Investigadores de la Universidad Metodista de Houston y Rice han hecho un descubrimiento que impactará el diseño no solo de los sistemas de suministro de medicamentos, sino también el desarrollo de nuevas aplicaciones en filtración de agua y producción de energía.
Hicieron este descubrimiento mientras investigaban cómo las moléculas del fármaco en solución viajan a través de un sistema de administración de fármacos por nanocanales desarrollado por Alessandro Grattoni, Ph.D., presidente del Departamento de Nanomedicina del Instituto de Investigación Metodista de Houston.
Los hallazgos del equipo se describen en un artículo titulado "Comportamientos inesperados en el transporte molecular a través de nanocanales controlados por tamaño hasta la ultra nanoescala" en Comunicaciones de la naturaleza , una revista multidisciplinaria dedicada a publicar investigaciones en ciencias biológicas, físicas y químicas.
Este sistema de entrega de nanocanales nDS, diseñado por Grattoni y Mauro Ferrari, Ph.D., presidente y CEO del Houston Methodist Research Institute, y sus colegas, es una membrana que actúa como un filtro con cientos de miles de nanoescalas uniformes.canales. La membrana se crea con tecnologías de semiconductores comúnmente adoptadas para fabricar microchips de computadora.
"Nuestro laboratorio desarrolla sistemas implantables para el suministro controlado de medicamentos para tratar enfermedades crónicas durante largos períodos de tiempo", dijo Grattoni, el autor principal. "Estos implantes usan membranas nanofluídicas de silicio, cada una de las cuales tiene un número preciso de nanocanales idénticos".
Esta tecnología de membrana de vanguardia estudiada en Houston Methodist presenta propiedades clave para su uso en un implante de administración de medicamentos: robustez mecánica, inercia bioquímica y alta densidad de nanocanales que permiten la administración de medicamentos a dosis clínicas desde una membrana pequeña.
"Estamos interesados en comprender mejor lo que sucede dentro de estos canales y de qué manera la droga viaja a través de ellos", dijo Grattoni. "En particular, nos estamos centrando en la física que subyace en el transporte a través de estas membranas. Esta información también podría serútil en la extracción de gas natural, producción de energía renovable y en filtración de fluidos y agua "
Grattoni dice que hay muchas aplicaciones diferentes para esta tecnología. En el contexto del suministro de medicamentos, esta plataforma se considera "independiente de los medicamentos", lo que simplemente significa que la misma tecnología de membrana se puede usar para un amplio espectro de medicamentos, y solo elel tamaño del canal es lo que necesita ser personalizado. Los resultados de este estudio proporcionan una nueva visión de la función del canal.
Dado que los medicamentos de diferentes tamaños varían en peso molecular, características y propiedades, el equipo desarrolló experimentalmente un algoritmo para seleccionar el nanocanal de tamaño que es el más apropiado para usar para cada medicamento.
Sin embargo, al ponerlos a prueba, descubrieron un comportamiento molecular intrigante e inesperado en estos canales. Encontraron esto estudiando canales tan pequeños que son comparables en tamaño a las moléculas del fármaco. Específicamente, usaron nanocanales de solo 2.5 nanómetrosde tamaño, casi 20,000 veces más pequeño que un cabello humano o 2.5 billonésimas de metro, a una escala definida como la 'ultra-nanoescala'. En estos espacios pequeños, las moléculas interactúan con los canales con tanta fuerza que su transporte se ve sustancialmente alterado.
Para probar estas diferencias, el equipo de investigación tomó sus membranas y las desarrolló con diferentes tamaños de canales, yendo en pasos incrementales desde canales muy pequeños en la ultra-nanoescala hasta casi la escala de micras, que van desde 2.5 a 250 nanómetrosde ancho. Su intención era ir de canales muy pequeños a muy grandes con continuidad, para que pudieran estudiar las propiedades de escala.
"Mi parte fue llevar la descripción matemática y teórica a sus límites, para que pudiéramos probar si lo que estábamos observando era algo nuevo o no", dijo el físico teórico y coautor de Rice, Alberto Pimpinelli, Ph.D. "Con estosherramientas, podemos elaborar teorías que son superiores a las existentes, porque los experimentos se pueden hacer con tanta precisión ".
Observaron que las moléculas con cargas positivas y negativas se comportaron de la manera esperada a medida que se acercaban y pasaban por los pequeños canales. No hubo sorpresas allí. Sin embargo, cuando se trataba de moléculas neutrales, que se esperaba que no se vieran afectadas por las cargas, se comportaron de manera inusualcomo si llevaran una carga, que fue un resultado totalmente misterioso que no pudieron explicar con las actuales teorías de transporte molecular.
Además, para todas las moléculas, positivas, negativas y neutras, observaron una disminución abrupta y muy pronunciada en la velocidad de transporte y la difusividad a través de la membrana a ultra nanoescala, por debajo de un tamaño de nanocanal de 5 nanómetros.
"En el documento, intentamos usar teorías ya disponibles para explicar estos efectos inesperados y analizamos varios modelos matemáticos", dijo Grattoni. "Sin embargo, nos dimos cuenta de que esos modelos eran incapaces de explicar ninguno de estos factores, lo que nos decía que estábamos observandoalgo novedoso que no se haya mostrado antes "
Hasta la fecha, las teorías han descrito que el transporte de moléculas y fluidos es casi como un continuo. Sin embargo, dice Grattoni, ahora los científicos deben comenzar a considerar la naturaleza discreta de las partículas, que poseen volúmenes moleculares finitos, para poder explicar lo que eraobservado en estos estudios.
"Tendremos que desarrollar nuevos modelos donde comenzaremos a considerar el fluido como la suma de las partículas individuales con un volumen y forma muy específicos, hasta la molécula", dijo. "Hasta ahora, había ciertos algoritmos que determinaban esto,pero ahora debemos agregar otra variable con la introducción de la influencia molecular "
Pimpinelli agrega: "Estos resultados son interesantes, porque desafían nuestra comprensión teórica de cómo funciona el transporte de moléculas simples pero cargadas a un entorno relativamente simple cuando la escala es del orden de unos pocos nanómetros. Definitivamente surgirá una nueva comprensiónde esta."
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Materiales proporcionados por Metodista de Houston . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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