Permeabilización de biomembranas con péptidos policatiónicos y pulsos eléctricos

Abstract

Amphipathic polycationic peptides represent the Antimicrobial system of humans, animals and plants, their ability to permeabilize, in a potential way, the pathogenic microorganisms of plasma membrane is peculiar. The objective of this work was the evaluation of the possibility to increase permeabilization of biomembranes by amphipathic polycationic peptides and electrical pulses. An electroporator for biological samples and an electroporation cell were designed, which allow for the monitoring of permeabilization of live cells in real time, measuring transmittance, dispersion of light and temperature (patent # 14245762 approved, 2017). Plasma membrane permeabilization in red blood cells was performed with electrical pulses; bipolar pulses reached permeabilization between 4 to 31% of the result for bimonopolar pulses, this indicates that in the case of bipolar pulses, there is an effect of cancellation in the permeabilization by the second pulse, opposite in polarity, to the first pulse. Red blood cells permeabilization by polycationic peptides wasn’t significant, but applying both, with bimonopolar electrical pulses, the increase was significant (synergistic effect). Permeabilization cancellation effect in cell suspension was observed with polycationic peptides and bipolar electrical pulses. Between 4 and 14% of the permeabilization achieved if the pulses are bimonopolar. The cancellation degree with the second pulse of the opposite polarity decreases with increasing time between the first and the second pulse, in the case of bipolar pulses. Additionally, the modulation of the permeabilization of red blood cells with osmotic pressure, or with the surface potential of the membrane was shown. Cell permeabilization with polycationic peptides and electrical pulses is significantly increased in the hypotonic incubation medium, for example bimonopolar pulses and BTM-P4 peptide, it can reach up to 2,8 times more permeabilization than in the case of an isotonic incubation medium. The permeabilization of the cells is also greater if there is an increase in the negative surface potential of the 4

membrane, for example, with bimonopolar pulses and an increase in the negative surface potential with deoxycholate, there is 1,8 times more permeabilization of the cells. The results obtained demonstrate the possibility of activity increasing of polycationic peptides and modulating the degree and time of cell permeabilization by changing characteristics of the electrical pulses.

Los péptidos policatiónicos anfipáticos representan el sistema antimicrobiano del ser humano, animales y plantas, y se caracterizan por su capacidad de permeabilizar la membrana plasmática de los microorganismos patógenos de manera potencial-dependiente. El principal objetivo de este trabajo fue la evaluación de la posibilidad de incrementar la capacidad de péptidos de esta clase de permeabilizar las biomembranas aplicando adicionalmente los pulsos eléctricos. Para tal propósito fue diseñado el electroporador de muestras biológicas con una celda de electroporación que permite el monitoreo de la permeabilización de células vivas en tiempo real, midiendo la transmitancia y dispersión de la luz, y a la vez la temperatura de la suspensión celular (patente # 14245762 aprobada, 2017). Se observó la permeabilización de la membrana plasmática de los glóbulos rojos con solamente pulsos eléctricos, donde los pulsos bipolares solo alcanzan entre un 4 a 31 % de la permeabilización generada por los pulsos bimonopolares, esto indica que en el caso de los pulsos bipolares, hay un efecto de cancelación de la permeabilización por el segundo pulso de la polaridad contraria al primer pulso. La permeabilización de los glóbulos rojos, poco significativa con solamente péptidos policatiónicos, a concentraciones relativamente bajas, o con pulsos eléctricos bimonopolares, se incrementaba muy significativamente aplicando ambos (efecto sinergístico). En caso de aplicar pulsos eléctricos bipolares a la suspensión de células con péptidos policatiónicos, se ha observado un efecto de cancelación de la permeabilización, alcanzando solo entre el 4 y el 14% de la permeabilización alcanzada si los pulsos son bimonopolares. Se ha mostrado también que el grado de cancelación con el segundo pulso de la polaridad contraria disminuye al aumentar el tiempo entre el primero y el segundo pulso, en el caso de los pulsos bipolares. Adicionalmente se mostró la modulación de la permeabilización de los glóbulos rojos con la presión osmótica, o con el potencial superficial de membrana. La permeabilización de células con péptidos policatiónicos y pulsos eléctricos se incrementa significativamente en el medio de incubación hipotónico, por ejemplo con pulsos bimonopolares y péptido BTM-P4, puede alcanzar hasta 2,8 veces más permeabilización que en el caso de un medio de incubación isotonico. La permeabilización de las células también es mayor si hay un incremento del potencial superficial negativo de membrana, por ejemplo con pulsos bimonopolares y un aumento del potencial superficial negativo con desoxicolato, se presenta 1,8 veces más permeabilización de las células. Los resultados obtenidos demuestran la posibilidad de incrementar significativamente la actividad de los péptidos policatiónicos y modular el grado y tiempo de la permeabilización de células cambiando características de los pulsos eléctricos.