Onderzoekers van Houston Methodist en Rice University hebben een ontdekking gedaan die van invloed zal zijn op het ontwerp van niet alleen medicijnafgiftesystemen, maar ook de ontwikkeling van nieuwere toepassingen in waterfiltratie en energieproductie.

Ze deden deze ontdekking terwijl ze onderzochten hoe de medicijnmoleculen in oplossing door een nanokanaalsysteem voor medicijnafgifte reizen dat is ontwikkeld door Alessandro Grattoni, doctoraat, voorzitter van de afdeling Nanomedicine van het Houston Methodist Research Institute.

De bevindingen van het team worden beschreven in een artikel met de titel "Onverwacht gedrag in moleculair transport door op grootte gecontroleerde nanokanalen tot op ultra-nanoschaal" in Natuurcommunicatie , een multidisciplinair tijdschrift gewijd aan het publiceren van onderzoek in de biologische, fysische en chemische wetenschappen.

Dit nanochannel delivery system (nDS), ontworpen door Grattoni en Mauro Ferrari, doctoraat, president en CEO van het Houston Methodist Research Institute, en collega's, is een membraan dat fungeert als een filter met honderdduizenden uniforme kanalen op nanoschaal. Het membraan is gemaakt met halfgeleidertechnologieën die gewoonlijk worden gebruikt voor het vervaardigen van computermicrochips.

"Ons laboratorium ontwikkelt implanteerbare systemen voor gecontroleerde medicijnafgifte om chronische ziekten gedurende langere tijd te behandelen, " zei Grattoni, de hoofdauteur. "Deze implantaten gebruiken silicium nanofluïdische membranen, die elk een precies aantal identieke nanokanalen hebben."

Deze toonaangevende membraantechnologie, bestudeerd door Houston Methodist, biedt belangrijke eigenschappen voor gebruik in een implantaat voor medicijnafgifte:mechanische robuustheid, biochemische inertie en hoge dichtheid van nanokanalen die medicijnafgifte in klinische doses vanuit een klein membraan mogelijk maken.

"We zijn geïnteresseerd in een beter begrip van wat er in deze kanalen gebeurt en op welke manier het medicijn er doorheen reist, ' zei Grattoni. 'Vooral, we richten ons op de fysica die ten grondslag ligt aan het transport over deze membranen. Dit inzicht kan ook nuttig zijn bij de winning van aardgas, productie van hernieuwbare energie, en in vloeistof- en waterfiltratie."

Grattoni zegt dat er veel verschillende toepassingen zijn voor deze technologie. In het kader van de levering van medicijnen, dit platform wordt beschouwd als 'drug-agnostisch, ' wat simpelweg betekent dat dezelfde membraantechnologie kan worden gebruikt voor een breed spectrum aan medicijnen, en alleen de grootte van het kanaal moet worden aangepast. De resultaten van dit onderzoek geven nieuw inzicht in de kanaalfunctie.

Omdat medicijnen van verschillende grootte variëren in molecuulgewicht, kenmerken en eigenschappen, het team ontwikkelde experimenteel een algoritme voor het selecteren van het nanokanaal van de grootte dat het meest geschikt is om voor elk medicijn te gebruiken.

Door ze op de proef te stellen, echter, ze ontdekten intrigerend, onverwacht moleculair gedrag in deze kanalen. Ze ontdekten dit door kanalen te bestuderen die zo klein zijn dat ze qua grootte vergelijkbaar zijn met de medicijnmoleculen. specifiek, ze gebruikten nanokanalen van slechts 2,5 nanometer groot, bijna 20, 000 keer kleiner dan een mensenhaar of 2,5 miljardste van een meter, op een schaal die wordt gedefinieerd als de 'ultra-nanoschaal'. In deze kleine ruimtes, moleculen interageren zo sterk met de kanalen dat hun transport aanzienlijk wordt gewijzigd.

Om deze verschillen te testen, het onderzoeksteam nam hun membranen en ontwikkelde ze met verschillende kanaalgroottes, gaan in incrementele stappen van zeer kleine kanalen op de ultra-nanoschaal helemaal tot bijna de micronschaal, variërend van 2,5 tot 250 nanometer breed. Hun bedoeling was om van zeer kleine naar zeer grote kanalen te gaan met continuïteit, zodat ze schaaleigenschappen konden bestuderen.

"Mijn rol was het tot het uiterste duwen van de wiskundige en theoretische beschrijving, zodat we konden testen of wat we observeerden iets nieuws was of niet, " zei Rice theoretisch fysicus en co-auteur Alberto Pimpinelli, doctoraat "Met deze hulpmiddelen we kunnen theorieën uitwerken die superieur zijn aan alle bestaande, omdat experimenten met zo'n precisie kunnen worden gedaan."

Ze merkten op dat moleculen met positieve en negatieve ladingen zich gedroegen zoals verwacht toen ze de kleine kanaaltjes naderden en erdoor gingen. Geen verrassingen daar. Echter, als het ging om neutrale moleculen, die naar verwachting niet zouden worden beïnvloed door kosten, ze gedroegen zich ongewoon alsof ze een lading droegen, wat een geheel mysterieus resultaat was dat ze niet konden verklaren met de huidige moleculaire transporttheorieën.

Aanvullend, voor alle moleculen - positief, negatief en neutraal - ze zagen een zeer steile, abrupte afname van transportsnelheid en diffusie over het membraan op ultra-nanoschaal, onder een nanokanaalgrootte van 5 nanometer.

"In de krant, we probeerden reeds beschikbare theorieën te gebruiken om deze onverwachte effecten te verklaren en analyseerden verschillende wiskundige modellen, "Zei Grattoni. "Echter, we realiseerden ons dat die modellen geen van deze factoren konden verklaren, die ons vertelde dat we iets nieuws aan het observeren waren dat nog niet eerder is vertoond."

Daten, theorieën beschrijven het transport van moleculen en vloeistof bijna als een continuüm. Echter, Grattoni zegt, nu moeten wetenschappers beginnen met het beschouwen van de discrete aard van deeltjes, met eindige moleculaire volumes, te kunnen verklaren wat er in deze onderzoeken is waargenomen.

"We zullen nieuwe modellen moeten ontwikkelen waarbij we de vloeistof gaan beschouwen als de som van de individuele deeltjes met een zeer specifiek volume en vorm, tot aan het molecuul, " zei hij. "Tot nu toe, er waren bepaalde algoritmen die dit bepaalden, maar nu moeten we een andere variabele toevoegen met de introductie van moleculaire invloed."

Pimpinelli voegt toe, "Deze resultaten zijn interessant, omdat ze ons theoretisch begrip uitdagen van hoe het transport van eenvoudige maar geladen moleculen naar een relatief eenvoudige omgeving werkt wanneer de schaal in de orde van enkele nanometers is. Hier zal zeker nieuw begrip uit voortkomen."