Control of the Electroporation Efficiency of Nanosecond Pulses by Swinging the Electric Field Vector Direction

电穿孔 纳秒 电场 颠倒 材料科学 电极 电压 光学 电极阵列 光电子学 化学 物理 激光器 物理化学 复合材料 基因 量子力学 生物化学
作者
Vitalii Kim,Iurii Semenov,Allen S. Kiester,Mark A. Keppler,Bennett L. Ibey,Joel N. Bixler,Ruben Manuel Luciano Colunga Biancatelli,Andrei G. Pakhomov
出处
期刊:International Journal of Molecular Sciences [MDPI AG]
卷期号:24 (13): 10921-10921
标识
DOI:10.3390/ijms241310921
摘要

Reversing the pulse polarity, i.e., changing the electric field direction by 180°, inhibits electroporation and electrostimulation by nanosecond electric pulses (nsEPs). This feature, known as “bipolar cancellation,” enables selective remote targeting with nsEPs and reduces the neuromuscular side effects of ablation therapies. We analyzed the biophysical mechanisms and measured how cancellation weakens and is replaced by facilitation when nsEPs are applied from different directions at angles from 0 to 180°. Monolayers of endothelial cells were electroporated by a train of five pulses (600 ns) or five paired pulses (600 + 600 ns) applied at 1 Hz or 833 kHz. Reversing the electric field in the pairs (180° direction change) caused 2-fold (1 Hz) or 20-fold (833 kHz) weaker electroporation than the train of single nsEPs. Reducing the angle between pulse directions in the pairs weakened cancellation and replaced it with facilitation at angles <160° (1 Hz) and <130° (833 kHz). Facilitation plateaued at about three-fold stronger electroporation compared to single pulses at 90–100° angle for both nsEP frequencies. The profound dependence of the efficiency on the angle enables novel protocols for highly selective focal electroporation at one electrode in a three-electrode array while avoiding effects at the other electrodes. Nanosecond-resolution imaging of cell membrane potential was used to link the selectivity to charging kinetics by co- and counter-directional nsEPs.
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