Viaggio nel micro-universo della membrana plasmatica

Il ruolo della membrana si coglie se si considera la cellula non come entità statica, ma come una minuscola "smart city": in essa ogni componente lavora in modo sinergico garantendo funzioni vitali come il metabolismo, la crescita e la riproduzione. La membrana cellulare è il custode del motore della vita, un micro-universo, una "piccola stanza" (dal latino cellŭla), che costituisce l'unità strutturale più complessa di ogni organismo. Con uno spessore di pochi nanometri svolge l'arduo compito di proteggere e sostenere la cellula, coordinando le comunicazioni con l'esterno. La cellula agisce come un dispositivo multi-comparto, dove organuli - per citarne alcuni, il nucleo (custode del DNA), i mitocondri (centrali energetiche) e l'apparato di Golgi - operano in modo interconnesso all’interno del citoplasma, mentre il citoscheletro garantisce l’integrità strutturale. Ma cosa rende questa barriera così speciale? “La risposta risiede nella sua struttura dinamica, nelle sue proprietà di mosaico fluido. È composta da un doppio strato di fosfolipidi anfifilici, cioè capaci di interagire con acqua e ambienti apolari. La fluidità è garantita da legami non covalenti che permettono alle singole unità di diffondere e riorganizzarsi lungo la struttura senza inficiarne la stabilità. Il colesterolo, al suo interno, funge da stabilizzatore termico e ne mantiene la funzionalità, irrigidendo le catene ad alte temperature e riducendo l'impaccamento dei fosfolipidi a basse temperature. Nelle piante, questa funzione è assolta dagli steroli. La membrana non è una vera barriera ossia un muro isolante, ma un filtro selettivo. Le proteine integrate nel doppio strato lipidico operano come canali ionici, pompe protoniche per generare ATP, e, unitamente ai carboidrati, diventano recettori per riconoscimenti selettivi e trasduzione di segnali. Il trasporto di sostanze avviene passivamente sotto gradiente chimico per diffusione semplice, facilitata lungo canali proteici selettivi e osmosi, ma anche attivamente contro gradiente, con ausilio di energia (ATP), per diffusione uni o bidirezionale. La fluidità della membrana facilita la formazione di vescicole - endocitosi ed esocitosi - per inglobare nutrienti o espellere scarti”, evidenzia Annarosa Gugliuzza, ricercatrice del Cnr-Itm.

“La sopravvivenza della cellula dipende dalla sua permeabilità. Se alterata per causa endogena o esogena, la cellula perde selettività, causando danni strutturali. Questo induce apoptosi, una morte cellulare programmata e necessaria per eliminare cellule danneggiate, o necrosi, una morte accidentale che innesca processi infiammatori, infezioni o, nei casi più gravi, sviluppo di tumori e malattie degenerative. La natura sorprende anche per soluzioni estreme di membrane cellulari. Gli archeobatteri, che vivono in ambienti ostili come i geyser o gli abissi oceanici, possiedono membrane con monostrato lipidico chimicamente modificato, molto più stabili e resistenti di quelle umane a calore, pH ed elevati gradi di salinità”, continua la studiosa. La ricerca scientifica cerca da tempo di imitare strutture e meccanismi di trasporto propri di membrane biologiche. “Liposomi e polimerosomi sono tipiche vescicole sintetiche anche complesse, capaci di inglobare e veicolare principi attivi, limitandone la perdita e proteggendoli da fenomeni degradativi, ma rimangono sistemi "passivi" e non propriamente "vivi". Sono vettori intelligenti, o meglio, minuscoli ‘cavalli di Troia’ che superano le barriere biologiche, aumentando la biodisponibilità del principio e riducendo effetti collaterali tossici. La membrana biologica rimane un modello per la sua capacità di auto-riparazione, adattamento e permeazione e la biologia sintetica sta compiendo passi da gigante”, sottolinea la ricercatrice.

È possibile costruire “cellule artificiali” partendo da membrane progettate?“Generare una cellula naturale nella sua interezza significherebbe generare la Vita! Il ricercatore costruisce porzioni di cellule non vive, ma capaci di mimare, per induzione, alcune funzioni grazie all’ausilio di materiali ingegnerizzati e tecnologie diagnostiche sempre più sofisticate che permettono di studiare la materia, anche biologica, su nanoscala. Le cellule 'Pac-Man' sono un esempio di nanostrutture sferiche capaci di veicolare ioni e molecole attraverso un singolo minuscolo poro, creato in un sistema colloidale, attivando il trasporto per induzione di un gradiente chimico tramite un catalizzatore esposto ad impulsi luminosi. Si tratta di sistemi rivoluzionari che possono trasportare e rilasciare molecole target e rimuovere batteri, offrendo un rilevante contributo nello sviluppo di sistemi di rilascio intelligenti di ultima generazione, ma non sono sostitutivi di cellule naturali”, sostiene la ricercatrice. Infine, come potrebbero i contenitori biologici artificiali rivoluzionare la somministrazione dei farmaci?

“Nanovettori e 'nanocage' ingegnerizzati, assimilabili a membrane artificiali, stanno già rivoluzionando alcune terapie grazie alla possibilità di veicolare nella sede bersaglio e rilasciare in modo biocompatibile la somministrazione di farmaci riducendo l’esposizione di cellule sane. Queste sofisticate navicelle biologiche dovrebbero favorire l’attraversamento della barriera cellulare, attuando meccanismi simil-biologici per il trasporto e il rilascio di principi attivi quando e dove serve e nella misura in cui è necessario, come effetto di una risposta ad uno stimolo specifico - temperatura, pH, riconoscimento molecolare, ecc. - indotto dall’ambiente attiguo. Per riassumere, farmaci insolubili possono essere mascherati da strutture biomimetiche, biocompatibili e resistenti per chimica e meccanica, capaci di contrastare dispersione e degradazione del principio attivo e rispondere ad alterazioni dell’intorno chimico per rilascio in situ del principio attivo. Il problema risiede nella complessità dell’organismo umano e, quindi, nella reazione immunitaria e nel rischio che il farmaco possa essere metabolizzato prima di arrivare a destinazione, senza trascurare la complessità ed il continuo dinamismo della struttura cellulare. Da qui, la necessità di realizzare contenitori sempre più intelligenti, biocompatibili e stabili. Queste sono alcune delle sfide che la ricerca sta affrontando, nell’intento di rendere le terapie più efficaci anche in siti di trattamento non sempre raggiungibili e curabili con terapie tradizionali”, conclude Gugliuzza.

Fonte: Annarosa Gugliuzza, Istituto per le tecnologie delle membrane, annarosa.gugliuzza@cnr.it