Bioelektrik

Unter Bioelektrik versteht man die Wechselwirkung gepulster elektrischer Felder mit biologischen Zellen und Geweben. Das biologische Material befindet sich in wässriger Suspension zwischen zwei Elektroden, die von einer Hochspannungs­impulsquelle gespeist werden.

Prinzipiell wird die Wirkung gepulster elektrischer Felder auf biologische Zellen in zwei Bereiche unterteilt:

Ist die Impulsanstiegszeit größer als die Aufladezeit der Plasmamembran, wird die elektrische Feldstärke vollständig in die Membran verdrängt. Das Zellinnere bleibt zunächst feldfrei. Die Membran, die aus elektrischer Sicht einen Isolator darstellt, wird dabei aufgeladen. Dies führt zu einer Umordnung der molekularen Bestandteile der Plasmamembran, der Phospholipidmoleküle, die eine Erhöhung der Membranpermeabilität zur Folge hat. Aufgrund dieses Prozesses, der sogenannten Elektroporation, kommt es zur Bildung von hydrophilen Poren, Bild links, die einen verstärkten Stoffaustausch zwischen Zellinnerem und dem extrazellulären Medium ermöglichen.

Bei sehr schnell ansteigenden Impulsen mit hoher Amplitude, sog. Ultrakurz­pulsen, mit einer Impulsdauer von wenigen 10 ns und Impulsanstiegszeiten im Nanosekundenbereich, wird das Zellinnere aufgrund eines großen Verschiebungs­stroms durch die Membran ebenfalls mit elektrischer Feldstärke beaufschlagt. Es treten zum Einen intrazelluläre Beeinflussungen und Stressreaktionen infolge der Feldexposition auf, wie beispielsweise die Emission von intrazellulärem Kalzium oder die Auslösung des programmierten Zelltods (Apoptose). Des Weiteren bilden sich nach derzeitigem Stand der Wissenschaft sehr kleine, kurzlebige Poren in der Plasmamembran nach Ultrakurzpulseinwirkung, Bild rechts.