p Pesquisadores da Houston Methodist e da Rice University fizeram uma descoberta que afetará o projeto não apenas de sistemas de entrega de medicamentos, mas também o desenvolvimento de novas aplicações em filtragem de água e produção de energia. p Eles fizeram essa descoberta enquanto investigavam como as moléculas da droga em solução viajam através de um sistema de entrega de drogas nanocanal desenvolvido por Alessandro Grattoni, Ph.D., presidente do Departamento de Nanomedicina do Houston Methodist Research Institute.

p As descobertas da equipe são descritas em um artigo intitulado "Comportamentos inesperados no transporte molecular através de nanocanais de tamanho controlado até a ultra-nanoescala" em Nature Communications , um jornal multidisciplinar dedicado a publicar pesquisas na área biológica, ciências físicas e químicas.

p Este sistema de entrega de nanocanal (nDS), desenhado por Grattoni e Mauro Ferrari, Ph.D., presidente e CEO do Houston Methodist Research Institute, e colegas, é uma membrana que atua como um filtro com centenas de milhares de canais uniformes em nanoescala. A membrana é criada com tecnologias de semicondutor comumente adotadas para a fabricação de microchips de computador.

p "Nosso laboratório desenvolve sistemas implantáveis ​​para entrega controlada de medicamentos para tratar doenças crônicas por longos períodos de tempo, "disse Grattoni, o autor principal. "Esses implantes usam membranas nanofluídicas de silício, cada um dos quais tem um número preciso de nanocanais idênticos. "

p Esta tecnologia de membrana de ponta estudada na Houston Methodist apresenta propriedades essenciais para uso em um implante de entrega de drogas - robustez mecânica, inércia bioquímica e alta densidade de nanocanais que permitem a entrega de drogas em doses clínicas a partir de uma minúscula membrana.

p “Estamos interessados ​​em entender melhor o que acontece dentro desses canais e de que forma a droga viaja por eles, "Grattoni disse." Particularmente, estamos nos concentrando na física que fundamenta o transporte através dessas membranas. Essa percepção também pode ser útil na extração de gás natural, produção de energia renovável, e na filtração de fluidos e água. "

p Grattoni diz que existem muitas aplicações diferentes para essa tecnologia. No contexto da entrega de drogas, esta plataforma é considerada 'agnóstica quanto a drogas, 'que significa simplesmente que a mesma tecnologia de membrana pode ser usada para um amplo espectro de drogas, e apenas o tamanho do canal é o que precisa ser personalizado. Os resultados deste estudo fornecem uma nova visão sobre a função do canal.

p Uma vez que drogas de tamanhos diferentes variam em peso molecular, características e propriedades, a equipe desenvolveu experimentalmente um algoritmo para selecionar o nanocanal de tamanho mais adequado para cada droga.

p Ao colocá-los à prova, Contudo, eles descobriram o intrigante, comportamento molecular inesperado nesses canais. Eles descobriram isso estudando canais tão pequenos que são comparáveis ​​em tamanho às moléculas do medicamento. Especificamente, eles usaram nanocanais de apenas 2,5 nanômetros de tamanho, quase 20, 000 vezes menor que um cabelo humano ou 2,5 bilionésimos de metro, em uma escala definida como 'ultra-nanoescala'. Nestes pequenos espaços, as moléculas interagem com os canais tão fortemente que seu transporte é substancialmente alterado.

p Para testar essas diferenças, a equipe de pesquisa pegou suas membranas e as desenvolveu com diferentes tamanhos de canal, indo em etapas incrementais de canais muito pequenos na escala ultra-nano até quase a escala do mícron, variando de 2,5 a 250 nanômetros de largura. A intenção deles era ir de canais muito pequenos para canais muito grandes com continuidade, para que eles pudessem estudar as propriedades de dimensionamento.

p "Minha parte foi levar a descrição matemática e teórica ao seu limite, para que pudéssemos testar se o que estávamos observando era algo novo ou não, "disse o físico teórico de Rice e co-autor Alberto Pimpinelli, Ph.D. "Com essas ferramentas, podemos elaborar teorias que são superiores a qualquer outra existente, porque os experimentos podem ser feitos com essa precisão. "

p Eles observaram que as moléculas com cargas positivas e negativas se comportavam como esperado conforme se aproximavam e passavam pelos minúsculos canais. Sem surpresas aí. Contudo, quando se trata de moléculas neutras, que não deveriam ser afetados pelas cobranças, eles se comportaram estranhamente como se estivessem carregando uma carga, o que foi um resultado totalmente misterioso que eles não podiam explicar com as teorias atuais de transporte molecular.

p Adicionalmente, para todas as moléculas - positivo, negativo e neutro - eles observaram uma inclinação muito acentuada, diminuição abrupta na taxa de transporte e difusividade através da membrana em ultra-nanoescala, abaixo de um tamanho de nanocanal de 5 nanômetros.

p "No papel, tentamos usar teorias já disponíveis para explicar esses efeitos inesperados e analisamos vários modelos matemáticos, "Grattoni disse." No entanto, percebemos que esses modelos eram incapazes de explicar qualquer um desses fatores, que nos disse que estávamos observando algo novo que não havia sido mostrado antes. "

p A data, teorias têm descrito o transporte de moléculas e fluidos como sendo quase um continuum. Contudo, Grattoni diz, agora os cientistas devem começar a considerar a natureza discreta das partículas, possuindo volumes moleculares finitos, ser capaz de explicar o que foi observado nesses estudos.

p “Teremos que desenvolver novos modelos onde começaremos a considerar o fluido como a soma das partículas individuais com volume e forma muito específicos, até a molécula, "disse ele." Até agora, havia certos algoritmos determinando isso, mas agora devemos adicionar outra variável com a introdução da influência molecular. "

p Pimpinelli acrescenta, "Esses resultados são interessantes, porque eles desafiam nossa compreensão teórica de como funciona o transporte de moléculas simples, mas carregadas em um ambiente relativamente simples, quando a escala está na ordem de alguns nanômetros. Definitivamente, alguma nova compreensão resultará disso. "