Difusão de químicos em estruturas celulares


A forma preferencial de transmissão de informação na biologia é química. No sistema nervoso, por exemplo, a comunicação entre neurônios se dá pela liberação de substâncias nas junções sinápticas. Estas substâncias, os neurotransmissores e neuromoduladores, são armazenadas em pequenas bolsas esféricas de membrana bi-lipídica, lipossomos chamados de vesículos sinápticos, no lado pre-sináptico. A atividade elétrica do neurônio pre-sináptico causa a fusão dos vesículos na membrana celular formadora da sinapse e o seu conteúdo é expelido no meio extracelular, dando origem a um sinal quimico local que é interpretado pelo neurônio pós-sináptico através de proteinas transmenbranas específicas. Os detalhes de como o lipossomo funde na membrana ainda são desconhecidos.


Além de se constituir em um problema científico fundamental, o entendimento e posterior desenvolvimento de uma tecnologia para o uso de lipossomos para liberação de medicamentos é de grande interesse para a industria farmacêutica. Isto porque lipossomos podem, em princípio, ser programados artificialmente para liberar seu conteúdo em áreas ou condições específicas no organismo, assim como acontece nas sinapses. Desta forma o medicamente agiria mais rapidamente e com menos efeitos colaterais.


Recentemente desenvolvemos um modelo para as propriedades elásticas da membrana bi-lipídica com o fim específico de entender como um lipossomo carregando substâncias químicas reage quando é posto em um meio menos concentrado (Levin e Idiart 2004). O choque osmótico é uma das possibilidades que se especula para liberação artificial de medicamentos usando lipossomos. O modelo desenvolvido consiste em um conjunto de equações hidrodinâmicas que regem o tamanho do lipossomo, a concentração interna de soluto e o tamanho do poro por onde o conteúdo é liberado. Um diagrama de fases para a estabilidade do poro e diferentes regimes de escala foi obtido (Idiart e Levin 2004). No modelo o conteúdo é liberado convectivamente, ou seja, através da expulsão do líquido interno que carrega a substância. Mas existe a possibilidade que, concorrentemente, a substância seja liberada difusivamente. E este fenômeno passa a ser dominante quando o lipossomo se aproxima dos tamanhos fisiológicos, por exemplo para sinapses os diâmetros são de 50 nm. Assim o próximo passo foi o estudo da difusão através de simulações de Monte Carlo onde o movimento de cada partícula, modelado como um caminhar aleatório, é seguido até a sua saída do lipossomo (Levin, Idiart e Arenzon 2004a e b).


Com as simulações foi possível estabelecer leis de escala que são relativamente independente de detalhes da geometria dos lipossomos. Pretendemos no futuro aprimorar o modelo de difusão e sua incorporação no modelo principal. A combinação dos diversos ingredientes que tornam o modelo mais realístico também o tornam mais difícil de ser tratado. É de se esperar que daqui para frente os resultados passem a depender exclusivamente de técnicas númericas e simulações de Monte Carlo. Sem o feedback direto de expressões analíticas se faz premente que o modelo seja comparado muito de perto com experimentos, como forma de validá-lo.