izmertechИзмерительная техникаIzmeritel`naya Tekhnika0368-10252949-5237ФГУП "ВНИИФТРИ"10.32446/0368-1025it.2023-5-68-74izmertech-1710Research ArticleМЕДИЦИНСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯMEDICAL AND BIOLOGICAL MEASUREMENTSИзмерения электрических характеристик ооцитов млекопитающихMeasurements of mammalian oocytes electrical characteristicshttps://orcid.org/0000-0003-2508-8742ШигимагаВ. А.ShigimagaV. A.

Виктор Александрович Шигимага

г. Харьков

Victor A. Shigimaga

Kharkov

vash105@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3799-0402КолесниковаА. А.KolesnikovaA. A.

Алла Александровна Колесникова

г. Харьков

Alla A. Kolesnikova

Kharkov

https://orcid.org/0000-0002-2198-4825СомоваЕ. В.SomovaE. V.

Елена Витальевна Сомова

г. Харьков

Elena V. Somova

Kharkov

ТищенкоА. А.TishchenkoA. A.

Алексей Александрович Тищенко

г. Харьков

Aleksey A. Tishchenko

Kharkov

ФеськовА. М.FeskovA. M.

Александр Михайлович Феськов

г. Харьков

Alexander M. Feskov

Kharkov

Государственный биотехнологический университетУкраинаState Biotechnological UniversityUkraineИнститут проблем эндокринной патологии им. В. Я. ДанилевскогоУкраинаDanilevsky Institute of Endocrine Pathology ProblemsUkraineМедицинский центр репродукции человека «Клиника профессора Феськова А. М.»УкраинаMedical Center for Human Reproduction “Clinic of Professor A. M. Feskov”Ukraine202308062023056874Copyright © ФГУП "ВНИИФТРИ", 20232023ФГУП "ВНИИФТРИ"ФГУП "ВНИИФТРИ"https://www.izmt.ru/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.izmt.ru/jour/article/view/1710

Описана разработка технологий клеточной инженерии, в которых используются различные режимы электропорации и требуется знание электрических характеристик живых клеток. Рассмотрен вопрос о видовых особенностях электрических характеристик живых клеток различных животных класса млекопитающих. Методом импульсной кондуктометрии в электрическом поле возрастающей напряжённости измерены электрические характеристики (проводимость, напряжённость) при электропорации и электропробое мембран ооцитов млекопитающих видов: Mus musculus (мышь), Oryctolagus cuniculus (кролик), Sus scrofa (свинья), Bos taurus (корова) и Homo sapiens (человек). Выполненматематический анализ экспериментальных зависимостей проводимости ооцитов млекопитающих на основе полиномиальной аппроксимации. По максимальной кривизне, а также точкам перегиба и локальным экстремумам аппроксимирующих полиномов получены электрические характеристики ооцитов – электропробой мембраны и степени обратимой электропорации соответственно. Установлены значимые видовые различия измеренных электрических характеристик исследованных ооцитов. По результатам измерений обнаружена существенная видовая специфичность электрических характеристик, отражающих различную устойчивость ооцитов к электропробою и степень обратимой электропорации мембран, что, вероятно, связано с особенностями липидного состава мембран ооцитов, целостностью структуры цитоскелета, а также резистентностью клеток в целом к воздействию импульсного поля. Полученные результаты будут полезны при реализации различных режимов электроманипуляций с живой клеткой – электротрансфекции дезоксирибонуклеиновой кислоты, генов, электрослияния, а также для точечного лизиса клеток с утраченным механизмом апоптоза. 

The development of cell engineering technologies using various electroporation modes requires knowledge of the electrical characteristics of living cells. Usually, cells are taken from laboratory animals of the same species, and the question of specifi c features of cells electrical characteristics remains open. Using the method of pulsed conductometry in an electric fi eld with rising strength, the electrical characteristics (conductivity, intensity) were measured during electroporation and electrical breakdown of oocytes membranes of mammalian species: Mus musculus (mouse), Oryctolagus cuniculus (rabbit), Sus scrofa (pig), Bos Taurus (cow) and Homo sapiens (human) were measured by pulsed conductometry in an electric fi eld with rising strength. Mathematical analysis of the experimental dependences of the conductivity of mammalian oocytes based on polynomial approximation was performed. The electrical characteristics of oocytes were obtained as a result of the analysis of approximating polynomials for the presence of maximum curvature (electric breakdown of the membrane), infl ection points and local extrema (degree of reversible electroporation). Signifi cant species differences in the measured electrical characteristics of the studied oocytes were established. The measurement results showed a signifi cant species specifi city of electrical characteristics, refl ecting the different resistance of oocytes to electrical breakdown and the degree of reversible electroporation of membranes, which is probably associated with the peculiarities of their lipid composition, the integrity of the cytoskeleton structure, and the resistance of cells as a whole to the impact of a pulsed fi eld. The results obtained can be used to implement various modes of electromanipulation with a living cell – electrotransfection of DNA, genes, electrofusion, as well as for point lysis of cells with a lost apoptosis mechanism. 

ооцит млекопитающихмембранапроводимостьнапряжённость поляэлектропорацияэлектропробойmammalian oocytemembraneconductivityfi eld strengthelectroporationelectrical breakdownReferencesСканави Г. И. Физика диэлектриков (область сильных полей). М.: Физматлит, 1958. 907 с.Skanavi G. I. Fizika dielecktrikov (oblast silnych polej), Мoskow, Fizmatlit Publ., 1958, 907 p. (In Russ.)Франц В. Пробой диэлектриков: Пер. с нем. Е. А. Афанасьевой; под ред. В. А. Чуенкова. М.: ИИЛ, 1961. 207 с.Von Walter Franz. Dielektrischer Durchschlag, Berlin u. a., SpringerVerl., 1956Ушаков В. Я. Импульсный электрический пробой жидкостей. Томск: Изд-во ТГУ, 1975. 256 с.Ushakov V. Ya. Impulsnyj elektricheskij proboj zhydkostej, Tomsk, TGU Publ., 1975, 256 p. (In Russ.)Адамчевский И. Электрическая проводимость жидких диэлектриков. Л.: Энергия, 1977. 295 с.Adamchevskij I. Elektricheskaya provodimost zhydkich dielektrikov, Leningrad, Energiya Publ., 1977, 295 p. (In Russ.)Бейер М., Бек В., Меллер К., Цаенгль В. Техника высоких напряжений: теоретические и практические основы применения: Пер. с нем. И. П. Кужекина; под ред. В. П. Ларионова. М.: Энергоатомиздат, 1989. 560 с.Beyer М., Bek V., Меller К., Tsayengl V. Тechnika vysokich napryazhenij: teoreticheskiye i practicheskiye osnovy primeneniya, Мoskow, Energopromizdat Publ., 1989, 560 p. (In Russ.)Долгинов А. И. Техника высоких напряжений в электроэнергетике. М.: Энергия, 1968. 464 с.Dolginov A. I. Technika vysokich napryazhenij v elektroenergetike, Мoskow, Energiya Publ., 1968, 464 p. (In Russ.)Kramar P., Miklavčič D., Lebar A. M., Bioelectrochemistry, 2007, vol. 70, no 1, pp. 23–27. https://doi.org/10.1007/978-3-540-73044-6_147Kramar P., Miklavčič D., Lebar A. M., Bioelectrochemistry, 2007, vol. 70, no 1, pp. 23–27. https://doi.org/10.1007/978-3-540-73044-6_147Карпунин Д. В. Исследование свойств бислойных липидных мембран, содержащих лизолипиды и холестерин: автореф. дис. канд. физ.-мат. наук (МФТИ, Москва, 2005).Karpunin D. V.Extented abstract of candidate’s dissertation in Physics and Mathematics Sciences (Moscow Institute of Physics and Technology (State University), Мoscow, 2005)Богатырева Н. Э. Одиночные поры бислойных липидных мембран в температурной области фазового перехода гель-жидкий кристалл: автореф. дис. канд. физ.-мат. наук (Московская медицинская академия им. И. М. Сеченова), Москва, 1999).Bogatyryeva N. E. Extented abstract of candidate’s dissertation in Physics and Mathematics Sciences (Moscow Medical Academy. I. M. Sechenova), Мoscow, 1999)Chan K. L., Gascoiyne R. C., Becker F. F., Pethig R. Biochim. Biophys. Acta, 1997, vol. 1349, pp. 182–96. https://doi.org/10.1016/s0005-2760(97)00092-1Chan K. L., Gascoiyne R. C., Becker F. F., Pethig R. Biochim. Biophys. Acta, 1997, vol. 1349, pp. 182–96. https://doi.org/10.1016/s0005-2760(97)00092-1Advances in Planar Lipid Bilayers and Liposomes, The Elsevier book-series, vol. 21, 1st edition, eds. Ales Iglic, Chandrashekhar Kulkarni, Michael Rappolt, Academic Press, 2015, 360 р.Advances in Planar Lipid Bilayers and Liposomes, The Elsevier book-series, vol. 21, 1st edition, eds. Ales Iglic, Chandrashekhar Kulkarni, Michael Rappolt, Academic Press, 2015, 360 р.Di Muzio M., Millan-Solsona R., Dols-Perez A. et al. Journal of Nanobiotechnology, 2021, vol. 19, 167. https://doi.org/10.1186/s12951-021-00912-6Di Muzio M., Millan-Solsona R., Dols-Perez A. et al. Journal of Nanobiotechnology, 2021, vol. 19, 167. https://doi.org/10.1186/s12951-021-00912-6Галимзянов Т. Р., Молотковский Р. Ю., Калуцкий М. А. и др. Латеральное взаимодействие влияет на кинетику метастабильных сквозных пор в липидных мембранах // Биологические мембраны: Журнал мембранной и клеточной биологии. 2020. T. 37. № 2. С. 83–93. https://doi.org/10.31857/S0233475520010053Galimzyanov Т. R., Моlotkovskiy R. Yu., Каlutskiy М. А. et al. Lateralnoe vzaimodeystviye vliyayet na kinetiku matastabilnych skvoznych por v lipidnych membranach, Biologicheskiye membrany: Zhurnal membrannoj i kletochnoj biologii, 2020, vol. 37, no. 2, pp. 83–93. (In Russ.) https://doi.org/10.31857/S0233475520010053Шигимага В. А. Импульсная кондуктометрия клеток животных и жидких сред: монография. Харьков: ТОВ Планета-Принт, 2021. 345 с.Shigimaga V. A. Impulsnaya konduktometriya kletok zhyvotnych i zhidkich sred: monografi ya, Kharkov, Planeta-Print Publ., 2021, 345 p. (In Russ.)Шигимага В. А. Импульсная кондуктометрия в изменяемом электрическом поле: перспективы развития измерений // Измерительная техника. 2014. № 10. С. 65–68. https://doi.org/10.1007/s11018-015-0605-6 ]Shigimaga V. A. Measurement Techniques, 2015, vol. 57, no. 10, pp. 1213–1218. https://doi.org/10.1007/s11018-015-0605-6Шигимага В. А. Измерения ёмкости биологической клетки импульсным методом // Измерительная техника. 2014. № 2. С. 69–72. https://doi.org/10.1007/s11018-014-0433-0 ]Shigimaga V. A. Measurement Techniques, 2014, vol. 57, no. 2, pp. 213–217. https://doi.org/10.1007/s11018-014-0433-0Шигимага В. А., Мегель Ю. Е. Исследование проводимости клеток при изменении осмотической концентрации среды // Восточно-европейский журнал передовых технологий. 2011. № 2/5(50). С. 53–55.Shigimaga V. A., Megel’ Yu. Ye. Issledovaniye provodimosti kletok pri izmenenii osmoticheskoy kontsentratsii sredy, Vostochno-yevropeyskiy zhurnal peredovykh tekhnologiy, 2011, no. 2/5(50), pp. 53–55 (In Russ.)Miklavčič D. Handbook of Electroporation, 1st ed. Springer Inter Publ., Switzerland, 2017, 2956 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-32886-7Miklavčič D. Handbook of Electroporation, 1st ed. Springer Inter Publ., Switzerland, 2017, 2956 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-32886-7Smolyaninova E. I., Shigimaga V. A., Strikha O. A. et al. Effect of cryopreservation stages by vitrifi cation in ethylene glycol and sucrose medium on 2-cell murine embryos electric conductivity, Problems of Cryobiology and Cryomedicine, 2013, vol. 23(3), pp. 228–239.Smolyaninova E. I., Shigimaga V. A., Strikha O. A. et al. Effect of cryopreservation stages by vitrifi cation in ethylene glycol and sucrose medium on 2-cell murine embryos electric conductivity, Problems of Cryobiology and Cryomedicine, 2013, vol. 23(3), pp. 228–239.Craven L., Tang M.-X., Gorman G. S. et al. Human Reproduction Update, 2017, vol. 23(5), pp. 501–519. https://doi.org/10.1093/humupd/dmx018Craven L., Tang M.-X., Gorman G. S. et al. Human Reproduction Update, 2017, vol. 23(5), pp. 501–519. https://doi.org/10.1093/humupd/dmx018Шигимага В. А. Импульсный кондуктометр для биологических клеток и жидких сред // Измерительная техника. 2012. № 11. С. 45–49. https://doi.org/10.1007/s11018-013-0124-2 ]Shigimaga V. A. Measurement Techniques, 2013, vol. 55, no 11, pp. 1294–1300. https://doi.org/10.1007/s11018-013-0124-2Hyslop L., Blakeley P., Craven L. et al. Nature, 2016, vol. 534, pp. 383–386. https://doi.org/10.1038/nature18303Hyslop L., Blakeley P., Craven L. et al. Nature, 2016, vol. 534, pp. 383–386. https://doi.org/10.1038/nature18303Chia G., Agudo J., Treff N. et al. Nat Cell Biol, 2017, vol. 19(4), pp. 282–291. https://doi.org/10.1038/ncb3485Chia G., Agudo J., Treff N. et al. Nat Cell Biol, 2017, vol. 19(4), pp. 282–291. https://doi.org/10.1038/ncb3485Moros-Nicolás C., Chevret P., Jiménez-Movilla M. et al. Inter J Mol Sci, 2021, vol. 22, 3276. https://doi.org/10.3390/ijms22063276Moros-Nicolás C., Chevret P., Jiménez-Movilla M. et al. Inter J Mol Sci, 2021, vol. 22, 3276. https://doi.org/10.3390/ijms22063276Claw K. G., Swanson W. J., Annual Review of Genomics and Human Genetics, 2012, vol. 13, pp. 109–125. https://doi.org/10.1146/annurev-genom-090711-163745Claw K. G., Swanson W. J., Annual Review of Genomics and Human Genetics, 2012, vol. 13, pp. 109–125. https://doi.org/10.1146/annurev-genom-090711-163745McKeegan P. J., Sturmey R. G. Reprod, Fertility and Develop, 2011, vol. 24(1), pp. 59–67. https://doi.org/10.1071/RD11907McKeegan P. J., Sturmey R. G. Reprod, Fertility and Develop, 2011, vol. 24(1), pp. 59–67. https://doi.org/10.1071/RD11907McEvoy T. G., Coull G. D., Broadbent P. J. et al. Fatty acid composition of lipids in immature cattle, pig and sheep oocytes with intact zona pellucida, J. Reprod. Fert, 2000, vol. 118, pp. 163–170.McEvoy T. G., Coull G. D., Broadbent P. J. et al. Fatty acid composition of lipids in immature cattle, pig and sheep oocytes with intact zona pellucida, J. Reprod. Fert, 2000, vol. 118, pp. 163–170.Genikot G., Leroy J. L., Soom A. V., Donnay I. Theriogenology, 2005, vol. 63, pp. 1181–1194. https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2004.06.006Genikot G., Leroy J. L., Soom A. V., Donnay I. Theriogenology, 2005, vol. 63, pp. 1181–1194. https://doi.org/10.1016/j.theriogenology.2004.06.006Mattoras R., Ruiz J. I. Human Reproduction, 1998, vol. 13, pp. 2227–2230. https://doi.org/10.1093/humrep/13.8.2227Mattoras R., Ruiz J. I. Human Reproduction, 1998, vol. 13, pp. 2227–2230. https://doi.org/10.1093/humrep/13.8.2227Kim H. B., Lee S., Chung J. H. et al. Applied Biochem Biotech, 2020, vol. 191, pp. 1545–1561. https://doi.org/10.1007/s12010-020-03271-4Kim H. B., Lee S., Chung J. H. et al. Applied Biochem Biotech, 2020, vol. 191, pp. 1545–1561. https://doi.org/10.1007/s12010-020-03271-4Balantič K., Miklavčič D., Križaj I., Kramar P. Acta Chimica Slovenica, 2021, vol. 68(4), pp. 753–764. https://doi.org/10.17344/acsi.2021.7198Balantič K., Miklavčič D., Križaj I., Kramar P. Acta Chimica Slovenica, 2021, vol. 68(4), pp. 753–764. https://doi.org/10.17344/acsi.2021.7198Graybill P. M., Davalos R. V., Cancers (Basel), 2020, vol. 12(5), 1132. https://doi.org/10.3390/cancers12051132Graybill P. M., Davalos R. V., Cancers (Basel), 2020, vol. 12(5), 1132. https://doi.org/10.3390/cancers12051132

The authors declare that there are no conflicts of interest present.