Modèle standard d’électroporation réfuté —

Les substances thérapeutiques pénètrent dans les cellules par les électropores

Les champs électriques à courant continu au-dessus d’une certaine intensité perturbent l’organisation des lipides, des molécules ressemblant à des graisses qui forment la structure de base des membranes biologiques en une bicouche, empilées dans une sorte de cristal liquide. Les électropores résultants, qui ne sont généralement stables que pendant une très courte période, permettent à l’eau et aux solutés du milieu environnant – tels que des médicaments ou d’autres substances actives, y compris l’ARN ou l’ADN – de pénétrer dans une cellule.

Étant donné que la bicouche de lipides est très mince, ne mesurant que cinq millionièmes de millimètre, il n’est pas nécessaire d’appliquer des tensions très élevées pour générer des intensités de champ très élevées (volts par mètre). Ainsi, même à une tension de 0,1 volt à travers la membrane, l’intensité du champ est de 20 millions de volts par mètre. Dans l’air, par exemple, la décharge par étincelle se produit déjà à trois millions de volts par mètre. Cependant, il doit s’agir d’une tension de courant continu ; les champs de courant alternatif dans la gamme mégahertz-gigahertz tels que ceux générés par les téléphones portables ne provoquent pas de pores. Bien que la technique soit bien établie, il existe toujours un besoin d’optimiser l’électroporation des membranes cellulaires à diverses fins, telles que l’introduction de matériel génétique pour la thérapie génique. Pour cela, il est important de comprendre précisément le mécanisme de formation des pores sous champs électriques.

Un modèle standard avec peu de vérification expérimentale

Un modèle théorique standard d’électroporation des années 1970 suppose que le champ électrique applique une pression sur les lipides, augmentant ainsi la probabilité de formation de pores. Jusqu’à présent, cependant, il n’y a que peu de vérification expérimentale du modèle. Ceci est dû, d’une part, à la difficulté de détecter directement la formation d’électropores et, d’autre part, à la nécessité de réaliser un très grand nombre de telles expériences pour arriver à des conclusions statistiquement tenables. En effet, contrairement aux pores formés par les protéines, les électropores présentent un comportement très diversifié et moins stéréotypé.

Une méthode capable de détecter la formation de pores avec une grande précision et une résolution temporelle élevée est la mesure électrique du courant ionique. Les ions sont des constituants chargés positivement ou négativement des sels présents dans tous les fluides biologiques et, par conséquent, à l’intérieur et à l’extérieur de la cellule. Ils sont pratiquement incapables de pénétrer les membranes intactes, mais dès qu’un pore est ouvert, ils sont transportés à travers celui-ci dans le champ électrique. Ce transport de particules chargées peut être mesuré avec des amplificateurs très sensibles comme un minuscule courant électrique de quelques milliardièmes à millionièmes d’ampère. Pour cela, des bicouches lipidiques artificielles sont créées dans de fines couches de téflon via de minuscules ouvertures d’environ 0,1 millimètre de diamètre et placées entre deux électrodes. Cette technique de formation de membrane est très sensible aux défaillances – une seule membrane est formée à la fois, qui se brise facilement, en particulier lors de tests avec des tensions plus élevées.

Nouvelle méthode pour créer des couches lipidiques

Pour leurs expériences, le groupe de recherche a utilisé une micropuce avec de nombreuses ouvertures, à travers lesquelles des couches lipidiques beaucoup plus stables peuvent être générées très rapidement et de manière répétée en utilisant des procédures simplifiées. Ce soi-disant réseau de cavités de microélectrodes (MECA) a été développé par le groupe de recherche de Jan Behrends et a été produit et commercialisé par la start-up fribourgeoise Ionera Technologies GmbH fondée en 2014.

Grâce à cet appareil, il était désormais possible pour la doctorante Eulalie Lafarge de l’Institut Charles Sadron de l’Université de Strasbourg et le Dr Ekaterina Zaitseva du groupe de recherche de Fribourg de générer des centaines de membranes en un temps relativement court et de mesurer et quantifier la formation de pores en fonction de l’intensité du champ de courant continu. Les résultats ont démontré que, contrairement à la prédiction de l’ancien modèle standard, la barrière énergétique pour la formation des pores diminue non pas avec le carré de l’intensité du champ mais proportionnellement à l’intensité du champ. En d’autres termes, doubler l’intensité du champ ne réduit la barrière énergétique que de moitié, et non de quatre. Ceci suggère un mécanisme fondamentalement différent : une déstabilisation de l’interface entre les lipides et l’eau due à une réorientation des molécules d’eau dans le champ électrique.

Les membranes oxydées également étudiées

Ce résultat a également été confirmé pour des membranes dont les lipides étaient oxydés à des degrés divers. Ceci est intéressant car l’oxydation des lipides est un processus naturel dans la régulation de la fonction de la membrane cellulaire et joue un rôle dans le vieillissement naturel de l’organisme et peut-être aussi dans des maladies telles que la maladie de Parkinson et la maladie d’Alzheimer. “En particulier compte tenu de l’importance médicale de ce sujet, nous souhaitons l’approfondir, en incluant également des méthodes optiques, afin de parvenir à une véritable compréhension de ce phénomène important”, déclare Behrends.