She is electric

su da scienziatimattiin Biologia cellulare

L’acqua ha delle caratteristiche quasi magiche. Per esempio può separare il sale (cloruro di sodio, NaCl) nei due elementi che lo compongono: Sodio (Na) e Cloro (Cl). I due elementi sciolti mantengono una traccia del loro legame precedente, una vera e propria carica elettrica: Na+ e Cl– (si parla di ioni sodio e cloro). Gli ioni si diffondono però in tutte le direzioni auto-equilibrandosi, quindi la carica elettrica di acqua e sale resta quasi zero.

Le nostre cellule scambiano ioni con il liquido che le circonda (il liquido interstiziale) tramite apposite pompe posizionate sulla loro membrana e può succedere che gli ioni dentro la cellula non siano all’equilibrio con quelli fuori. In questo caso si crea un potenziale elettrico sulla membrana plasmatica. 

Ioni sodio (Na+) e cloro (Cl-) abbondano fuori dalla cellula, mentre si trovano più ioni potassio (K+) dentro la cellula. A netto di tutte le cariche elettriche, il lato interno della membrana plasmatica è carico negativamente e quello esterno è carico positivamente. La differenza di cariche (il potenziale di membrana) in una cellula a riposo è intorno ai -70 millivolt (mV).

Nel nostro corpo, i neuroni mantengono un potenziale di -70 mV (millivolt) che gli permette di trasmettere messaggi velocissimamente sotto forma di stimoli elettrici. 

Il potenziale elettrico però esiste in tutte le cellule del nostro corpo. Addirittura tessuti come gli epitèli, strati di cellule unite tra di loro a formare una barriera, possono filtrare selettivamente degli ioni generando un potenziale elettrico da una parte all’altra dell’epitelio. 

Gli ioni ai due lati di un epitelio non sono all’equilibrio. C’è quindi un potenziale elettrico.
Quando ci tagliamo, gli ioni che prima erano tenuti separati dall’epitelio si mescolano e, per diffusione, si auto-bilanciano. Intorno alla ferita il potenziale elettrico diventa quindi zero!

Gli Scienziatimatti di oggi si sono chiesti se il potenziale elettrico dei tessuti potesse servire per rimarginare le ferite.

Facendo un buco in un epitelio (per esempio la pelle) gli ioni si diffonderebbero quasi istantaneamente in ugual misura ai due lati del tessuto, eliminando così il potenziale elettrico nei dintorni del buco e creando della corrente elettrica orientata verso il buco. E se la corrente elettrica guidasse le cellule verso la ferita?

Usando un pesce come modello (Danio rerio), gli Scienziatimatti hanno visto che le cellule della pelle rispondevano ad un taglio orientando i filamenti di actina (l’equivalente cellulare di muscoli e tendini) verso la ferita e muovendosi nella direzione giusta.

Questa è la pelle del pesce vista dall’alto. Nella parte fuori dallo schermo a destra viene fatto un taglio e vediamo che immediatamente le cellule orientano l’actina (in bianco) e si spostano in massa verso la ferita (da Kennard et al. 2020).

In seguito ad un taglio però, oltre alla creazione della corrente elettrica, succede anche un’altra cosa: l’acqua si sposta per osmosi là dove ci sono più sostanze da diluire (ogni tipo di sostanza disciolta, ioni o altre sostanze non elettricamente cariche) col risultato che le cellule vicino alla ferita finiscono per gonfiarsi d’acqua.

Per verificare se le cellule si muovessero in risposta all’elettricità o al gonfiore indotto dall’osmosi, i ricercatori hanno usato un trucco chimico-fisico: l’acqua isotonica. Sciogliendo in acqua sostanze senza carica elettrica come degli zuccheri si può impedire il movimento per osmosi dell’acqua senza senza toccare l’elettricità. Facendo dei taglietti sulla pelle di pesci immersi in acqua isosmotica i ricercatori hanno visto che le cellule rispondevano ancora al taglio.

Usando invece acqua e sale (NaCl, quindi ioni Na+ e Cl–, carichi elettricamente) si elimina artificialmente il potenziale elettrico sulla pelle del pesce. In questo caso le cellule non si muovevano più verso la ferita!

Aggiungendo dello zucchero, gli Scienziatimatti hanno eliminato il movimento dell’acqua per osmosi, ma hanno mantenuto il campo elettrico perché gli zuccheri contano come sostanze disciolte, ma non hanno carica elettrica (secondo pannello).
Aggiungendo invece sale (NaCl), i ricercatori hanno fatto fuori sia il capo elettrico che il movimento dell’acqua per osmosi (terzo e ultimo pannello).
Nel grafico a destra vediamo la velocità delle cellule nelle varie condizioni. Sono state testate anche le cellule in condizione «iposmotica», dove il movimento per osmosi viene ingigantito. In questo caso le cellule si muovono molto più velocemente rispetto al normale. Vediamo invece che soltanto nel caso della soluzione isosmotica con sale (NaCl) le cellule sono ferme come nell’epitelio sano (Immagine riadattata da Kennard et al. 2020).

Prova finale: facendo passare della corrente tra due elettrodi impiantati nella pelle del pesce, le cellule cominciavano a muoversi anche senza che ci fosse una ferita! Per di più, generando una corrente nella direzione opposta ad una ferita, le cellule che si stavano spostando verso la ferita facevano dietrofront!

Quando il cerchio (che ci dice dove è stato messo l’elettrodo) diventa blu, significa che i ricercatori hanno acceso il circuito per far passare la corrente. Vediamo le cellule che si muovono subito verso il catodo, l’elettrodo con carica negativa (da Kennard et al. 2020).

Possibile che l’elettrostimolazione possa in futuro aiutare a rimarginare le ferite? 

Grazie agli Scienziatimatti elettricisti che ci illuminano la via!

Qui il link alla ricerca originale: https://elifesciences.org/articles/62386

17 pensieri su “She is electric”

  2. Spettacolare come sempre, e come tutto ciò che riguarda quello straordinario gioiello che è il nostro corpo (sì, anche uno vecchio e in disfacimento come il mio).
    Domanda a margine: quando toccando una persona si prende la scossa, che cosa succede esattamente?

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    1. È una domanda interessantissima!! Scusa se ci ho messo un po’, ma non ne so molto di bioelettricità o di elettricità in generale quindi ho cercato un po’ nella letteratura scientifica e mi si è aperto un mondo!

      In pratica ci sono certi materiali (per esempio la lana) che acquistano cariche elettriche più velocemente di quanto non riescano a dissiparle. Questo fenomeno si chiama effetto triboelettrico e il risultato è che il materiale si carica di elettricità statica.

      Vero che ce lo dice il termine stesso, ma non ci avevo mai pensato: l’elettricità statica è per l’appunto statica, ferma, ed è quindi contrapposta all’elettricità “corrente”, quella che si muove verso la ferita per intenderci.

      L’accumulo di elettricità statica cercherà in tutti i modi di bilanciarsi (di dissiparsi) ed appena si apre una strada nuova, magari attraverso il corpo di un’altra persona, parte la corrente, la scossa.

      C’è un collegamento tra elettricità statica e potenziali di membrana o di tessuto, ma l’elettricità statica è studiata soprattutto dagli ingegneri perché pare che nelle fabbriche sia un problema serio che funge spesso da miccia per innescare incendi.

      Comunque da 3-4 anni l’elettricità statica sembra entrata anche nella biologia. Un gruppo di ingegneri ha pensato di usare l’elettricità statica che si crea nel corso delle nostre attività quotidiane per caricare delle mini batterie e sono stati inventato così i TENG (triboelectric nanogenerators), dei dispositivi che si caricano da soli attingendo all’elettricità statica (https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2017.12.053).

      Fino a pochi anni fa l’invenzione degli ingegneri sarebbe rimasta nell’ambito ingegneristico. Per fortuna negli ultimi tempi hanno preso piede le riviste multidisciplinari, dove vengono pubblicati articoli di tutte le scienze con l’obiettivo di far comunicare tra loro persone con background differenti.

      E così adesso sono partite sperimentazioni per usare i TENG nei pacemaker ed in altri dispositivi medici impiantabili. Tutti questi dispositivi si caricano grazie all’elettricità prodotta dal corpo e non hanno quindi bisogno di batterie!! (Qui l’articolo sui prototipi di pacemaker: https://doi.org/10.1038/s41467-019-09851-1)
      E la cosa sembra funzionare davvero!!! Entro pochi anni questa cosa potrebbe diventare lo standard in clinica!

      Mi rendo conto che la risponsta non è esauriente, ma adesso i miei radar sono sintonizzati per leggere tutti gli articoli che usciranno sulla bioelettricità 🙂
      Quindi grazie della domanda che mi ha fatto scoprire un sacco di cose!

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  5. post molto interessante; preciserei solo una cosa: una differenza di potenziale NON è necessariamente un eccesso di cariche di un certo segno; per esempio nelle batterie non c’è mai eccesso macroscopico di cariche fra gli elettrodi , ma c’è una differenza di potenziale elettrico; il potenziale elettrico è una energia per unità di carica, dunque una differenza di potenziale elettrico corrisponde a una differenza di energia per unità di carica ma non ti dice nulla sulla carica assoluta; spesso nei testi si fa confusione su questo e anche nel linguiaggio comune. tecnicamente quel che succede è che c’è un eccesso di potenziale elettrochimico, di tendenza a sfuggire a diffondere ma non necessariamente un eccesso di carica; il contrario non è vero; cioè se c’è un eccesso di carica c’è sempre una differenza di potenziale, ma se c’è una differenza di potenziale non c’è sempre un eccesso di carica. spero di essermi fatto capire

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    1. Vero, grazie per leprecisazioni! Il rischio della sintesi è quello di fare delle semplificazioni che possono indurre in errore e non qui non sono stato troppo preciso su questo aspetto. Comunque nelle cellule c’è una vera e propria differenza di cariche tra il lato interno ed esterno della membrana.

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      1. non so se non sia una descrizione imprecisa; se ci fosse una piccola differenza nelle cariche assolute cioè se la cellula non fosse elettroneutrale ma carica in assoluto positivamente o negativamente ci sarebbe una forza pazzesca sulla membrana cellulare; mentre invece eletroneutrale ma con ioni diversi di que e di là sarebbe più facile da gestire perché ci sarebbe una differenza di potenziale elettrochimico ma nessuna forza netta di compressione sulla membrana, ho idea che questa descrizione sia proprio quella cui facevo riferimento prima: è una semplificazione ma inesatta; hai un link al’argomento in cui si dica la cosa in modo esatto?

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  7. Le celllule infatti spendono un quantitativo enorme di energia per mantenere questa differenza di cariche. Il principale responsabile dell’esistenza di questo delta è la pompa sodio-potassio, un canale di membrana che regola il flusso di ioni sodio e potassio tra dentro e fuori la cellula e che rende quindi la membrana cellulare selettivamente permeabile a determinati ioni. A dimostrazione dell’importanza di questo canale di membrana, le frecce avvelenate che venivano usate in Africa erano imbevute di un inibitore naturale e spesso letale della pompa, l’ouabanina.
    Qui una mini-review sul potenziale di membrana: https://doi.org/10.1152/advan.00029.2004

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  8. suggerisco una alternativa : http://book.bionumbers.org/what-is-the-electric-potential-difference-across-membranes/ dove è chiaramente spiegato che 1) la elettroneutralità vale anche nelle cellule 2) che il numero di cariche “eccesso” è estremamente basso ; aggiungo che se non si considera la componente “chimica” del potenmziale non si riesce a venire a capo dei fenomeni; con la sola carica elettrica si va incontro a paradossi e contraddizioni insanabili; in sostanza il potenziale di membrana è un fenomeno “elettrochimico” non solo elettrico

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  9. Certo, il potenziale di membrana è un fenomeno elettrochimico, su questo non ci piove. Ma attenzione a leggere i numeri in maniera troppo astratta perché si rischia di fare come i fisici teorici che approssimano il cavallo ad una sfera. Le cellule non sono sfere e l’apparentemente piccola differenza di ioni che basta per spiegare il potenziale di membrana nel modello teorico di bionumbers può in realtà essere localizzata in punti precisi delle cellule. I neuroni per esempio hanno prolungamenti lunghi anche diversi metri (i nervi più lunghi se non sbaglio sono quelli nel collo delle giraffe) e gli ioni non sono equamente distribuiti lungo queste protrusioni. I canali voltaggio-dipendenti per esempio si concentrano in certe zone della cellula in modo da poter far partire stimoli elettrici in determinati punti da cui si espanderanno. Poi stanno venendo fuori un sacco di cose su “phase separation” nella biologia e non è da escludere che possa verificarsi una liquid-liquid phase separation che potrebbe concentrare ioni ed altre molecole con carica elettrica (per esempio gli RNA) in prossimità di certe membrane.
    Per gli esseri viventi “close to electro-neutral” è molto diverso da “elecrto-neutral”.

    In ogni caso bionumbers è un bellissimo sito che contribuisce a rendere sempre più quantitativa la biologia che invece è nata come scienza di osservazione e quindi a volte manca di dell’oggettività data dai numeri.

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