Bioelettricita': da Galvani a oggi

Aver compreso i principi alla base dei potenziali di membrana cellulare
permette di usare la bioelettricita' non solo a fini diagnostici ma anche terapeutici

Nell’ambito della storia della medicina, il bolognese Luigi Galvani e' ricordato come il padre della elettricita' biologica. Famosi i suoi esperimenti sulle rane che gli valsero molta notorieta' e la cattedra di Anatomia Umana nel 1766. Suo contemporaneo fu Alessandro Volta, all’epoca professore di Fisica presso l'Universita' di Pavia, il quale pur confermandone gli esperimenti ne dette un’interpretazione nettamente diversa: le contrazioni dei muscoli della rana non erano dovute alla elettricita' animale ma all'irritazione dei nervi prodotta da un fluido elettrico esterno messo in moto da un circuito determinatosi fra due metalli vicini fra loro. La rana, insomma, non sarebbe stato un vero serbatoio di elettricita', ma solo un rivelatore di elettricita'. Questa teoria porto', a breve, a due importanti scoperte: il potenziale di contatto, che e' la base della trasmissione degli impulsi nervosi, e l'invenzione della pila. Alessandro Volta scopri' infatti che l'elettricita' poteva essere prodotta anche con mezzi inorganici: utilizzando piastrine di rame e di zinco e un tessuto imbevuto di soluzione acida, egli costrui' il primo apparecchio in grado di produrre elettricita'. Il successo del lavoro scientifico di Volta offusco' per secoli quello di Galvani, e con le sue invenzioni, egli dette un forte impulso alle ricerche nel campo dell'elettricita'.

Schema del funzionamento della pompa sodio-potassio a livello della membrana cellulare

Circa un secolo dopo, queste scoperte portarono la luce elettrica, il telefono e la radio in milioni di case. Solo alcuni secoli piu' tardi, pero', si comprese che anche Galvani si era avvicinato alla verita'. A riprendere i suoi studi fu un fisiologo tedesco, Emil DuBois-Reymond, fondatore della moderna elettrofisiologia, che nel 1843 identifico' l’esistenza di campi elettrici endogeni all’interno di alcune ferite cutanee. Ma la definitiva consacrazione dell’intuizione avuta dal Galvani avvenne solo quando si scopri' che ciascuna cellula che compone i tessuti viventi ha una differenza di potenziale tra interno ed esterno della propria membrana, con l’interno della cellula negativo rispetto all’esterno della membrana. Tale differenza a riposo e' dovuta a una diversa concentrazione di ioni, fra cui i principali sono quelli del sodio (Na+) e del Potassio (K+), ma vanno ricordati anche gli ioni del Cloro (Cl-) e del Calcio (Ca++). Altra importante e piu' recente acquisizione e' che la membrana cellulare e' composta da canali ionici che, sotto certe condizioni, permettono selettivamente il passaggio degli ioni tra l’interno e l’esterno della membrana, funzionando cosi' come "porte capaci di ostacolare o facilitare il passaggio degli ioni.

Nel tempo, la ricerca e' stata in grado d’individuare canali ionici che impediscono o permettono l’attraversamento della membrana cellulare da parte di ogni tipo di ione. Gli studi di fisiologia umana applicati alla biologia cellulare inoltre ci hanno permsso di capire come si possano "stimolare" le cellule in modo da indurre un gradiente di potenziale che ne depolarizzi la membrana cellulare. In tal modo si cambia la permeabilita' della membrana e si determina l’apertura, per esempio, dei canali degli ioni Na+, il che determinera' un flusso di ioni positivi dall’esterno verso l’interno. Giunti a un punto massimo di concentrazione, seguira' la chiusura degli stessi canali e l’apertura di quelli sensibili agli ioni K+ con consequente ripolarizzazione

Rappresentazione grafica degli scambi a livello di due membrane cellulari contigue

della membrana e ritorno delle cariche positive all’esterno della cellula, fino a riottenere di nuovo, dopo pochi millesecondi, il potenziale a riposo. Tutte queste informazioni, se rendono il dovuto e seppur tardivo omaggio agli studi di Luigi Galvani, stabiliscono soprattutto che la Bioelettricita' e' un aspetto fondamentale che caratterizza tutti gli esseri viventi, inclusi gli animali e le piante, costituendo il fondamento stesso della vita. Oggi infatti sappiamo che i potenziali e le correnti bioelettiche sono generati da un’ampia varieta' di processi biologici che avvengono a livello cellulare. Le cellule usano la bioelettricita' per svolgere le loro funzioni, per attivare cambiamenti al proprio interno, per immagazzinare energia metabolica o per comunicare una con l’altra. Gli esempi piu' noti sono la trasmissione dell’informazione che avviene dal Cervello alla periferia attraverso gli impulsi elettrici che percorrono i neuroni o il meccanismo di contrazione sincrono che permette alle cellule dei muscoli di agire in maniera efficiente e contemporanea. Tutto cio' puo' avvenire, infatti, solo perche' l’innato sistema bioelettrico umano invia segnali elettrici che si avvagono dei ricordati diversi potenziali elettrici e del movimento degli ioni. Siccome le cellule sono strettamente vicine fra loro, il determinarsi di uno di questi potenziali influenza la cellula a fianco, trasferendosi lungo o all’interno dei tessuti, raggiungendo una potenza che arriva fino ad alcune centinaia di millivolts. Se questo e' il concetto base, la moderna bioelettricita' oggi e' oggetto di studio della elettrofisiologia che utilizza tecniche sempre piu' sofisticate per valutare e misurare quei flussi degli ioni nei tessuti biologici che sono in grado di dar luogo a ben noti fenomeni fisiologici, come per esempio il battito del cuore. Le applicazioni piu' note dello studio della bioelettricita' in sanita' sono certamente in campo diagnostico. Numerose indagini strumentali si fondano sull’originale concetto di differenza di potenziale per determinare se un organo funziona correttamente. Come e' noto, in queste comuni procedure, l’attivita' elettrica viene misurata o indotta tramite elettrodi appoggiati o inseriti nella cute. È il caso della elettrocardiografia (ECG), della elettromiografia (EMG) e della elettroencefalografia (EEC) che misura l’attivita' elettrica dei neuroni cerebrali. Piu' invasive, ma legate agli stessi principi di funzionamento, le tecniche ECG applicate durante un intervento chirurgico a cuore aperto, con gli elettrodi posti direttamente sulle pareti cardiache, e quelle per la elettrocorticografia (ECoG) in cui nell’ambito di un intervento di neurochirurgia gli elettrodi vengono applicati sulla corteccia cerebrale per monitorarne l’attivita' e guidare cosi' la mano del chirurgo. Anche in laboratorio ci sono diverse procedure che si avvalgono dei principi della bioelettricita' e della elettrofisiologia, e utilizzano microelettrodi inseriti in colture cellulari al fine di misurare i loro scambi ionici in diverse condizioni d’indagine. Il campo piu' affascinante, pero', appare quello dell’applicazione a fini terapeutici delle correnti bioelettriche. La tradizione racconta che fra i primi a tentarne l’uso ci fu un tale abate Nollet che con l'elettricita' provo' a guarire i paralitici, accelerare la crescita dei piccioni e abbreviare il tempo di germinazione dei semi. Probabilmente, pero', furono i cinesi i primi a sfruttare, in maniera inconsapevole, i campi bioelettrici che si creano inserendo nel corpo gli aghi metallici usati nel corso dell’agopuntura. Molto piu' recentemente sono state messe a punto tecnologie e sistemi che ricorrono alle scariche elettriche, le quali sono considerate salvavita nelle procedure di defribrillazione o quando sono inserite nei comuni pace-makers che regolano il ritmo e la funzionalita' del muscolo cardiaco. Ma la ricerca in elettrofisiologia ha fatto passi da giganti anche a fini antalgici,un campo in cui e' stata messa a punto la tecnica TENS (Transcutaneous Elettrical Nerve Stimulation) in grado di controllare diversi tipi di dolore, e in ortopedia e riabilitazione dove l’elettricita' applicata direttamente sulla zona traumatizzata aiuta la guarigione ossea in caso di fratture severe. Ultima frontiera, gli studi di dermatologia per sfruttare i campi bioelettrici nella cura delle lesioni cutanee e nell’antiaging, con la realizzazione di creme i cui componenti metallici, attivati, agiscono da piccole microbatterie rigeneranti.

Luigi Galvani, laureatosi in medicina e filosofia nel 1759, inizio' i suoi esperimenti per stabilire l'influenza dell'elettricita' sull'attivita' nervosa degli animali e, in particolare, delle rane. La sua ipotesi sulla esistenza di una "elettricita' intrinseca all’animale", ovvero, inscindibile dall’organismo vivente e contenuta - come in un serbatoio - all’interno dei vari tessuti, trovo' molti seguaci, soprattutto fra i fisiologi, ma anche feroci oppositori, fra cui Alessandro Volta che ne confuto' la tesi.