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Il trasporto a membrana è uno dei concetti fondamentali insegnati agli studenti universitari di tutte le principali discipline delle scienze biologiche, di base o applicate. Tradizionalmente, il movimento attraverso le membrane è stato visualizzato utilizzando metaboliti marcati con isotopi radioattivi. Tuttavia, questi metodi sono estremamente pericolosi e non fattibili per l'insegnamento o l'apprendimento. Sebbene l'apprendimento esperienziale sia la migliore tecnica pedagogica per comprendere concetti così complessi, è una sfida che è ulteriormente aggravata dalla mancanza di infrastrutture, dai costosi coloranti/metaboliti a base di fluorescenza e, soprattutto, dal divieto di esperimenti di dissezione animale. Pertanto, è necessario sviluppare strumenti e metodi alternativi che non siano solo sicuri, ma anche economici e fattibili in un ambiente di laboratorio universitario. Qui, è stato sviluppato un nuovo metodo per l'insegnamento del trasporto a membrana per gli studenti universitari. Il protocollo riportato, un adattamento di Agar et al. 19548, dimostra il trasporto attivo unidirezionale di membrana dell'istidina attraverso le cellule intestinali di capra. Questo studio è stato intrapreso per dimostrare l'uso di un test basato sulla colorimetria per visualizzare l'assorbimento dell'istidina attraverso le membrane intestinali. È semplice, riproducibile e comprensibile per gli studenti e può essere svolto in qualsiasi ambiente di laboratorio.
Il modello del sacco intestinale invertito è stato sviluppato per la prima volta da Wilson e Wiseman10, che è stato successivamente migliorato per aumentare la vitalità dei tessuti. I meccanismi e la cinetica dell'assorbimento dei farmaci sono stati chiariti utilizzando le sacche intestinali invertite11. I vantaggi di questo modello includono un'ampia area per l'assorbimento; Tuttavia, la vitalità dei tessuti è uno dei parametri limitanti. È stato riportato che il tessuto intestinale rimane vitale e metabolicamente attivo in condizioni fisiologiche per ~2 oree 11. Un altro potenziale avvertimento di questo approccio che deve essere preso in considerazione è l'incapacità di rimuovere la mucosa muscolare e la sierosa dai preparati a sacco invertito. Il legame di alcuni composti allo strato muscolare può limitare o sottostimare il trasporto di questi composti. Sebbene il modello del sacco intestinale invertito sia sensibile che specifico, una varietà di fattori potrebbe influire sui risultati. Alcuni di questi fattori includono l'età, il sesso, la specie, la dieta e lo stato di malattia dell'animale, nonché il segmento dell'intestino utilizzato per l'analisi (ileo, digiuno, duodeno e colon). Anche fattori ambientali come il pH, l'aerazione e la temperatura influenzerebbero i risultati12.
È stato dimostrato che il ritardo nel prelievo dell'intestino e dello stato animale (vivo/morto) influisce sul trasporto attivo nei segmenti duodenali dell'intestino di ratto. La raccolta da animali anestetizzati garantisce un ritardo minimo, evitando il deterioramento del trasportatore13. Tuttavia, alla luce del divieto di dissezione animale nelle università, nella nostra configurazione sperimentale sono stati utilizzati intestini di animali appena sacrificati. Sebbene questo protocollo possa essere utilizzato con successo per stabilire un assorbimento qualitativo di un metabolita attraverso gli enterociti, il suo utilizzo in studi che coinvolgono la cinetica di trasporto di membrana è limitante. La fase più critica di questo protocollo è la preparazione di sacche intestinali invertite a prova di perdite con enterociti vitali. La natura delicata e la vitalità dei villi e degli enterociti rappresentano una sfida, che può essere superata con la pratica. Inoltre, dato che il materiale di partenza non proviene da alcuna popolazione animale consanguinea e singenica, la variabilità dei risultati tra gli esperimenti è uno svantaggio significativo. Questo può essere superato con l'uso di più repliche dello stesso animale. Tenendo presenti queste considerazioni, il metodo presentato in questo studio deve essere rigorosamente utilizzato come strumento pedagogico nella formazione pratica universitaria.
Il protocollo delineato è stato utilizzato con successo per dimostrare il trasporto dell'istidina. L'assorbimento unidirezionale sia del sodio che dell'istidina nelle sacche invertite indica un tipo di trasporto attivo secondario simport. L'assorbimento intestinale degli amminoacidi neutri segue una cinetica vettoriale che dipende dal gradiente di concentrazione impostato dalla Na+ K+ ATPasi. Una configurazione simile mantiene un potenziale di membrana negativo intracellulare e una concentrazione di sodio extracellulare di 150 mM. Entrambi guidano il trasporto attivo di amminoacidi neutri da parte di B0AT all'estremità apicale e il successivo movimento fuori dall'enterocita all'estremità basolaterale da parte di LAT1. È interessante notare che, a concentrazioni di sale più elevate (200 mM), non c'era alcuna differenza significativa nell'assorbimento in funzione del tempo. A questo punto, non possiamo commentare il motivo di tale osservazione; tuttavia, la stessa configurazione sperimentale può essere ampliata per includere più concentrazioni di sodio con punti temporali variabili e controlli con 150 mM di cloruro di colina per mostrare il trasporto sodio-dipendente e il possibile contributo dovuto alla saturazione.
In linea di principio, le sacche di digiuno rovesciate di capra/maiale/ratto/topo possono essere utilizzate per dimostrare l'assorbimento intestinale di una varietà di metaboliti alimentari, a condizione che vi sia un test biochimico per la stima. Inoltre, è possibile analizzare l'effetto di altri componenti che potrebbero potenzialmente interferire con l'assorbimento intestinale o gli inibitori del trasporto di membrana. Le sacche invertite sono state utilizzate in modo efficiente come strumento nella ricerca farmaceutica per studiare l'assorbimento dei farmaci in vitro , il metabolismo intestinale dei farmaci e il ruolo del trasportatore nell'assorbimento dei farmaci. Infine, questa tecnica è un esempio di dimostrazione ex vivo del trasporto di membrana e non si basa su un estratto privo di cellule (in vitro) ma su un campione di tessuto. Tuttavia, questo vantaggio è compensato dalla disponibilità di intestini di capra/suino/ratto non infetti, che possono essere un fattore limitante.
Tra i molti strumenti pedagogici a disposizione di un insegnante per migliorare il processo di apprendimento, l'apprendimento esperienziale o "learning by doing" è una filosofia e una metodologia di insegnamento che è il metodo di istruzione più progressivo ed efficace che offre agli studenti l'opportunità di ottenere una comprensione olistica degli argomenti delle lezioni. L'apprendimento esperienziale garantisce il coinvolgimento pratico degli studenti e dell'istruttore, che fornisce supporto e tutoraggio durante questo processo di apprendimento attivo14. Serve come un'eccellente alternativa all'istruzione teorica tradizionale in classe, in particolare in alcuni concetti pesanti e integrativi come il trasporto a membrana che gli studenti spesso trovano difficile da immaginare. Tali esercizi incoraggerebbero anche l'apprendimento interattivo e collaborativo sia da parte dei pari che dei mentori. La presente iniziativa è un passo avanti nella direzione di creare e consentire un'esperienza di apprendimento che non sia solo informativa ma anche memorabile e possa essere trasformativa per uno studente, con un impatto significativo sull'esperienza di apprendimento complessiva.