Modelo padrão de eletroporação refutado – ScienceDaily

Campos elétricos fortes podem ser usados ​​para criar poros em biomembranas. O método é conhecido como eletroporação. A indução de tais defeitos nas membranas de maneira direcionada é uma técnica importante na medicina e na biotecnologia, mas também no tratamento de alimentos. Um grupo de pesquisa franco-alemão liderado pelo Dr. Carlos Marques da Ecole Normale Supérieure em Lyon/França e pelo Prof. décadas como o modelo padrão deste mecanismo. “Esse é um desafio para a construção de teorias e simulações numéricas nessa área”, diz Marques. Os resultados já foram publicados no Anais da Academia de Ciências. Eles poderiam ajudar a melhorar o transporte de substâncias ativas nas células.

Substâncias terapêuticas entram nas células através de eletroporos

Campos elétricos de corrente contínua acima de certa intensidade atrapalham a organização de lipídios, moléculas semelhantes a gorduras que formam a estrutura básica de membranas biológicas em uma bicamada, empilhadas juntas em uma espécie de cristal líquido. Os eletroporos resultantes, que geralmente são estáveis ​​apenas por um tempo muito curto, permitem que a água e os solutos no meio circundante – como drogas ou outras substâncias ativas, incluindo RNA ou DNA – entrem na célula.

Como a bicamada de lipídios é muito fina, medindo apenas cinco milionésimos de milímetro, não é necessário aplicar tensões muito altas para gerar intensidades de campo muito altas (volts por metro). Assim, mesmo com uma voltagem de 0,1 volt através da membrana, a intensidade do campo é de 20 milhões de volts por metro. No ar, por exemplo, a descarga de centelha já ocorre a três milhões de volts por metro. No entanto, deve ser tensão de corrente contínua; campos de corrente alternada na faixa de megahertz-gigahertz, como os gerados por telefones celulares, não causam poros. Embora a técnica esteja bem estabelecida, ainda existe a necessidade de otimizar a eletroporação de membranas celulares para diversos fins, como a introdução de material genético para terapia gênica. Para isso, é importante entender com precisão o mecanismo de formação de poros sob campos elétricos.

Um modelo padrão com pouca verificação experimental

Um modelo teórico padrão de eletroporação da década de 1970 assume que o campo elétrico aplica pressão aos lipídios, aumentando assim a probabilidade de formação de poros. Até agora, no entanto, há apenas uma pequena verificação experimental do modelo. Isso se deve, primeiro, à dificuldade de detectar diretamente a formação de eletroporos e, segundo, à necessidade de realizar um número muito grande de tais experimentos para chegar a conclusões estatisticamente sustentáveis. Isso ocorre porque, em contraste com os poros formados por proteínas, os eletroporos exibem um comportamento muito diverso e menos estereotipado.

Um método capaz de detectar a formação de poros com grande precisão e alta resolução temporal é a medição elétrica de corrente iônica. Os íons são constituintes carregados positiva ou negativamente dos sais presentes em todos os fluidos biológicos e, portanto, dentro e fora da célula. Eles são praticamente incapazes de penetrar em membranas intactas, mas assim que um poro é aberto, eles são transportados através dele no campo elétrico. Esse transporte de partículas carregadas pode ser medido com amplificadores altamente sensíveis como uma pequena corrente elétrica de alguns bilionésimos a milionésimos de ampère. Para isso, bicamadas lipídicas artificiais são criadas em finas camadas de Teflon por meio de pequenas aberturas de cerca de 0,1 milímetro de diâmetro e colocadas entre dois eletrodos. Essa técnica de formação de membrana é altamente suscetível a falhas – apenas uma membrana é formada por vez, que se rompe facilmente, especialmente durante testes com voltagens mais altas.

Novo método para criar camadas lipídicas

Para seus experimentos, o grupo de pesquisa usou um microchip com muitas aberturas, através do qual camadas lipídicas significativamente mais estáveis ​​podem ser geradas de forma muito rápida e repetida usando procedimentos simplificados. Este chamado arranjo de cavidades de microeletrodos (MECA) foi desenvolvido pelo grupo de pesquisa de Jan Behrends e foi produzido e disponibilizado comercialmente pela empresa start-up de Freiburg, Ionera Technologies GmbH, fundada em 2014.

Com a ajuda deste dispositivo, agora era possível para a doutoranda Eulalie Lafarge, do Instituto Charles Sadron da Universidade de Estrasburgo, e para a Dra. Ekaterina Zaitseva, do grupo de pesquisa de Freiburg, gerar centenas de membranas em um tempo relativamente curto e medir e quantificar a formação de poros em função da intensidade do campo de corrente contínua. Os resultados demonstraram que, ao contrário do que previa o antigo modelo padrão, a barreira de energia para a formação de poros diminui não com o quadrado da intensidade do campo, mas proporcionalmente à intensidade do campo. Em outras palavras, dobrar a força do campo reduz a barreira de energia apenas pela metade, não quatro vezes. Isso sugere um mecanismo fundamentalmente diferente: uma desestabilização da interface entre lipídios e água devido a uma reorientação das moléculas de água no campo elétrico.

Membranas oxidadas também estudadas

Este resultado também foi confirmado para membranas cujos lipídios foram oxidados em graus variados. Isso é interessante porque a oxidação lipídica é um processo natural na regulação da função da membrana celular e desempenha um papel no envelhecimento natural do organismo e possivelmente também em doenças como Parkinson e Alzheimer. “Particularmente em vista da importância médica deste tópico, queremos aprofundá-lo, incluindo também métodos ópticos, a fim de alcançar uma compreensão real deste importante fenômeno”, diz Behrends.

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