不可逆電気穿孔法
超短パルスの電位勾配によって、細胞膜内外で電荷が蓄積されるが、脂質二重層により電気的に絶縁されるため、電位勾配がある状態では電荷が次第に蓄積されていくことになる。このとき、脂質二重層を誘電体(絶縁体)としたコンデンサーを構成しているといえる。電荷による引力によって、初めは膜は圧縮されるが、電場が臨界値を超えると脂質二重層は強すぎる引力に耐え切れなくなり絶縁破壊を起こし孔が開く。
これは人工的な脂質二重層でも確認されており、イオンチャネルのような電圧感受性のあるゲーティング機構によるものではないと考えられている。
このとき電場が大きすぎると不可逆的な孔となり、適当な大きさなら可逆的な孔となる。この違いにより電気穿孔法は以下の2種類に区分される。
可逆的電気穿孔法...ナノポアを介した分子輸送のための一時的および限定的な経路が形成されるが、電気パルスの終了後、輸送は停止し、細胞は生存可能なままである。がん治療薬の導入などに用いられる。関連項目参照。
不可逆的電気穿孔法...
電気穿孔による細胞膜へのある程度の損傷後、細胞内の内容物の漏出が非常に厳しいか、または細胞膜の再封鎖が遅すぎ、細胞を不可逆的に損傷させる。細胞は熱または放射線のいずれかによる壊死を誘発する他の治療法と異なり、この技術に特有のアポトーシスによって死ぬ。
不可逆電気穿孔法は一般的にアポトーシスであるとはいえ、いくつかの知見は純粋なアポトーシス細胞死と矛盾するようであり、IREが細胞死を引き起こす正確な過程は不明であると言わざるを得ない。
不可逆電気穿孔法のメカニズムは完全に理解されていない。現在の理論は以下の通りである:
細胞膜に0.5[V/nm] 以上の電場を印加すると、絶縁破壊時に細胞外液が脂質二重層内に侵入することが予想されている。結果として、親水性の孔が形成される。
Tarek による分子動力学シミュレーションは、この予想された細孔形成を2つのステップで示す。
電場を印加した後、水分子は単一の分子の列に並んで、二重層脂質膜の層の間に浸透する。
ある程度水分子が入り込むと膜が完全に分断され疎水基が内側に向いた安定な膜端が形成される。
IREの影響の最初の観察は1898年にさかのぼる Nolletは、電気火花に曝された動物およびヒト皮膚上の赤い斑点の出現の最初の体系的な観察を報告した。しかし、現代医学における応用はNeumannらの精巧な研究によって1982年に始まった パルス電場を使用して細胞膜を一時的に穿孔し、外部からDNAを細胞に導入した。この場合は、可逆的な電気穿孔法 であり、形質転換法の一つとして用いられている。この時点では、不可逆的な電気穿孔は電気穿孔法の利用を妨げる望ましくない副作用だった。
次の10年では、可逆的な電気穿孔法と化学療法薬ブレオマイシンとの組み合わせにより、新しい臨床応用、すなわち、電気化学療法(エレクトロポーション)がもたらされ、がん治療への応用が始まった。これにより、細胞膜たんぱく質を利用しない薬剤の細胞内への輸送が可能になり、薬剤使用量の低下とそれに伴う全身副作用の低下を達成した。更には近年、より高い電圧をかけ不可逆的に細胞膜を穿孔することでがん細胞を死滅させる現在のIREの登場に至る。
2005年、Davalosらは、 IREの潜在的使用についての最初の研究を記載している。従来のラジオ波焼灼術、ハイパーサーミアと比して歴史が浅く、日本においては2014年2月に肝がんの治療に用いられたのが最初で、さらなる症例の選択、技術的な改善が求められている。