp chuyển gen giõn tiếp nhờ Agrobacterium thỡ người ta đờ thănh cụng với phương phõp năy. Hiệu quả biến nạp cao. Trong một nghiớn cứu ở E.coli, 80% số tế băo nhận được DNA ngoại lai (Miller vă Nickoloff, 1995). Lượng DNA ngoại lai cần thiết lă ớt hơn so với cõc phương phõp khõc (Withers, 1995). Phương phõp năy cú thể thực hiện với cõc mụ in vivo cũn nguyớn vẹn (Weaver, 1995). éoạn DNA ngoại lai được biến nạp cú kớch thước lớn. Tuy nhiớn nếu cõc xung điện cú cường độ vă chiều dăi khụng đỳng thỡ một số lỗ của tế băo sẽ trở nớn quõ lớn hoặc bị hỏng khụng thể đúng lại sau khi tế băo phúng điện, lăm cho tế băo bị tổn thương hoặc bị thủng (Weaver, 1995). Một hạn chế nữa lă sự vận chuyển DNA ngoại lai văo vă ra khỏi tế băo trong suốt thời gian điện biến nạp lă tương đối khụng đặc hiệu. éiều năy dẫn đến kết quả lă khụng cđn bằng ion mă sau đú sẽ lăm rối loạn chức năng của tế băo vă tế băo chết (Weaver, 1995).
Kỹ thuật xung điện được sử dụng rộng rời trong nhiều lĩnh vực khõc nhau của sinh học phđn tử vă y học. Cõc ứng dụng của kỹ thuật xung điện bao gồm:
- Biến nạp DNA: cõc gen đặc hiệu cú thể được tạo dũng trong plamid vă sau đú plasmid năy được đưa văo tế băo chủ để nghiớn cứu cấu trỳc vă chức năng của gen vă protein.
- Chuyển plasmid trực tiếp giữa cõc tế băo: tế băo vi khuẩn đờ chứa plasmid cú thể được ủ với một dũng khõc khụng mang plasmid nhưng lại cú đặc tớnh mong muốn khõc. éiện õp của xung điện sẽ tạo ra cõc lỗ, cho phĩp một số plasmid đi ra khỏi tế băo vă lại đi văo tế băo khõc. Sau đú cõc tế băo mong muốn sẽ được chọn lọc bằng tớnh khõng thuốc khõng sinh hoặc bằng phương phõp tương tự khõc (Withers, 1995). Kiểu chuyển gen năy cũng cú thể được thực hiện giữa cõc loăi khõc nhau. Vỡ vậy, một lượng lớn plasmid sinh trưởng trong cõc khuẩn lạc vi khuẩn được nhđn lớn một cõch nhanh chúng vă sau đú được chuyển văo cõc tế băo nấm men bằng kỹ thuật xung điện để nghiớn cứu (Gunn, 1995).
- Dung hợp tế băo đờ kớch thớch: sự tạo thănh cõc lỗ thủng trớn măng xảy ra do xung điện chớp nhoõng tạo ra cho thấy đờ kớch thớch sự dung hợp tế băo (Weber vă Berrg, 1995).
- Phđn phối thuốc qua da: Chỉ khi xung điện gđy ra cõc lỗ tạm thời trớn măng sinh chất, cõc lỗ tương tự đờ tạo ra ở măng lipid kĩp của lớp da chết ở phớa ngoăi cựng. Cõc lỗ năy cho phĩp thuốc đi qua da đến cõc mụ đớch. Cõc bệnh nhđn thớch phương phõp năy hơn phương phõp tiớm (khụng cần kim tiớm) vă cú thể trõnh được cõc vấn đề phđn hủy hoặc hấp thu khụng đỳng của liệu phõp uống thuốc (oral medication) trong hệ tiớu húa (Praustmitz, 1993).
- Liệu phõp húa điện khối u ung thư (cancer tumor electrochemotherapy): cõc nhă khoa học đang nghiớn cứu tiềm năng của kỹ thuật xung điện để tăng tớnh hiệu quả của liệu phõp húa học. Khi sử dụng kỹ thuật xung điện để biến nạp DNA, xung điện năy sẽ phõ vỡ măng tế băo ung thư vă lăm tăng lượng thuốc đi đến cõc vị trớ. Một số nghiớn cứu cho rằng đờ lăm giảm sự phõt triển khối u khi õp dụng phương phõp năy cho cõc tế băo ung thư ở hệ thống mụ hỡnh động vật (Maeda, 1998).
- Liệu phõp gen: kỹ thuật xung điện cho phĩp cõc vector mang cõc gen quan tđm được biến nạp qua da đến cõc mụ đớch. Khi đờ hợp nhất văo cõc tế băo của cơ thể, cõc protein được tổng hợp từ cõc gen năy cú thể thay thế gen sai hỏng vă vỡ vậy đờ điều trị cõc rối loạn di truyền (Hỡnh 2.19)(Inovio, 2002).