इलेक्ट्रोपोरेशन

इलेक्ट्रोपोरेशन, या इलेक्ट्रोपरमेबिलाइजेशन, एक ऐसी कीटाणु-विज्ञान तकनीक है जिसमें कोशिका झिल्ली की पारगम्यता को बढ़ाने के लिए कोशिकाओं पर एक विद्युत क्षेत्र लागू किया जाता है। यह रसायनों, दवाओं, इलेक्ट्रोड सरणियों या डीएनए को कोशिका में पेश करने की अनुमति दे सकता है (जिसे इलेक्ट्रोट्रांसफर भी कहा जाता है)।

माइक्रोबायोलॉजी में, इलेक्ट्रोपोरेशन की प्रक्रिया का उपयोग अक्सर नए कोडिंग डीएनए को पेश करके जीवाणु, यीस्ट या पौधे मूलतत्त्व को बदलने (आनुवांशिकी) के लिए किया जाता है। यदि बैक्टीरिया और प्लाज्मिड को एक साथ मिलाया जाता है, तो इलेक्ट्रोपोरेशन के बाद प्लास्मिड को बैक्टीरिया में स्थानांतरित किया जा सकता है, हालांकि जो स्थानांतरित किया जा रहा है उसके आधार पर, कोशिका-मर्मज्ञ पेप्टाइड्स या सेलस्क्वीज़ का भी उपयोग किया जा सकता है। इलेक्ट्रोपोरेशन एक इलेक्ट्रोपोरेशन क्युवेट में निलंबित कोशिकाओं में हजारों वोल्ट (~8 केवी/सेमी) प्रवाहित करके काम करता है। बाद में, कोशिकाओं को तब तक सावधानी से संभालना पड़ता है जब तक कि उन्हें विभाजित होने का मौका न मिल जाए, जिससे नई कोशिकाओं का निर्माण होता है जिनमें पुनरुत्पादित प्लास्मिड होते हैं। यह प्रक्रिया रासायनिक परिवर्तन की तुलना में कोशिका झिल्ली की पारगम्यता बढ़ाने में लगभग दस गुना अधिक प्रभावी है।

टिशू कल्चर कोशिकाओं, विशेषकर स्तनधारी कोशिकाओं में विदेशी जीन के प्रवेश के लिए इलेक्ट्रोपोरेशन भी अत्यधिक कुशल है। उदाहरण के लिए, इसका उपयोग नॉकआउट चूहों के उत्पादन की प्रक्रिया के साथ-साथ ट्यूमर उपचार, जीन थेरेपी और सेल-आधारित थेरेपी में किया जाता है। यूकेरियोटिक कोशिकाओं में विदेशी डीएनए को शामिल करने की प्रक्रिया को अभिकर्मक के रूप में जाना जाता है। इलेक्ट्रोपोरेशन क्यूवेट का उपयोग करके निलंबन में कोशिकाओं को ट्रांसफ़ेक्ट करने के लिए इलेक्ट्रोपोरेशन अत्यधिक प्रभावी है। इलेक्ट्रोपोरेशन विवो में ऊतकों पर उपयोग के लिए, गर्भाशय अनुप्रयोगों के साथ-साथ ओवो ट्रांसफ़ेक्शन में कुशल साबित हुआ है। आसन्न कोशिकाओं को इलेक्ट्रोपोरेशन का उपयोग करके भी ट्रांसफ़ेक्ट किया जा सकता है, जिससे शोधकर्ताओं को ट्रांसफ़ेक्शन से पहले अपनी कोशिकाओं को ट्रिप्सिनाइज़ करने का विकल्प मिलता है। हालाँकि, इलेक्ट्रोपोरेशन का एक नकारात्मक पक्ष यह है कि प्रक्रिया के बाद 7,000 से अधिक जीनों की जीन अभिव्यक्ति प्रभावित हो सकती है। इससे उन अध्ययनों में समस्याएँ पैदा हो सकती हैं जहाँ सटीक और सटीक परिणाम सुनिश्चित करने के लिए जीन अभिव्यक्ति को नियंत्रित करना पड़ता है।

हालाँकि माइक्रोइंजेक्शन और जीन गन जैसी भौतिक वितरण विधियों की तुलना में बल्क इलेक्ट्रोपोरेशन के कई फायदे हैं, फिर भी इसमें कम सेल व्यवहार्यता सहित सीमाएँ हैं। इलेक्ट्रोपोरेशन के लघुकरण का अध्ययन किया गया है, जिससे कोशिकाओं तक न्यूनतम आक्रामक रूप से कार्गो पहुंचाने के लिए नैनोचैनल के माध्यम से इलेक्ट्रोपोरेशन-आधारित तकनीकों का उपयोग करके ऊतक के सूक्ष्मविद्युतीकरण और ऊतक नैनोट्रांसफ़ेक्शन को बढ़ावा मिलता है।

इलेक्ट्रोपोरेशन का उपयोग कोशिका संलयन को शुरू करने के लिए एक तंत्र के रूप में भी किया गया है। कृत्रिम रूप से प्रेरित कोशिका संलयन का उपयोग मधुमेह जैसी विभिन्न बीमारियों की जांच और उपचार के लिए किया जा सकता है।  केंद्रीय तंत्रिका तंत्र के अक्षतंतु को पुनर्जीवित करता है, और वांछित गुणों वाली कोशिकाओं का उत्पादन करता है, जैसे कि कैंसर इम्यूनोथेरेपी के लिए सेल टीके में। हालाँकि, सेल फ़्यूज़न का पहला और सबसे ज्ञात अनुप्रयोग हाइब्रिडोमा प्रौद्योगिकी में मोनोक्लोनल एंटीबॉडी का उत्पादन है, जहां हाइब्रिड सेल लाइनें (हाइब्रिडोमास) विशिष्ट एंटीबॉडी-उत्पादक बी लिम्फोसाइटों को मायलोमा (बी लिम्फोसाइट कैंसर) सेल लाइन के साथ जोड़कर बनाई जाती हैं।

प्रयोगशाला अभ्यास
इलेक्ट्रोपोरेशन इलेक्ट्रोपोरेटर्स, उद्देश्य-निर्मित उपकरणों के साथ किया जाता है जो सेल समाधान में इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षेत्र बनाते हैं। सेल निलंबन (रसायन विज्ञान) को एक ग्लास या प्लास्टिक क्युवेट में विंदुक  किया जाता है जिसके किनारों पर दो एल्यूमीनियम इलेक्ट्रोड होते हैं। बैक्टीरियल इलेक्ट्रोपोरेशन के लिए, आमतौर पर लगभग 50 माइक्रोलीटर का निलंबन उपयोग किया जाता है। विद्युतीकरण से पहले, बैक्टीरिया के इस निलंबन को रूपांतरित करने के लिए प्लास्मिड के साथ मिलाया जाता है। मिश्रण को क्युवेट में पिपेट किया जाता है, वोल्टेज और कैपेसिटेंस सेट किया जाता है, और क्युवेट को इलेक्ट्रोपोरेटर में डाला जाता है। इस प्रक्रिया में इलेक्ट्रोड और निलंबन के बीच सीधे संपर्क की आवश्यकता होती है। इलेक्ट्रोपोरेशन के तुरंत बाद, तरल माध्यम का एक मिलीलीटर बैक्टीरिया में जोड़ा जाता है (क्यूवेट में या एपेंडॉर्फ ट्यूब में), और कोशिकाओं की पुनर्प्राप्ति और प्लास्मिड की अभिव्यक्ति की अनुमति देने के लिए ट्यूब को बैक्टीरिया के इष्टतम तापमान पर एक घंटे या उससे अधिक समय तक ऊष्मायन किया जाता है, इसके बाद अगर (एक जेली जैसा पदार्थ) प्लेटों पर जीवाणु संवर्धन किया जाता है।

इलेक्ट्रोपोरेशन की सफलता काफी हद तक प्लास्मिड समाधान की शुद्धता पर निर्भर करती है, खासकर इसकी नमक सामग्री पर। उच्च नमक सांद्रता वाले समाधान विद्युत निर्वहन (विद्युत चाप के रूप में जाना जाता है) का कारण बन सकते हैं, जो अक्सर बैक्टीरिया की व्यवहार्यता को कम कर देता है। प्रक्रिया की अधिक विस्तृत जांच के लिए, पोरेटर डिवाइस के आउटपुट प्रतिबाधा और सेल सस्पेंशन के इनपुट प्रतिबाधा (जैसे नमक सामग्री) पर अधिक ध्यान दिया जाना चाहिए।

चूँकि कोशिका झिल्ली धारा प्रवाहित करने में सक्षम नहीं है (आयन चैनलों को छोड़कर), यह विद्युत संधारित्र के रूप में कार्य करती है। झिल्लियों को उच्च-वोल्टेज विद्युत क्षेत्र के अधीन करने से वे अस्थायी रूप से टूट जाती हैं, जिसके परिणामस्वरूप छिद्र इतने बड़े हो जाते हैं कि मैक्रोमोलेक्यूल्स (जैसे डीएनए) को कोशिका में प्रवेश करने या छोड़ने की अनुमति मिलती है।

इसके अतिरिक्त, गर्भाशय में इंजेक्शन और सर्जरी के दौरान कोशिकाओं की पारगम्यता बढ़ाने के लिए इलेक्ट्रोपोरेशन का उपयोग किया जा सकता है। विशेष रूप से, इलेक्ट्रोपोरेशन चूहों और चूहों की कोशिकाओं में डीएनए, आरएनए, एसएचआरएनए और सभी न्यूक्लिक एसिड के अधिक कुशल ट्रांसफ़ेक्शन की अनुमति देता है। विवो इलेक्ट्रोपोरेशन की सफलता काफी हद तक वोल्टेज, पुनरावृत्ति, पल्स और अवधि पर निर्भर करती है। न्यूक्लिक एसिड के इंजेक्शन के लिए निलय की दृश्यता के साथ-साथ विभाजित कोशिकाओं की बढ़ती पारगम्यता के कारण विवो इलेक्ट्रोपोरेशन के लिए विकासशील केंद्रीय तंत्रिका तंत्र सबसे प्रभावी हैं। गर्भाशय भ्रूण में इंजेक्शन का विद्युतीकरण गर्भाशय की दीवार के माध्यम से किया जाता है, अक्सर भ्रूण को होने वाले नुकसान को सीमित करने के लिए संदंश-प्रकार के इलेक्ट्रोड के साथ।

इन विट्रो और पशु अध्ययन
विवो जीन इलेक्ट्रोट्रांसफर का वर्णन पहली बार 1991 में किया गया था और आज जीन इलेक्ट्रोट्रांसफर के कई प्रीक्लिनिकल अध्ययन चल रहे हैं। इस पद्धति का उपयोग कई बीमारियों के संभावित उपचार के लिए बड़ी संख्या में चिकित्सीय जीन प्रदान करने के लिए किया जाता है, जैसे: प्रतिरक्षा प्रणाली में विकार, ट्यूमर, चयापचय संबंधी विकार, मोनोजेनेटिक रोग, हृदय रोग, एनाल्जेसिया....

अपरिवर्तनीय इलेक्ट्रोपोरेशन के संबंध में, चूहों में प्रत्यारोपित घातक त्वचीय ट्यूमर का पहला सफल उपचार 2007 में वैज्ञानिकों के एक समूह द्वारा पूरा किया गया था, जिन्होंने 13 चूहों में से 12 में पूर्ण ट्यूमर उन्मूलन हासिल किया था। उन्होंने त्वचीय ट्यूमर के इलाज के लिए 2500 वी/सेमी के विद्युत क्षेत्र परिमाण के साथ 0.3 हर्ट्ज पर 100 माइक्रोसेकंड के 80 पल्स भेजकर इसे पूरा किया। वर्तमान में, एंजियोडायनामिक्स, इंक. और वोल्टमेड, इंक. सहित कई कंपनियां नैदानिक ​​​​वातावरण के भीतर अपरिवर्तनीय इलेक्ट्रोपोरेशन-आधारित प्रौद्योगिकियों को विकसित और तैनात करना जारी रख रही हैं।

चिकित्सा अनुप्रयोगों के लिए इलेक्ट्रोपोरेशन को देखने वाले पहले समूह का नेतृत्व इंस्टीट्यूट गुस्ताव राउसी में लुइस एम मीर ने किया था। इस मामले में, उन्होंने अभेद्य मैक्रोमोलेक्यूल्स के साथ संयोजन में प्रतिवर्ती इलेक्ट्रोपोरेशन के उपयोग पर ध्यान दिया। मानव कोशिकाओं पर नैनोसेकंड पल्स का उपयोग कैसे किया जा सकता है, इस पर पहला शोध पूर्वी वर्जीनिया मेडिकल स्कूल और ओल्ड डोमिनियन यूनिवर्सिटी के शोधकर्ताओं द्वारा किया गया था, और 2003 में प्रकाशित किया गया था।

चिकित्सा अनुप्रयोग
इलेक्ट्रोपोरेशन का पहला चिकित्सा अनुप्रयोग ट्यूमर नोड्यूल्स में खराब पारगम्य एंटीकैंसर दवाओं को पेश करने के लिए किया गया था। जल्द ही जीन इलेक्ट्रोट्रांसफर भी अपनी कम लागत, कार्यान्वयन में आसानी और सुरक्षा के कारण विशेष रुचि का विषय बन गया। अर्थात्, जब डीएनए स्थानांतरण के लिए उपयोग किया जाता है तो वायरल वैक्टर में इम्यूनोजेनेसिटी और रोगजनकता के संदर्भ में गंभीर सीमाएं हो सकती हैं।

सूअरों में इलेक्ट्रोपोरेशन का एक उच्च वोल्टेज एक संकीर्ण सीमा के भीतर लक्ष्य कोशिकाओं को अपरिवर्तनीय रूप से नष्ट करने के लिए पाया गया, जबकि पड़ोसी कोशिकाओं को अप्रभावित छोड़ दिया गया, और इस प्रकार कैंसर, हृदय रोग और अन्य रोग स्थितियों के लिए एक आशाजनक नए उपचार का प्रतिनिधित्व करता है जिसमें ऊतक को हटाने की आवश्यकता होती है। अपरिवर्तनीय इलेक्ट्रोपोरेशन (आईआरई) तब से मानव कैंसर के इलाज में प्रभावी साबित हुआ है, जॉन्स हॉपकिन्स अस्पताल और अन्य संस्थानों के सर्जन अब अग्नाशय कैंसर के इलाज के लिए इस तकनीक का उपयोग कर रहे हैं, जिसे पहले अयोग्य माना जाता था।

मेटास्टैटिक मेलेनोमा वाले रोगियों में जीन इलेक्ट्रोट्रांसफर के पहले चरण I नैदानिक ​​​​परीक्षण की भी सूचना दी गई थी। इंटरल्यूकिन 12 (पीआईएल-12) के लिए प्लास्मिड कोडिंग जीन की इलेक्ट्रोपोरेशन मध्यस्थता डिलीवरी की गई और सुरक्षा, सहनशीलता और चिकित्सीय प्रभाव की निगरानी की गई। अध्ययन ने निष्कर्ष निकाला कि पीआईएल-12 के साथ जीन इलेक्ट्रोट्रांसफर सुरक्षित और अच्छी तरह से सहन किया जाने वाला है। इसके अलावा आंशिक या पूर्ण प्रतिक्रिया दूर के गैर-उपचारित मेटास्टेसिस में भी देखी गई, जो प्रणालीगत उपचार प्रभाव का सुझाव देती है। इन परिणामों के आधार पर वे पहले से ही चरण II नैदानिक ​​अध्ययन में जाने की योजना बना रहे हैं। वर्तमान में जीन इलेक्ट्रोट्रांसफर के कई नैदानिक ​​​​अध्ययन चल रहे हैं जहां डीएनए वैक्सीन के साथ टीकाकरण की सुरक्षा, सहनशीलता और प्रभावशीलता की निगरानी की जाती है, जिसे विद्युत पल्स द्वारा प्रशासित किया जाता है।

हालाँकि यह विधि प्रणालीगत नहीं है, लेकिन पूरी तरह से स्थानीय है, फिर भी यह जीन वितरण के लिए सबसे कुशल गैर-वायरल रणनीति है।

एन-टायर
गैर-थर्मल अपरिवर्तनीय इलेक्ट्रोपोरेशन (एन-टायर) नामक एक हालिया तकनीक कई अलग-अलग प्रकार के ट्यूमर और अन्य अवांछित ऊतकों के इलाज में सफल साबित हुई है। यह प्रक्रिया छोटे इलेक्ट्रोड (लगभग 1 मिमी व्यास) का उपयोग करके की जाती है, जो पूर्व निर्धारित वोल्टेज और आवृत्ति पर बिजली के छोटे, दोहराव वाले विस्फोटों को लागू करने के लिए लक्ष्य ऊतक के अंदर या आसपास रखे जाते हैं। बिजली के ये विस्फोट रेस्टिंग ट्रांसमेम्ब्रेन क्षमता (टीएमपी) को बढ़ाते हैं, जिससे प्लाज्मा झिल्ली में नैनोपोर्स बनते हैं। जब ऊतक पर लागू बिजली लक्ष्य ऊतक के विद्युत क्षेत्र की सीमा से ऊपर होती है, तो कोशिकाएं नैनोपोर्स के निर्माण से स्थायी रूप से पारगम्य हो जाती हैं। परिणामस्वरूप, कोशिकाएं क्षति की मरम्मत करने में असमर्थ हो जाती हैं और होमोस्टैसिस के नुकसान के कारण मर जाती हैं। एन-टायर अन्य ट्यूमर एब्लेशन तकनीकों के लिए अद्वितीय है क्योंकि यह इसके आसपास के ऊतकों को थर्मल क्षति नहीं पहुंचाता है।

प्रतिवर्ती विद्युतीकरण
इसके विपरीत, प्रतिवर्ती विद्युतीकरण तब होता है जब इलेक्ट्रोड के साथ लागू की गई बिजली लक्ष्य ऊतक के विद्युत क्षेत्र सीमा से नीचे होती है। क्योंकि लागू की गई बिजली कोशिकाओं की सीमा से नीचे है, यह कोशिकाओं को उनके फॉस्फोलिपिड बाईलेयर की मरम्मत करने और उनके सामान्य सेल कार्यों को जारी रखने की अनुमति देती है। प्रतिवर्ती इलेक्ट्रोपोरेशन आम तौर पर ऐसे उपचारों के साथ किया जाता है जिसमें कोशिका में दवा या जीन (या अन्य अणु जो सामान्य रूप से कोशिका झिल्ली के लिए पारगम्य नहीं होता है) शामिल होता है। सभी ऊतकों में विद्युत क्षेत्र की सीमा समान नहीं होती; इसलिए सुरक्षा और प्रभावकारिता सुनिश्चित करने के लिए उपचार से पहले सावधानीपूर्वक गणना करने की आवश्यकता है। एन-टायर का उपयोग करने का एक बड़ा फायदा यह है कि, जब सावधानीपूर्वक गणना के अनुसार सही ढंग से किया जाता है, तो यह केवल लक्ष्य ऊतक को प्रभावित करता है। प्रोटीन, बाह्य कोशिकीय मैट्रिक्स, और रक्त वाहिकाएं और तंत्रिकाएं जैसी महत्वपूर्ण संरचनाएं इस उपचार से अप्रभावित और स्वस्थ रहती हैं। यह शीघ्र स्वस्थ होने की अनुमति देता है, और मृत ट्यूमर कोशिकाओं को स्वस्थ कोशिकाओं के साथ अधिक तेजी से बदलने की सुविधा प्रदान करता है। प्रक्रिया करने से पहले, वैज्ञानिकों को सावधानीपूर्वक गणना करनी चाहिए कि वास्तव में क्या करने की आवश्यकता है और प्रत्येक रोगी का व्यक्तिगत मामले-दर-मामला आधार पर इलाज करना चाहिए। ऐसा करने के लिए, ट्यूमर की 3डी छवि बनाने के लिए आमतौर पर सीटी स्कैन और एमआरआई जैसी इमेजिंग तकनीक का उपयोग किया जाता है। इस जानकारी से, वे ट्यूमर की मात्रा का अनुमान लगा सकते हैं और सॉफ्टवेयर तकनीक का उपयोग करके इलेक्ट्रोड के सम्मिलन स्थल, जिस कोण में उन्हें डाला जाता है, आवश्यक वोल्टेज और बहुत कुछ सहित कार्रवाई का सर्वोत्तम तरीका तय कर सकते हैं। अक्सर, प्रक्रिया के दौरान इलेक्ट्रोड लगाने में मदद के लिए एक सीटी मशीन का उपयोग किया जाएगा, खासकर जब इलेक्ट्रोड का उपयोग मस्तिष्क में ट्यूमर के इलाज के लिए किया जा रहा हो। पूरी प्रक्रिया बहुत त्वरित है, आमतौर पर इसमें लगभग पांच मिनट लगते हैं। इन प्रक्रियाओं की सफलता दर अधिक है और मनुष्यों में भविष्य के उपचार के लिए बहुत आशाजनक है। एन-टायर का उपयोग करने का एक नुकसान यह है कि इलेक्ट्रोड से वितरित बिजली मांसपेशियों की कोशिकाओं को सिकुड़ने के लिए उत्तेजित कर सकती है, जिसके स्थिति के आधार पर घातक परिणाम हो सकते हैं। इसलिए, प्रक्रिया करते समय एक पैरालिटिक एजेंट का उपयोग किया जाना चाहिए। इस तरह के शोध में जिन पैरालिटिक एजेंटों का उपयोग किया गया है वे सफल हैं; हालाँकि, एनेस्थेटिक्स का उपयोग करते समय, मामूली ही सही, कुछ जोखिम हमेशा बना रहता है।

एच-फायर
एक और हालिया तकनीक विकसित की गई है जिसे उच्च-आवृत्ति अपरिवर्तनीय इलेक्ट्रोपोरेशन (एच-फायर) कहा जाता है। यह तकनीक कम आवृत्ति पर बिजली के एकध्रुवीय विस्फोट के विपरीत, उच्च आवृत्ति पर बिजली के द्विध्रुवीय विस्फोट को लागू करने के लिए इलेक्ट्रोड का उपयोग करती है। इस प्रकार की प्रक्रिया में एन-टायर के समान ही ट्यूमर उन्मूलन की सफलता होती है। हालाँकि, इसका एक अलग फायदा है, H-FIRE से मरीज़ में मांसपेशियों में संकुचन नहीं होता है और इसलिए पैरालिटिक एजेंट की कोई आवश्यकता नहीं होती है। इसके अलावा, उच्च आवृत्तियों पर ऊतकों के विद्युत गुणों में कम अंतर के कारण एच-फायर को अधिक पूर्वानुमानित एब्लेशन उत्पन्न करने के लिए प्रदर्शित किया गया है।

दवा और जीन वितरण
इलेक्ट्रोपोरेशन का उपयोग छोटे और तीव्र विद्युत स्पंदों को लागू करके कोशिका में दवाओं या जीनों को पहुंचाने में मदद के लिए भी किया जा सकता है जो कोशिका झिल्ली को क्षणिक रूप से पारगम्य बनाते हैं, इस प्रकार अणुओं के परिवहन की अनुमति देते हैं अन्यथा सेलुलर झिल्ली के माध्यम से परिवहन नहीं किया जाता है। इस प्रक्रिया को विद्युतरसायन चिकित्सा  के रूप में संदर्भित किया जाता है जब परिवहन किए जाने वाले अणु कीमोथेराप्यूटिक एजेंट या जीन इलेक्ट्रोट्रांसफर होते हैं जब परिवहन किया जाने वाला अणु डीएनए होता है। करोलिंस्का इंस्टिट्यूट और ऑक्सफ़ोर्ड विश्वविद्यालय के वैज्ञानिक siRNAs, एंटीसेंस ऑलिगोन्यूक्लियोटाइड्स, कीमोथेराप्यूटिक एजेंट और प्रोटीन को प्रणालीगत रूप से (रक्त में) इंजेक्ट करने के बाद विशेष रूप से न्यूरॉन्स तक पहुंचाने के लिए एक्सोसोम कॉम्प्लेक्स के इलेक्ट्रोपोरेशन का उपयोग करते हैं। क्योंकि ये एक्सोसोम रक्त मस्तिष्क बाधा को पार करने में सक्षम हैं, यह प्रोटोकॉल केंद्रीय तंत्रिका तंत्र में दवाओं की खराब डिलीवरी की समस्या को हल कर सकता है, और संभावित रूप से अन्य स्थितियों के बीच अल्जाइमर रोग, पार्किंसंस रोग और मस्तिष्क कैंसर का इलाज कर सकता है। जैव प्रौद्योगिकी उद्देश्यों या चिकित्सा में आवश्यक विशेष प्रोटीन की बड़ी मात्रा बनाने के लिए जीवाणु परिवर्तन आम तौर पर सबसे आसान तरीका है। चूंकि जीन इलेक्ट्रोट्रांसफर बहुत सरल, तीव्र और अत्यधिक प्रभावी तकनीक है, इसलिए यह पहले अन्य परिवर्तन प्रक्रियाओं के लिए बहुत सुविधाजनक प्रतिस्थापन बन गया। हाल के शोध से पता चला है कि इलेक्ट्रोपोरेशन से पहले कोशिका झिल्ली के पूर्व-उपचार के लिए शॉक तरंगों का उपयोग किया जा सकता है। इस सहक्रियात्मक रणनीति ने बाहरी वोल्टेज की आवश्यकता को कम करने और बड़े छिद्र बनाने में मदद की है। इसके अलावा शॉक तरंगों के अनुप्रयोग से वांछित झिल्ली स्थल को लक्षित करने की गुंजाइश मिलती है। यह प्रक्रिया छिद्र के आकार को नियंत्रित करने की अनुमति देती है।

भौतिक तंत्र


इलेक्ट्रोपोरेशन डीएनए जैसे बड़े अत्यधिक आवेशित अणुओं के सेलुलर परिचय की अनुमति देता है जो कभी भी हाइड्रोफोबिक लिपिड बिलेयर कोर में निष्क्रिय रूप से फैल नहीं पाएगा। यह घटना इंगित करती है कि तंत्र झिल्ली में एनएम-स्केल पानी से भरे छिद्रों का निर्माण है। इलेक्ट्रोपोर्स को ड्रॉपलेट इंटरफ़ेस बाइलेयर्स जैसे लिपिड बाइलेयर मॉडल में वैकल्पिक रूप से चित्रित किया गया था और विशाल यूनिलैमेलर वेसिकल्स, जबकि विशाल यूनिलैमेलर वेसिकल्स में एक्टिन नेटवर्क जैसे साइटोस्केलेटल प्रोटीन को जोड़ने से दृश्यमान इलेक्ट्रोपोर्स के गठन को रोका जा सकता है। कोशिका झिल्ली पारगम्यता को विनियमित करने में एक्टिन नेटवर्क के प्रायोगिक साक्ष्य भी सामने आए हैं। यद्यपि इलेक्ट्रोपोरेशन और ढांकता हुआ टूटना दोनों एक विद्युत क्षेत्र के अनुप्रयोग के परिणामस्वरूप होते हैं, इसमें शामिल तंत्र मौलिक रूप से भिन्न होते हैं। ढांकता हुआ टूटने में बाधा सामग्री आयनित होती है, जिससे एक प्रवाहकीय मार्ग बनता है। इस प्रकार भौतिक परिवर्तन प्रकृति में रासायनिक है। इसके विपरीत, इलेक्ट्रोपोरेशन के दौरान लिपिड अणु रासायनिक रूप से परिवर्तित नहीं होते हैं, बल्कि बस अपनी स्थिति बदलते हैं, जिससे एक छिद्र खुल जाता है जो पानी से भरे होने पर बाइलेयर के माध्यम से प्रवाहकीय मार्ग के रूप में कार्य करता है।

इलेक्ट्रोपोरेशन एक गतिशील घटना है जो कोशिका झिल्ली पर प्रत्येक बिंदु पर स्थानीय ट्रांसमेम्ब्रेन वोल्टेज पर निर्भर करती है। यह आम तौर पर स्वीकार किया जाता है कि किसी दिए गए पल्स अवधि और आकार के लिए, इलेक्ट्रोपोरेशन घटना (0.5 वी से 1 वी तक) की अभिव्यक्ति के लिए एक विशिष्ट ट्रांसमेम्ब्रेन वोल्टेज थ्रेशोल्ड मौजूद होता है। इससे इलेक्ट्रोपोरेशन (ई) के लिए विद्युत क्षेत्र परिमाण सीमा की परिभाषा प्राप्त होती हैth). अर्थात्, केवल उन क्षेत्रों के भीतर की कोशिकाएँ जहाँ E≧Eth इलेक्ट्रोपोरेटेड हैं. यदि दूसरी सीमा (ईir) तक पहुंच जाता है या पार हो जाता है, इलेक्ट्रोपोरेशन कोशिकाओं की व्यवहार्यता से समझौता कर लेगा, यानी, अपरिवर्तनीय इलेक्ट्रोपोरेशन (आईआरई)। इलेक्ट्रोपोरेशन कई अलग-अलग चरणों वाली एक बहु-चरणीय प्रक्रिया है। सबसे पहले, एक छोटा विद्युत पल्स लागू किया जाना चाहिए। विशिष्ट पैरामीटर झिल्ली के पार <1 एमएस के लिए 300-400 mV होंगे (ध्यान दें- सेल प्रयोगों में उपयोग किए जाने वाले वोल्टेज आम तौर पर बहुत बड़े होते हैं क्योंकि उन्हें बड़ी दूरी पर थोक समाधान में लागू किया जा रहा है, इसलिए वास्तविक झिल्ली के पार परिणामी क्षेत्र केवल लागू पूर्वाग्रह का एक छोटा सा अंश)। इस क्षमता के अनुप्रयोग पर झिल्ली आसपास के घोल से आयनों के प्रवास के माध्यम से एक संधारित्र की तरह चार्ज हो जाती है। एक बार जब महत्वपूर्ण क्षेत्र हासिल हो जाता है तो लिपिड आकारिकी में तेजी से स्थानीयकृत पुनर्व्यवस्था होती है। परिणामी संरचना को पूर्व-छिद्र माना जाता है क्योंकि यह विद्युत रूप से प्रवाहकीय नहीं है लेकिन तेजी से एक प्रवाहकीय छिद्र के निर्माण की ओर ले जाती है। ऐसे पूर्व-छिद्रों के अस्तित्व का प्रमाण अधिकतर छिद्रों की टिमटिमाहट से मिलता है, जो प्रवाहकीय और इन्सुलेशन अवस्थाओं के बीच संक्रमण का सुझाव देता है। यह सुझाव दिया गया है कि ये पूर्व-छिद्र छोटे (~3 Å) हाइड्रोफोबिक दोष हैं। यदि यह सिद्धांत सही है, तो प्रवाहकीय अवस्था में संक्रमण को छिद्र किनारे पर पुनर्व्यवस्था द्वारा समझाया जा सकता है, जिसमें लिपिड सिर एक हाइड्रोफिलिक इंटरफ़ेस बनाने के लिए मुड़ते हैं। अंत में, ये प्रवाहकीय छिद्र या तो ठीक हो सकते हैं, बाइलेयर को फिर से सील कर सकते हैं या विस्तारित हो सकते हैं, अंततः इसे तोड़ सकते हैं। परिणामी भाग्य इस बात पर निर्भर करता है कि क्या गंभीर दोष का आकार पार हो गया था जो बदले में लागू क्षेत्र, स्थानीय यांत्रिक तनाव और बाइलेयर एज ऊर्जा पर निर्भर करता है।

जीन इलेक्ट्रोपोरेशन
कोशिका में पर्याप्त शक्ति के विद्युत स्पंदों के अनुप्रयोग से ट्रांस-झिल्ली संभावित अंतर में वृद्धि होती है, जो झिल्ली के अस्थिरता को भड़काती है। कोशिका झिल्ली की पारगम्यता बढ़ जाती है और अन्यथा गैर-पारगम्य अणु कोशिका में प्रवेश कर जाते हैं। यद्यपि जीन इलेक्ट्रोट्रांसफर के तंत्र को अभी तक पूरी तरह से समझा नहीं गया है, लेकिन यह दिखाया गया है कि डीएनए का परिचय केवल कैथोड का सामना करने वाली झिल्ली के हिस्से में होता है और सफल ट्रांसफ़ेक्शन के लिए कई चरणों की आवश्यकता होती है: सेल की ओर डीएनए का इलेक्ट्रोफोरेटिक माइग्रेशन, डीएनए झिल्ली में सम्मिलन, झिल्ली के पार स्थानान्तरण, डीएनए का नाभिक की ओर स्थानांतरण, परमाणु आवरण के पार डीएनए का स्थानांतरण और अंत में जीन अभिव्यक्ति। ऐसे कई कारक हैं जो जीन इलेक्ट्रोट्रांसफर की दक्षता को प्रभावित कर सकते हैं, जैसे: तापमान, इलेक्ट्रिक पल्स के पैरामीटर, डीएनए एकाग्रता, इलेक्ट्रोपोरेशन बफर का उपयोग, सेल आकार और ट्रांसफ़ेक्ट जीन को व्यक्त करने के लिए कोशिकाओं की क्षमता। इन विवो जीन इलेक्ट्रोट्रांसफर में, बाह्य मैट्रिक्स के माध्यम से डीएनए प्रसार, ऊतक के गुण और समग्र ऊतक चालकता भी महत्वपूर्ण हैं।

इतिहास
1960 के दशक में यह ज्ञात था कि बाहरी विद्युत क्षेत्र को लागू करके, कोशिका के दोनों ध्रुवों पर एक बड़ी झिल्ली क्षमता बनाई जा सकती है। 1970 के दशक में यह पता चला कि जब एक झिल्ली क्षमता एक महत्वपूर्ण स्तर तक पहुंच जाती है, तो झिल्ली टूट जाती है और वह ठीक हो सकती है। 1980 के दशक तक, इस छिद्र का उपयोग विभिन्न सामग्रियों/अणुओं को कोशिकाओं में प्रवेश कराने के लिए किया जाने लगा था।