Vesículas, como células vivas, são "bolsas" envoltas por uma membrana de fluido que podem amortecer a carga molecular, como as drogas farmacêuticas. Se uma droga for encapsulada com sucesso em um portador de vesícula e o carreador permanecer intacto, pode ser entregue diretamente para tratamento terapêutico. Dentro do hospedeiro, as vesículas protegem a carga do medicamento e podem visar com eficiência as células receptoras para entregar os medicamentos com segurança. Este tipo de entrega "direcionada" oferece vantagens sobre métodos mais extremos de tratamento, como quimioterapia, que pode danificar células saudáveis ​​no hospedeiro.

Um grande desafio que a entrega de medicamentos direcionados enfrenta hoje é "carregar" eficientemente um medicamento em um transportador sem comprometer a integridade estrutural do transportador. Um método recentemente proposto e promissor é deformar mecanicamente um transportador, espremendo-o através de um estreito, constrição em microescala. Essa deformação mecânica cria poros transitórios na membrana transportadora - também conhecida como "mecanoporação" - para aumentar a permeabilidade da membrana às macromoléculas e promover a absorção eficiente de drogas.

Embora este método seja promissor, existem riscos associados à ruptura da membrana quando o portador é deformado.

Durante a 88ª Reunião Anual da Sociedade de Reologia, sendo realizada de 12 a 16 de fevereiro, em Tampa, Flórida, Joseph Barakat, candidato ao doutorado em engenharia química na Universidade de Stanford, apresentará seu trabalho para desenvolver um modelo de compressão de vesículas que pode ser usado para prever e otimizar procedimentos de carregamento de drogas.

"Um modelo preciso pode ter um incrível poder preditivo e contornar a necessidade de um conjunto exaustivo de experimentos, que pode ser proibitivo em termos de custo ou tempo, "ele explicou." Para este fim, meu objetivo é fornecer critérios de projeto racionais para a manipulação delicada de transportadores de drogas para carregar moléculas farmacêuticas de forma eficiente sem romper a membrana transportadora. "

O trabalho de Barakat é apoiado pela National Science Foundation sob a supervisão do Professor Eric Shaqfeh, cujo grupo de pesquisa fez uma abordagem fundamental para modelar vesículas em fluxo de fluido.

O modelo leva em consideração as equações de fluxo de fluido e mecânica de membrana. Essas equações são complicadas e, em geral, requerem um computador para sua solução. "Nas minhas simulações de computador, Eu prevejo quão rápido uma vesícula se move em resposta a uma pressão aplicada, bem como o quão tensa a membrana se torna sob a ação da fricção do fluido, "Barakat explicou." Essas métricas são importantes para a manipulação prática das vesículas.

O verdadeiro significado do trabalho de Barakat é que, embora a compressão de células tenha recebido atenção limitada na literatura científica, ele conseguiu resolver alguns problemas pendentes.

Primeiro, ele mostrou como a tensão da membrana aumenta com o confinamento do fluxo, o que tem implicações para a absorção da droga. "Isso implica que esvaziar modestamente uma vesícula - por meio de um desequilíbrio osmótico suave - pode evitar a ruptura durante a compressão, "Barakat apontou.

Barakat também identificou o "limite geométrico" para a ruptura da membrana da vesícula como um diâmetro mínimo do canal. "Este limite, que depende da forma e do tamanho da vesícula, pode ser usado para escolher as dimensões adequadas para um aparelho espremedor de vesículas, no interesse de evitar a ruptura, " ele disse.

Uma das aplicações diretas para o trabalho de Barakat é o design racional de dispositivos microfluídicos para mecanoporação de vesículas e subsequente absorção de drogas. "Minhas previsões permitirão um design mais inteligente de dispositivos microfluídicos para capturar e deformar vesículas de qualquer tamanho e forma com razoável facilidade e alto rendimento, "Barakat disse.

Além disso, seu trabalho fornece os requisitos de energia (pressão motriz), modos antecipados de falha (ruptura da membrana), e como evitar o fracasso. "A aplicação mais ampla da minha teoria é predizer como as células se comportam sob confinamento, "Barakat explicou. Isso é importante para prever a invasão de células cancerosas através de redes porosas dentro do corpo, em termos de quão rápido as células estão se movendo e quanta resistência elas encontram. As respostas a essas perguntas podem ser usadas para retardar a metástase do câncer.

O trabalho futuro de Barakat se concentrará em estender sua teoria para incorporar um modelo de permeação de drogas através da membrana que leva em consideração a tensão da membrana, e esta modelagem, Barakat disse, "poderia então ser comparado às medições existentes com moléculas marcadas com fluorescência sendo carregadas em um transportador de droga - trazendo o círculo completo do modelo para a aplicação direta."