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.