Xiaohui "Frank" Zhang integreert natuurkunde, immunologie en biologie om een ​​"nanodevice" te ontwikkelen dat een nieuwe behandeling voor beroerte zou kunnen bieden, trombose en atherosclerose.

Zhang, assistent-professor werktuigbouwkunde en mechanica en faculteitslid in het bio-engineeringprogramma, leidt een interdisciplinair onderzoeksteam dat medicijnen wil leveren aan bepaalde delen van het menselijk lichaam.

Hun apparaat is tientallen nanometers groot.

De onderzoekers bestuderen mechanosensing - hoe cellen mechanische stimuli voelen en erop reageren. Mechanosensing is cruciaal bij de ontwikkeling van weefsels en de progressie van hart- en vaatziekten.

“Van de drie fundamentele manieren waarop cellen met elkaar communiceren – chemisch, elektrisch en mechanisch - de laatste wordt verreweg het minst begrepen, ', zegt Zhang.

Een van de redenen waarom mechanosensing niet uitgebreid wordt bestudeerd, is omdat de mechanische krachten die op cellen worden uitgeoefend op moleculair niveau plaatsvinden, hij zegt.

"Het is erg moeilijk om kracht op moleculen te meten en uit te oefenen."

Een nano-apparaat met een mechanische schakelaar

Zhang gebruikt krachtspectroscopie met één molecuul om te controleren, mechanische krachten manipuleren en meten. Met optische pincet, hij oefent minieme krachten uit op monsters en registreert de dynamiek van eiwitconformatie en mechanische respons in realtime.

Zijn team bestudeert integrine, een eiwitmolecuul dat dient als een mechanische sensor om signalen over het celmembraan te verzenden. De hypothese is dat integrine van vorm zal veranderen als reactie op mechanische stimuli, en fungeert daardoor als een "schakelaar" om een ​​signaal uit te zenden.

Het team bestudeert ook de overdracht van mechanische signalen over het celmembraan en bewaakt de wisselwerking tussen mechanische signalen en biochemische activiteiten. Het doel is om een ​​mechanisch schakelbaar nanodevice te ontwikkelen voor gerichte medicamenteuze therapie.

“Als je een medicijn in de bloedbaan brengt, het verspreidt zich door het hele lichaam, ', zegt Zhang. “Een nanodevice zou een medicijn door de bloedbaan naar een specifieke locatie kunnen vervoeren. Wanneer geactiveerd door mechanische stimuli, het zou een vormverandering ondergaan en zijn voorgeladen medicijn vrijgeven.

Nanodevices kunnen worden gebruikt bij biosensing en diagnose, en zou kunnen helpen om goedkope, behandeling met lage bijwerkingen van trombose, beroerte en atherosclerose.

Het team van Zhang ontwerpt een polymeer dat een bloedstollingsmolecuul nabootst, de von Willebrand Factor (vWF), die zich bindt met bloedplaatjes tijdens een snelle bloedstroom.

Uit verschillende interesses, een enkel doel

Zhang behaalde een B.S. in de natuurkunde, studeerde fysiologie en biofysica in de medische school, en opgeleid in immunologie voordat hij bij de faculteit kwam.

Deze diverse achtergrond leidde hem naar de mechanobiologie, waarin technieken uit de natuurkunde zijn verwerkt, biologie, scheikunde, computersimulatie en polymeersynthese.

Zijn team bij Lehigh bestaat uit een postdoctoraal onderzoeker in de natuurkunde, een onderzoeksmedewerker met een medische opleiding, en studenten biologie, techniek en natuurkunde.

“Iedereen brengt iets anders op tafel, ' zegt hij.

Lehigh's nadruk op interdisciplinair onderzoek, zegt Zhang, sluit aan bij zijn onderzoeksfocus.

“De echte opwinding van dit project is dat we de natuur proberen te begrijpen. Dat vereist een interdisciplinaire benadering om te bepalen hoe het molecuul werkt. Er is geen betere plek om dit te doen dan in Lehigh.”