L’Elettroporazione: quando l’elettrofisica incontra la microbiologia.

La fisi­ca e la bio­lo­gia non sono mai sta­te così vici­ne. Tra le bio­tec­no­lo­gie più pro­met­ten­ti dell’ultimo seco­lo emer­ge l’elettroporazione, un meto­do che con­sen­te l’introduzione di sostan­ze estra­nee nel­le cel­lu­le, tra­mi­te l’applicazione di un cam­po elet­tri­co di mode­ra­ta inten­si­tà. 

L’elettroporazione tro­va impie­go sia nell’industria ali­men­ta­re che nel­la chi­rur­gia este­ti­ca e rap­pre­sen­ta un’efficace moda­li­tà di som­mi­ni­stra­zio­ne di far­ma­ci che­mio­te­ra­pi­ci.

La mem­bra­na pla­sma­ti­ca del­le cel­lu­le, sia vege­ta­li che ani­ma­li, è costi­tui­ta pre­va­len­te­men­te da un dop­pio stra­to fosfo­li­pi­di­co, all’interno del qua­le sono pre­sen­ti pro­tei­ne e glu­ci­di. In con­di­zio­ni fisio­lo­gi­che stan­dard la mem­bra­na cel­lu­la­re risul­ta per­mea­bi­le solo a mole­co­le pola­ri di pic­co­le dimen­sio­ni, come acqua e gas, e a mole­co­le apo­la­ri lipo­so­lu­bi­li (qua­li urea, ammo­nia­ca, eta­no­lo e gli­ce­ro­lo). 

Se il pas­sag­gio del­le sud­det­te sostan­ze non richie­de l’utilizzo di ener­gia (si par­la, per­tan­to, di tra­spor­to pas­si­vo), l’attraversamento del­le macro­mo­le­co­le pre­sup­po­ne la for­ma­zio­ne di vesci­co­le che ne favo­ri­sco­no l’emissione o l’immissione.

Tut­ta­via, nel cor­so dell’ultimo decen­nio, è sta­ta spe­ri­men­ta­ta una tec­ni­ca che con­sen­te l’introduzione di com­po­sti con peso mole­co­la­re e dimen­sio­ni rile­van­ti all’interno del cito­pla­sma cel­lu­la­re. Si trat­ta di mole­co­le qua­li fram­men­ti di DNA e far­ma­ci (per lo più che­mio­te­ra­pi­ci) , che tro­va­no lar­go impie­go sia in bio­lo­gia (in par­ti­co­la­re nei pro­ces­si di tra­sfor­ma­zio­ne bat­te­ri­ca) che in ambi­to medi­co (soprat­tut­to nel­la cura del­le pato­lo­gie onco­lo­gi­che).

Que­sto meto­do, estre­ma­men­te all’avanguardia e desti­na­to ad un sem­pre più ampio uti­liz­zo, pren­de il nome di elet­tro­po­ra­zio­ne. Esso con­sen­te, tra­mi­te l’applicazione di un cam­po elet­tri­co dell’ordine di 10^5 N/C, di per­fo­ra­re la mem­bra­na cel­lu­la­re, crean­do dei pic­co­li pori, che, se il cam­po elet­tri­co non vie­ne inten­si­fi­ca­to ulte­rior­men­te, si chiu­do­no. 

Per­ché la pre­sen­za del cam­po elet­tri­co pro­du­ce un tale effet­to sul­la mem­bra­na pla­sma­ti­ca? La rispo­sta è da ricer­car­si nel­la com­po­nen­te prin­ci­pa­le del­la par­te più ester­na del­la cel­lu­la che, come già anti­ci­pa­to, è costi­tui­ta da un dop­pio stra­to di fosfo­li­pi­di . Seb­be­ne que­ste mole­co­le dal­la for­ma allun­ga­ta sia­no com­ples­si­va­men­te neu­tre, la par­te supe­rio­re, la testa del fosfo­li­pi­de, si con­fi­gu­ra come un dipo­lo elet­tri­co (cioè in essa sono distin­ti un polo posi­ti­vo e uno nega­ti­vo). A ciò si aggiun­ge la pre­sen­za di ioni disciol­ti in solu­zio­ne acquo­sa pre­sen­ti sia ester­na­men­te che all’interno del­la cel­lu­la. Quan­do la cel­lu­la è sog­get­ta al cam­po elet­tri­co, la sua mem­bra­na si ridu­ce di spes­so­re, fino alla sua per­fo­ra­zio­ne. La per­mea­bi­liz­za­zio­ne del­la mem­bra­na è il risul­ta­to dell’azione del­le diver­se for­ze elet­tri­che che agi­sco­no sia sul­la por­zio­ne pola­re dei fosfo­li­pi­di, sia sugli ioni che ven­go­no spin­ti ver­so di essa.

È oppor­tu­no spe­ci­fi­ca­re che la distri­bu­zio­ne dei pori non è uni­for­me in tut­ta la mem­bra­na pla­sma­ti­ca, ma si con­cen­tra nel­le zone mag­gior­men­te espo­ste al cam­po elet­tri­co.

L’elettroporazione è un pro­ces­so rever­si­bi­le solo se l’intensità del cam­po elet­tri­co è infe­rio­re al valo­re limi­te, oltre al qua­le la pre­sen­za dei pori risul­ta defi­ni­ti­va e la cel­lu­la vie­ne distrut­ta. D’altro can­to, l’intensità del cam­po elet­tri­co deve esse­re suf­fi­cien­te­men­te ele­va­ta da garan­ti­re la per­fo­ra­zio­ne del­la mem­bra­na.

Se l’elettroporazione rever­si­bi­le è impie­ga­ta per intro­dur­re nel­le cel­lu­le dei pazien­ti far­ma­ci in gra­do di com­bat­te­re le meta­sta­si tumo­ra­lifil­ler, come l’acido ialu­ro­ni­co o il col­la­ge­ne, il pro­ces­so irre­ver­si­bi­le rap­pre­sen­ta inve­ce una vali­da alter­na­ti­va alla pasto­riz­za­zio­ne degli ali­men­ti. Infat­ti, distrug­gen­do le cel­lu­le dei bat­te­ri, del­le muf­fe e dei lie­vi­ti, l’elettroporazione con­sen­te la ste­ri­liz­za­zio­ne dei pro­dot­ti ali­men­ta­ri pri­ma del con­fe­zio­na­men­to. A ciò si aggiun­ge che que­sto pro­ce­di­men­to può esse­re effet­tua­to anche a bas­se tem­pe­ra­tu­re e ini­bi­sce, per­tan­to, l’alterazione dei nutrien­ti.

 L’apparecchio che con­sen­te l’attuazione di que­sto pro­ces­so è costi­tui­to da due elet­tro­di, due pia­stre metal­li­che pia­ne e paral­le­le, cari­ca­te una posi­ti­va­men­te e una nega­ti­va­men­te. Le due pia­stre con­dut­tri­ci sono, poi, col­le­ga­te ad un dispo­si­ti­vo in gra­do di accu­mu­la­re la cari­ca elet­tri­ca. Per far sì che avven­ga l’elettroporazione sarà suf­fi­cien­te far scor­re­re il mate­ria­le da trat­ta­re tra i due elet­tro­di.

Al fine di garan­ti­re la soste­ni­bi­li­tà ener­ge­ti­ca del pro­ces­so, l’elettroporazione è effet­tua­ta con una tec­no­lo­gia PEF, «cam­po elet­tri­co pul­sa­to» in lin­gua ingle­se. Il cam­po elet­tri­co pul­sa­to è appli­ca­to tra­mi­te una serie di impul­si mol­to inten­si del­la dura­ta di qual­che mil­li­se­con­do.

Gaia Zanot­ti

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