Tester di tensione per le cellule cardiache in fase di battito
Gli scienziati sono riusciti per la prima volta a misurare la corrente che attraversa i canali di membrana nelle cellule del muscolo cardiaco pulsante. Per farlo, hanno combinato un microscopio a forza atomica con un metodo ampiamente utilizzato per misurare i segnali elettrici nelle cellule del corpo.
Gli impulsi elettrici svolgono un ruolo importante nelle cellule del corpo. Ad esempio, le cellule nervose utilizzano tali impulsi per trasmettere informazioni lungo le loro proiezioni, oppure il corpo li utilizza per controllare la contrazione dei muscoli. Gli impulsi sono generati quando proteine canale specializzate nel guscio esterno delle cellule si aprono, permettendo a molecole cariche (ioni) di entrare o uscire dalla cellula. Queste proteine sono chiamate canali ionici. Dagli anni '70 gli scienziati hanno a disposizione un metodo per misurare la loro attività. Finora questa tecnica è stata utilizzata principalmente su cellule che non si muovono. Gli elettrotecnici dell'ETH di Zurigo e i biologi dell'Università di Berna hanno ora sviluppato ulteriormente il metodo in modo da poter misurare facilmente anche le cellule in movimento, come le cellule del muscolo cardiaco che battono in un piatto di coltura cellulare.
In questo metodo, che esiste da circa quarant'anni, gli scienziati guidano una pipetta di vetro verso la membrana esterna di una cellula. L'apertura sulla punta della pipetta è così piccola che tocca solo una frazione della superficie cellulare. Idealmente, su questo piccolo lembo della membrana cellulare si trova esattamente un canale ionico. L'interno della pipetta è riempito con un liquido conduttivo e contiene anche un elettrodo. In questo modo è possibile misurare le differenze di carica tra l'esterno e l'interno della cellula (cioè una tensione elettrica) e le variazioni a breve termine di questa tensione dovute all'attività dei canali ionici. Il metodo è chiamato tecnica patch-clamp perché la pipetta viene utilizzata per bloccare un lembo della membrana cellulare.
Microscopio a forza atomica con ago per microiniezione
I ricercatori, guidati da Tomaso Zambelli, libero professore presso l'Istituto di ingegneria biomedica all'ETH di Zurigo, e da Hugues Abriel, professore presso il Dipartimento di ricerca clinica dell'Università di Berna, hanno ora combinato questa tecnica con un microscopio a forza atomica. In questo modo, una punta di misura si trova su un supporto mobile, una cosiddetta molla a balestra, per scansionare la superficie di un oggetto microscopico. Qualche anno fa, i ricercatori sono riusciti a produrre punte di misura con un canale interno, che ha permesso di iniettare molecole in una cellula sotto il controllo del computer. Questa tecnologia viene ora commercializzata dallo spin-off Cytosurge dell'ETH. Tuttavia, Zambelli e i suoi colleghi hanno sviluppato ulteriormente questa tecnica dotando l'ago di microiniezione di un elettrodo per effettuare misurazioni patch-clamp in collaborazione con gli scienziati guidati da Abriel. I ricercatori hanno ora pubblicato il successo di questa impresa sulla rivista Nano Letters.
La tecnica del patch-clamp non è solo un metodo centrale nella ricerca fondamentale della biologia cellulare, ma viene anche utilizzata di routine nello sviluppo di nuovi farmaci. Nell'ambito della procedura di ammissione di nuovi principi attivi, l'industria farmaceutica è tenuta per legge a verificare se questi interagiscono con i canali ionici. Questo perché un principio attivo che blocca i canali ionici potrebbe portare a gravi aritmie cardiache nei pazienti, cosa che dovrebbe essere evitata a tutti i costi.
Possibili misure più lunghe e automazione
Nella tecnica convenzionale del patch-clamp, un operatore guida manualmente la pipetta verso la cellula. Sebbene esistano anche metodi automatizzati, la loro applicazione è limitata. Ad esempio, le cellule da analizzare devono avere più o meno la stessa forma e dimensione e non devono muoversi (come fanno le cellule del muscolo cardiaco).
Nel metodo appena sviluppato, il microago viene mantenuto a una piccola distanza costante dalla superficie della cellula, sotto il controllo del computer Chi siamo, grazie alle misure di forza del microscopio a forza atomica. "Questo rende il contatto tra l'ago e la cellula molto più stabile. Questo ci permette di effettuare misurazioni per un periodo di tempo più lungo e di analizzare anche cellule in movimento", spiega Zambelli. I ricercatori sono quindi riusciti per la prima volta a misurare le variazioni di tensione di Chi siamo attraverso i canali ionici nelle cellule del muscolo cardiaco in movimento. ? inoltre ipotizzabile sviluppare una procedura automatizzata su questa base per misurare qualsiasi cellula, indipendentemente dalla sua forma e dimensione, afferma Zambelli.
Riferimento alla letteratura
Ossola D, Amarouch MY, Behr P, V?r?s J, Abriel H, Zambelli T: Force-Controlled Patch Clamp of Beating Cardiac Cells. Nano Letters, 2 febbraio 2015, doi: pagina esterna10.1021/nl504438z