Caratterizzazione degli effetti di impulsi elettrici ultracorti per il controllo di processi biologici

ns setup

L’esposizione di cellule di mammifero a campi elettrici pulsati di sufficiente intensità e breve durata, è in grado di indurre un significativo aumento della permeabilità della membrana cellulare a sostanze (ioni, molecole) che normalmente non possono entrare all’interno della cellula (elettroporazione). In particolare, campi elettrici pulsati (pulsed electric field: PEF) di ampiezza fino ad alcuni kV/m e durate nel range dai millisecondi (ms) ai microsecondi (μs) vengono attualmente utilizzati per potenziare l’efficacia di farmaci chemioterapici (elettrochemioterapia) nel trattamento di tumori solidi superficiali, o anche per facilitare il processo di disattivazione microbica nel trattamento dei cibi e delle acque. Più di recente, grazie allo sviluppo di nuove tecnologie nell’ambito dell’elettronica di potenza, si è arrivati alla possibilità di generare PEF di intensità ancora maggiore (MV/m) e di ancor minore durata (nel range dei nanosecondi, ns). Si è visto che tali impulsi (nsPEF), quando applicati alle cellule, sono in grado non solo di permeabilizzare la membrana cellulare esterna, ma anche di interagire con le strutture intracellulari, e di indurre diversi pathway di morte cellulare in cellule tumorali. Tali osservazioni hanno suscitato l’interesse di molti gruppi di ricerca al livello internazionale, e lo studio dell’interazione tra tali tipi di impulsi e le strutture biologiche potrebbe portare alla definizione di una nuova tecnologia per la terapia del cancro, di tipo non termico e che non richiede l’uso di farmaci. In questo contesto, l’attività dei ricercatori IREA è tesa alla caratterizzazione degli effetti dell’esposizione a PEFs in colture cellulari di mammifero, con particolare attenzione allo studio dei meccanismi di interazione ad oggi solo marginalmente noti. Inoltre, in collaborazione con il Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione della Seconda Università di Napoli, vengono progettati e realizzati sistemi innovativi per la generazione di impulsi e per la loro applicazione ai campioni cellulari.  


Additional Info

Riviste ISI

Stefania Romeo, Claudio D’Avino, Olga Zeni, Luigi Zeni, A Blumlein-type, Nanosecond Pulse Generator with Interchangeable Transmission Lines for bioelectrical applications, IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 20, Issue 4, pp. 1224-1230, August 2013.

Patrizia Lamberti, Vincenzo Tucci, Stefania Romeo, Anna Sannino, Maria Rosaria Scarfì, Olga Zeni, nsPEF-induced effects on cell membranes: the use of an electrophysical model to optimize the experimental design, IEEE Trans. on Dielectrics and Electrical Insulation, Vol. 20, Issue 4, pp. 1231-1238, August 2013.

Stefania Romeo, Yu-Hsuan Wu, Zachary A. Levine, Martin A. Gundersen, P. Thomas Vernier, Water influx and cell swelling after nanosecond electropermeabilization, BBA-Biomembranes 1828 (2013), 1715-1722 DOI: 10.1016/j.bbamem.2013.03.007.

S. Romeo, M. Sarti, M.R. Scarfì, L. Zeni, “Modified Blumlein pulse forming networks for bioelectrical applications”, Journal of Membrane Biology,  236 (1), 55-60, 2010.

Romeo S, Zeni L, Sarti M, Sannino A, Scarfì MR, Vernier PT, Zeni O. (2011) DNA Electrophoretic Migration Patterns Change after Exposure of Jurkat Cells to a Single Intense Nanosecond Electric Pulse. PLoS ONE 6(12): e28419. doi:10.1371/journal.pone.0028419

 

Proceedings di congressi internazionali

P. Lamberti, S. Romeo, A. Sannino, M.R. Scarfì, V. Tucci, O. Zeni, Pore dynamics induced by nsPEFs: a comparison between experimental and theoretical results, Proceedings of the 2012 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference, June 3-7, 2012, San Diego, CA.

Partecipazione a congressi internazionali

P. Lamberti, S. Romeo, A. Sannino, M.R. Scarfì, V. Tucci, O. Zeni, L. Zeni, A Numerical Study of Electroporation Dynamics in Mammalian Cells Under Multiple Nanosecond Electric Pulses, BioEM2013, June 10-15, Thessaloniki, Greece.

S. Romeo, G. Pataro, A. Sannino, O. Zeni, G. Ferrari, M. R. Scarfì, L. Zeni, High voltage, ns electric pulse exposure of liquid media for evaluation of metal release from electrodes, BioEM2013, June 10-15, Thessaloniki, Greece

S. Romeo, G. Pataro, A. Sannino, O. Zeni, G. Ferrari, M. R. Scarfì, Nanosecond, High-Voltage Pulse Generator for Electric Pulse Application to Low Conductivity Liquid Media, Bioelec trochemistry 2013, March 17-21, 2013, Bochum, Germany

S. Romeo, O. Zeni, A. Sannino, M.R. Scarfì, L. Zeni, A modified Blumlein system with fiber optic-based switch control for high voltage, ns, pulse generation, 2012 International Conference Bio and Food Electrotechnologies, September 26-28, 2012, Salerno.

S. Romeo, L. Zeni, A. Sannino, M. R. Scarfì, P. T. Vernier, O. Zeni, Investigating the role of pulse repetition rate in modulating cellular response to high voltage, nanosecond electric pulses, 2012 IEEE International Power Modulator and High Voltage Conference, June 3-7, 2012, San Diego, CA.

Y.H. Wu, S. Romeo, Z.A. Levine, P.T. Vernier, “Cell swelling after nanosecond pulsed electric field exposure”, BEMS 33rd Annual Meeting, Halifax, Canada, 12-17 June, 2011 

S. Romeo, Y.H. Wu, Z.A. Levine and P.T. Vernier, “Water Influx After Nanoelectropermeabilization”, 2011 International Bioelectrics Symposium, Toulouse, France, 4-6 May, 2011.

Yu-Hsuan Wu, Stefania Romeo, Martin A Gundersen, P Thomas Vernier, Biophotonic Studies of Intracellular Responses to Nanosecond, Megavolt-per-meter, pulsed Electric Field, Bio-Optics: Design and Application Conference (Optical Society of America) Monterey, California, April 4, 2011

S. Romeo, O. Zeni, M.R. Scarfì, M. Sarti, A. Sannino, P.T. Vernier, L. Zeni, “Electro-perturbation of DNA in Jurkat cells  under nanosecond pulsed electric fields”, Biophysical Society Annual Meeting, Baltimore, USA, 5-9 March, 2011. 

S. Romeo, O. Zeni, M.R. Scarfì, M. Sarti, A. Sannino, P.T. Vernier, L. Zeni, “Intracellular Effects of Nanosecond Pulsed Electric Fields on Jurkat Cells”, BEMS 32nd  Annual Meeting,  Seoul, South Korea, 14-18 June, 2010.

S. Romeo, O. Zeni, A. Sannino, M. Sarti, M.R. Scarfì and L. Zeni, “Intense ultrashort pulsed electric fields generating system and preliminary results on Jurkat cells”, ANIS 2 (Alp Nano Bio International School 2), Vipiteno, Italy, 11-15 January, 2010.

S. Romeo, M. Sarti, M.R. Scarfì, L. Zeni, Modified Blumlein Pulse Forming Networks for Bioelectrical Applications, EBTT 2009 (Electroporation Based Technologies and Treatments), Ljiubljiana, Slovenia, 15-22 November, 2009.

A. de Angelis, M. Sarti, MR Scarfì, L. Zeni, " Blumlein variable length high-voltage pulse generator for electroporation and intracellular electromanipulation experiments". Bioelectrochemistry Gordon Research Conference, Aussois, France, September 3-7, 2006.

 

Partecipazione a congressi nazionali

Patrizia Lamberti, Stefania Romeo, Anna Sannino, Maria Rosaria Scarfì, Vincenzo Tucci, Olga Zeni, FEM modeling of the Pore dynamics induced by an experimental nsPEF, ICEmB 2012, Bologna, Italy.

Romeo S, Zeni O, Sarti M, Sannino A, Scarfì MR, Zeni L, Intense Ultra Short Pulsed Electric Fields (US-PEF) Effects on Jurkat Cells. Convegno "Attività di Ricerca del Centro Interuniversitario ICEmB a Venti Anni dalla Sua Costituzione", Genova, 25-26 febbraio, 2010.

O. Zeni, S. Romeo, M.R. Scarfì, M. Sarti, A. Sannino, P.T. Vernier, L. Zeni, “Intracellular Effects of Nanosecond Pulsed Electric Fields on Jurkat Cells”, XVII Riunione NAzionale di Elettromagnetismo (RiNEM), Benevento, Italy, 6-10 September, 2010

 

 

Bersagli, Sonde e Segnali in terapia e diagnostica - BANDO PER LA REALIZZAZIONE DELLA RETE DELLE BIOTECNOLOGIE CAMPANE OBIETTIVO OPERATIVO 2.1 DEL POR CAMPANIA 2007/2013

 

 

Nell'ambito di questo programma, in stretta collaborazione con l' IGEA di Carpi (MO),  saranno  messi a punto protocolli di elettroporazione, equivalenti a quelli in uso per l' Elettrochemioterapia (ECT) , per il trasferimento intracellulare di molecole. Inoltre verrà valutato l'impatto che elettroporazione e farmaci antitumorali hanno su linee cellulari che hanno sviluppato resistenza al/ai chemioterapici. Il progetto si propone anche di investigare la associazione della elettroporazione a farmaci di più recente sviluppo in quanto le conoscenze su quali farmaci impiegare sono tuttora riferite a studi del 1992.

 

 

Seconda Università di Napoli - Dipartimento di Ingegneria dell' Informazione

University of Southern California - Ming Hsieh Department of Electrical Engineering, Viterbi School of Engineering  

IGEA Company (Carpi, Italy)

Generatori di alta tensione

Oscilloscopio

Microscopio confocale


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