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    Eletroporação e estabilidade de membranas aniônicas com diferentes níveis de complexidade
    (Universidade Federal de São Paulo, 2022-07-19) Leomil, Fernanda dos Santos Costa [UNIFESP]; Riske, Karin do Amaral [UNIFESP]; Dimova, Rumiana; http://lattes.cnpq.br/6408828276550407; http://lattes.cnpq.br/9178927522709552; http://lattes.cnpq.br/4382156853241028
    A estabilidade das membranas celulares é de importância vital para as células. Após estímulos de alta intensidade, como os causados pela aplicação de pulsos elétricos, poros são abertos na membrana (eletroporação) e se fecham em poucos ms, permitindo que a integridade da membrana seja preservada, conforme observado em vesículas unilamelares gigantes (GUVs) neutras de PC (fosfatidilcolina). No entanto, a adição do lipídio negativo PG (fosfatidilglicerol) mostrou desempenhar um papel importante na desestabilização das membranas após eletroporação: (i) alguns poros se abrem indefinidamente, levando à completa perda da integridade da vesícula (bursting) e (ii) GUVs que sobreviveram à poração exibem permeabilidade de longa duração, revelando a permanência de poros submicroscópicos após o fechamento dos macroporos. Nesta tese, foi investigada a resposta mecânica de GUVs a campos elétricos, com foco na estabilidade de membranas contendo frações crescentes de lipídios aniônicos de conhecida relevância biológica, como o fosfatidilinositol (PI), fosfatidilinositol 4,5-bisfosfato (PIP2), cardiolipina (CL), fosfatigilglicerol (PG) e extrato lipídico de E. coli, bem como foi examinada a relevância da assimetria dos lipídios negativos entre as monocamadas na estabilidade dessas membranas. Também foram explorados sistemas mais complexos, como vesículas gigantes de membrana plasmática (GPMVs), que representam um passo intermediário entre GUVs lipídicas e células, apresentando as características lipídicas e proteicas das células que as originaram. Métodos experimentais e computacionais foram desenvolvidos e aperfeiçoados ao longo do trabalho para a realização e análise dos experimentos executados. Em GUVs com distribuição simétrica de lipídios aniônicos, medidas da ocorrência de eventos desestabilizantes, como bursting e permeabilidade duradoura, mostraram que as membranas contendo frações mais altas de lipídios negativos (50 mol%) são mais instáveis e propensas à desestabilização. Esses efeitos, que se mostraram independentes do tipo de lipídio negativo utilizado, foram relacionados a uma redução de cerca de 50% na tensão de linha do poro, propriedade que governa o seu fechamento e que foi calculada através de um software desenvolvido durante o projeto (PoET). GUVs com distribuição assimétrica de lipídio negativo entre as monocamadas da membrana foram obtidas por dois métodos diferentes: transferência de fase e alterações do pH do meio externo das vesículas. A assimetria foi verificada por meio de um ensaio de supressão de fluorescência aperfeiçoado ao longo do estudo, em combinação com um algoritmo desenvolvido para medidas de fluorescência em GUVs. Eventos desestabilizantes foram observados já para pequenos graus de assimetria de carga (5 mol%), que potencializam a ocorrência de eventos mais extremos, como o bursting, devido à geração de curvatura espontânea acentuada. Quando consideramos modelos ainda mais relevantes, resultados preliminares mostram que existem diferenças na forma com que GPMVs e GUVs respondem a pulsos elétricos, provavelmente devido à maior complexidade exibida pelas membranas das GPMVs. Os resultados apresentados aqui evidenciam que os lipídios aniônicos possuem um papel importante na desestabilização das membranas após eletroporação, sendo os efeitos realçados no caso em que estes estão assimetricamente distribuídos entre as monocamadas das membranas, como observado nas membranas celulares. Acreditamos que os achados possam contribuir para o desenvolvimento de sistemas de entrega intracelular de drogas baseados em eletroporação mais eficientes. Ainda, julgamos que o aperfeiçoamento do ensaio de supressão de fluorescência e o desenvolvimento do software para cálculo da tensão de linha e do algoritmo para medidas de fluorescência serão de grande contribuição para a comunidade científica, permitindo a realização de experimentos e obtenção de dados de forma mais confiável e reprodutível.
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    Acesso aberto (Open Access)
    Estudo de propriedades biofísicas de vesículas unilamelares gigantes como modelo para entrega intracelular de materiais: eletroporação e fusão de membranas
    (Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP), 2016-11-30) Lira, Rafael Bezerra de [UNIFESP]; Riske, Karin Do Amaral [UNIFESP]; http://lattes.cnpq.br/9178927522709552; http://lattes.cnpq.br/9253308829387337; Universidade Federal de São Paulo (UNIFESP)
    Biological membranes are the structures that define the boundaries of cells, acting as a selective barrier, regulating the intra and extracellular transport. Many biological substances have their target in the cell?s interior, but are not able to cross the membrane to reach them. Therefore, many methods for the intracellular delivery of materials have been developed; among them, electroporation and fusogenic liposomes. During electroporation, one or more intense electrical pulses are applied and the membrane becomes transiently permeable, allowing the entry of the substances into the cell. The method is efficient but has high toxicity. The fusion between liposomes and cells results in the delivery of the liposome-encapsulated substance, but the underlying mechanisms are not well known and the efficiency is limited. Biomimetic models are generally employed to mimic real systems in a controlled way. One of the most common biomimetic system are the giant unilamellar vesicles (GUVs). In this thesis, we use GUVs with mixed the zwitterionic (PC) and anionic (PG) lipids to study the processes of electroporation and fusion with fusogenic liposomes, and both processes are studied by a series of microscopy-based techniques. Electroformed pores in electrically neutral GUVs are transient, with a pore lifetime in the order of a few milliseconds. In contrast, electroformed pores in some negatively charged GUVs open indefinitely, leading to a total vesicle collapse, in a process termed bursting. The results presented here show that the bursting fraction depends on the fraction of PG in the membrane, lipid insaturation (lipids with insaturation in one or both hydrophobic tails) e certain additives in the medium, especially Ca+2. Bursting propensity is related to the reduction n pore edge tension (?), from 57,9±26,1 e 53,7±11,5 pN in neutral POPC and DOPE membranes, respectively, to values lower than 20 pN in membranes containing PG ? 20 mol%. Such a reduction also depends on the presence of médium additives, and the ? values are higher for vesicles in the presence of Ca+2 compared to Na+, but only in the presence of PG ? 20 mol%. Destabilization propensity is, therefore, a result of a reduction in ?. Formed pores in charged membranes have a composition similar to that in intact membranes. Reminiscent pores after GUV electroporation have a higher permeability to macromolecules. Negative membranes also display differences in other membrane properties compared to neutral ones, such as reduction in lipid mobility, increase in membrane order and spontaneous curvature. The fusion of GUVs with different fractions of PG in PC membranes, with fusogenic liposomes, was studied in a new LUV-GUV fusogenic system, in which fusion was observed in real time and its effects directly observed and quantified under the microscope. In this system, many fusion intermediates (adhesion, hemifusion and full-fusion) can be detected and the morphological transformations directly observed. Förster resonance energy transfer (FRET) assays allow to measure the amount of lipids transferred from the LUVs to the GUVs, and show that the transition hemifusion6 full fusion occurs in the range of 10-20 mol% PG. At low PG mol fractions (? 10 mol%), the interaction leads mainly to adhesion and hemifusion and increases membrane tension, whereas at high PG mol fractions (? 20 mol%), the interaction results in full fusion, leading to GUV increase in area. The construction of a FRET calibration curve allows the determination of the final membrane composition after fusion in every GUV. During hemifusion, the amount of cationic lipids transferred fro LUVs is < 5 mol%, whereas upon full fusion, the final GUV composition contains up to 20 mol% DOTAP. In every case, fusion occurs by a charge neutralization mechanism. The results presented here (i) clarifies the responsible mechanisms of bursting of negatively charged GUVs, (ii) define the membrane charge determinants of fusion in a system of membranes with opposite charges and, (iii) show that many properties of electrically membranes are distinct from their neutral counterparts. We believe that the findings presented here may help on the development of better delivery systems, with better efficiency and lower side effects.