电穿孔（Electroporation）也叫电转染，是通过高强度的电场作用，瞬时提高细胞膜的通透性，从而吸收周围介质中的外源分子。这种技术可以将核苷酸、DNA 与RNA、蛋白、糖类、染料及病毒颗粒等导入原核和真核细胞内。电转化相对其它物理和化学转化方法，是一种有价值和有效的替代方法。

电穿孔或电渗透是微生物学技术，其中将电场施加到细胞以增加细胞膜的渗透性，从而允许化学品，药物或DNA被引入细胞。在微生物学中，电穿孔过程通常用于通过引入新的编码DNA来转化细菌，酵母或植物原生质体。如果细菌和质粒混合在一起后，质粒可以在电穿孔后转移到细菌中，尽管取决于正在转移的细胞穿透肽或CellSqueeze也可以被使用。电穿孔通过在电穿孔比色杯（1.0-1.5kV，250-750V / cm）中传递数千伏特穿过1-2毫米悬浮细胞的距离而起作用。之后，细胞必须小心处理，直到它们有机会分裂，产生含有再生质粒的新细胞。这一过程比化学转化效率大约高出十倍。

电穿孔对于将外源基因导入组织培养细胞，特别是哺乳动物细胞也是高效的。例如，它被用于生产敲除小鼠的过程中，以及在肿瘤治疗，基因治疗和基于细胞的治疗中。将外源DNA导入真核细胞的过程称为转染。电穿孔对于使用电穿孔比色皿转染悬浮液中的细胞是非常有效的。电穿孔已经被证明有效用于体内组织，用于子宫内应用以及卵内转染。贴壁细胞也可以被转染使用电穿孔，为研究人员提供了一种替代方案，在转染前将其细胞进行胰蛋白酶消化。然而，电穿孔的一个缺点是在这个过程之后，超过7000个基因的基因表达可能受到影响。这可能会导致研究中的基因表达必须控制，以确保准确和精确的结果的问题。

细胞融合不仅是细胞生物学中一个必不可少的过程，而且作为生物技术和医学的一种有用的方法。人工诱导融合可用于研究和治疗不同的疾病，如糖尿病再生中枢神经系统的轴突并产生具有所需特性的细胞，例如用于癌症免疫治疗的细胞疫苗。然而，细胞融合的第一和最公知的应用是生产杂交瘤技术，其中杂交细胞系（杂交瘤）由融合特异性的产生抗体的B淋巴细胞与骨髓瘤形成的单克隆抗体（ B淋巴细胞癌）细胞系。

图1中这些塑料与铝电极和蓝色盖子。他们最多容纳400μl。

电穿孔是用电穿孔器，在细胞溶液中产生静电场的专用器具进行的。将细胞悬浮液被吸取到一具有两个铝玻璃或塑料比色皿电极在其两侧。对于细菌电穿孔，通常使用约50微升的悬浮液。在电穿孔之前，将这种细菌悬液与质粒混合被改变。将混合物移液到比色杯中，设定电压和电容，并将比色杯插入电穿孔仪中。该过程需要电极和悬架之间的直接接触。在电穿孔后立即将1毫升液体培养基加入到细菌中（在比色杯中或在Eppendorf管中），并将细菌在细菌的最佳温度下孵育1小时或更长时间以使细胞恢复并表达质粒，随后在琼脂平板上细菌培养。

电穿孔的成功很大程度上取决于质粒溶液的纯度，特别是其盐含量。高盐浓度的溶液可能会导致放电（称为电弧放电），这往往会降低细菌的活力。对于该方法的进一步的详细调查，更应注意的输出阻抗的穿孔器装置和所述输入阻抗的细胞悬浮液（例如盐含量）。

由于细胞膜不能通过电流（离子通道除外），所以它起电容器的作用。对膜进行高压电场导致其暂时分解，导致孔大到足以使大分子（如DNA）进入或离开电池。

不可逆的电穿孔

在Gustave Roussy研究所，由Lluis M Mir领导的第一批研究医疗应用的电穿孔。在这种情况下，他们研究了使用可逆电穿孔与不可渗透的大分子。东弗吉尼亚医学院和奥多明尼昂大学的研究人员首先研究了如何在人类细胞上使用纳秒脉冲，并于2003年出版。

关于不可逆的电穿孔，2007年，一组科学家在13只小鼠中有12只实现了完全的肿瘤消融，成功治疗了第一个成功治疗小鼠恶性皮肤肿瘤。他们通过发送80微秒的0.3微秒，电场幅度为2500伏/厘米的80微秒脉冲来治疗皮肤肿瘤。

在猪中发现了更高的电穿孔电压，以在不大的范围内不可逆转地破坏靶细胞，同时使相邻细胞不受影响，因此代表了癌症，心脏病和其他需要去除组织的疾病的有希望的新疗法。不可逆电穿孔（IRE）自被证明能有效治疗人类癌症，与外科医生约翰霍普金斯大学和其他机构现在采用该技术治疗胰腺癌以前被认为是不可切除的。

最近被称为非热不可逆电穿孔（N-TIRE）的技术在治疗许多不同类型的肿瘤和其他不需要的组织方面被证明是成功的。使用小电极（直径约1mm）完成该过程，放置在目标组织的内部或周围，以预定的电压和频率施加短暂的重复性电爆发。这些电力爆发增加了静息跨膜电位（TMP），使纳米孔在质膜中形成。当施加到组织的电力高于目标组织的电场阈值时，细胞从纳米孔的形成永久地渗透。结果，细胞无法修复由于体内平衡的丧失而造成的损伤并死亡。N-TIRE对于其他肿瘤消融技术是独特的，因为它不会对其周围的组织造成热损伤。

相反，当施加电极的电力低于目标组织的电场阈值时，发生可逆电穿孔。由于施加的电量低于细胞的阈值，它允许细胞修复其磷脂双分子层并继续其正常的细胞功能。可逆性电穿孔通常通过涉及使药物或基因（或其他通常不能透过细胞膜的分子）进入细胞的治疗来完成。并非所有的组织都具有相同的电场阈值;因此需要在治疗前仔细计算以确保安全性和有效性。

使用N-TIRE的一个主要优点是，如果按照仔细的计算正确完成，它只会影响目标组织。蛋白质，细胞外基质，以及诸如血管和神经的关键结构都不受影响，并且通过该处理保持健康。这允许更快的恢复，并且促进用健康细胞更快速地替换死亡的肿瘤细胞。

在做这个手术之前，科学家们必须仔细计算需要做什么，并且在每个病例的基础上对待每个病人。为此，通常使用诸如CT扫描和MRI的成像技术来创建肿瘤的3D图像。根据这些信息，他们可以近似肿瘤体积，并使用软件技术决定最佳的疗程，包括电极插入位置，插入角度，所需电压等等。通常情况下，CT机器将被用于在手术期间帮助放置电极，特别是当电极用于治疗大脑中的肿瘤时。

整个过程非常快，通常需要大约五分钟。这些手术的成功率很高，对未来的人类治疗非常有前景。使用N-TIRE的一个缺点是从电极输送的电能刺激肌肉细胞收缩，根据情况可能具有致命的后果。因此，执行程序时必须使用瘫痪代理人。这种研究中使用的麻痹剂是成功的;然而，使用麻醉剂时总会有一些风险，虽然很小。

已经开发了更新的技术，称为高频不可逆电穿孔（H-FIRE）。该技术使用电极以高频率施加双极性电力突发，而不是以低频率单极性爆发电力。这种手术与N-TIRE具有相同的肿瘤消融成功率。然而，它有一个明显的优势，H-FIRE不会导致病人肌肉收缩，因此不需要麻痹剂。

药物和基因传递

电穿孔还可以用于通过施加瞬时透化细胞膜的短且强烈的电脉冲来帮助将药物或基因递送到细胞中，从而允许运输分子，否则不能通过细胞膜运输。当待输送的分子是DNA时，这个过程被称为电化学疗法，当待输送的分子是化学治疗剂或基因电转移时。来自卡罗林斯卡研究所和牛津大学的科学家使用外来体的电穿孔在全身注射（在血液中）后将siRNA，反义寡核苷酸，化学治疗剂和蛋白质特异性地递送给神经元。由于这些外泌体能够穿过血脑屏障，该方案可以解决向中枢神经系统递送药物差的问题，并治愈阿尔茨海默病，帕金森病和脑癌等疾病。

脂双层力学

电穿孔允许细胞引入高度带电荷的分子，例如不会被动地扩散穿过疏水性双层核心的DNA。这一现象表明，该机制是在膜上形成纳米级的充水空穴。虽然电穿孔和介电击穿这两者都是由电场的应用引起的，所涉及的机制是根本不同的。在电介质击穿中，阻挡材料被电离，产生导电通路。材料的变化因此是化学性质的。相比之下，在电穿孔过程中，脂质分子不是化学改变的，而是简单地移动位置，打开一个孔，充当水时充当通过双层的导电通路。

电穿孔是一种动态现象，取决于细胞膜上每个点的局部跨膜电压。一般认为，对于给定的脉冲持续时间和形状，存在特定的跨膜电压阈值用于电穿孔现象的表现（从0.5V到1V）。这导致电穿孔的电场量值阈值（Eth）的定义。也就是说，只有其中E≧Ë区域内的细胞日电穿孔。如果达到或超过第二阈值（Eir），则电穿孔将损害细胞的生存力，即不可逆电穿孔（IRE）。

图2 中显示了疏水孔（顶部）和亲水孔（底部）中的脂质的理论排列。

电穿孔是具有几个不同阶段的多步骤过程。首先，将短的电脉冲，必须应用。典型的参数是300-400 mV，跨越膜的时间小于1 ms（注意：电池实验中使用的电压通常要大得多，因为它们被用于跨越大体积溶液的较大距离，所以横跨实际膜的结果场只是所施加的偏差的一小部分）。在施加这个电位时，膜像电容器一样充电通过周围溶液中的离子迁移。一旦达到临界场，就会在脂质形态上发生快速的局部重排。所得到的结构被认为是“预孔”，因为它不导电，但很快导致产生导电孔。这些前毛孔存在的证据主要来自毛孔的“闪烁”，这表明导电和绝缘状态之间的转换。已经提出，这些预制孔是小的（〜3）疏水性缺陷。如果这个理论是正确的，那么过渡到导电状态可以通过在孔边缘的重排来解释，其中脂质头部折叠以形成亲水界面。最后，这些导电孔可以愈合，重新密封双层或扩大，最终破裂。由此得出的结论取决于是否超过了临界缺陷尺寸，这又取决于所施加的场，局部机械应力和双层边缘能量。