Blåsor, som levande celler, är membranomslutna "väskor" av vätska som kan dämpa molekylär last, såsom farmaceutiska läkemedel. Om ett läkemedel framgångsrikt inkapslas i en vesikelbärare och bäraren förblir intakt, det kan levereras direkt för terapeutisk behandling. Inuti värden, vesiklar skyddar läkemedelslasten och kan effektivt rikta mottagarceller för att leverera läkemedlen på ett säkert sätt. Denna typ av "riktad" leverans ger fördelar jämfört med mer extrema behandlingsmetoder som kemoterapi, som kan skada friska celler i värden.

En stor utmaning som riktade läkemedelsleveranser står inför idag är att effektivt "ladda" ett läkemedel i en bärare utan att äventyra bärarens strukturella integritet. En nyligen föreslagen och lovande metod är att mekaniskt deformera en bärare genom att klämma den genom en smal, sammandragning av mikroskala. Denna mekaniska deformation skapar övergående porer i bärarmembranet - även kallat "mekanoporation" - för att förbättra membranets permeabilitet för makromolekyler och främja ett effektivt upptag av läkemedel.

Även om denna metod visar lovande, det finns risker förknippade med att spricka membranet när bäraren deformeras.

Under det 88:e årsmötet i The Society of Rheology, hålls 12-16 februari, i Tampa, Florida, Joseph Barakat, en doktorand för kemiteknik vid Stanford University, kommer att presentera sitt arbete med att utveckla en modell för vesikelklämning som kan användas för att förutsäga och optimera läkemedelsladdningsförfaranden.

"En exakt modell kan ha otrolig förutsägbar kraft och kringgå behovet av en uttömmande uppsättning experiment, som kan vara kostnads- eller tidsförbudande, "förklarade han." För detta ändamål, mitt mål är att tillhandahålla rationella designkriterier för känslig manipulation av läkemedelsbärare för att effektivt ladda farmaceutiska molekyler utan att spricka bärarmembranet. "

Barakats arbete stöds av National Science Foundation under överinseende av professor Eric Shaqfeh, vars forskargrupp har tagit ett grundläggande tillvägagångssätt för att modellera vesiklar i vätskeflöde.

Modellen tar hänsyn till ekvationerna för vätskeflöde och membranmekanik. Dessa ekvationer är komplicerade och i allmänhet, kräver en dator för sin lösning. "Från mina datasimuleringar, Jag förutspår hur snabbt en vesikel rör sig som svar på ett applicerat tryck, liksom hur spänd membranet blir under påverkan av vätskefriktion, "Barakat förklarade." Dessa mätvärden är viktiga för praktisk manipulation av vesiklar.

Den verkliga betydelsen av Barakats arbete är att medan cellklämning har fått begränsad uppmärksamhet i vetenskaplig litteratur, han har lyckats lösa några enastående problem.

Först, han har visat hur membranspänningen ökar med flödesbegränsning vilket har konsekvenser för läkemedelsupptag. "Detta innebär att blygsam tömning av en vesikel - via en mild osmotisk obalans - kan förhindra bristning under klämning, "Påpekade Barakat.

Barakat har också identifierat den "geometriska tröskeln" för vesikelmembranbrott som en minsta kanaldiameter. "Denna tröskel, som beror på vesikelform och storlek, kan användas för att välja lämpliga dimensioner för en vesikelpressare, för att undvika bristning, " han sa.

En av de direkta tillämpningarna för Barakats arbete är den rationella utformningen av mikrofluidiska anordningar för vesikelmekanisering och efterföljande läkemedelsupptag. "Mina förutsägelser kommer att möjliggöra smartare design av mikrofluidiska enheter för att fånga och deformera vesiklar av valfri storlek och form med rimlig lätthet och med hög genomströmning, Sa Barakat.

Utöver detta, hans arbete ger effektbehov (körtryck), förväntade misslyckanden (membranbrott), och hur man undviker misslyckande. "Den bredare tillämpningen av min teori är att förutsäga hur celler beter sig under inneslutning, "Förklarade Barakat. Detta är viktigt för att förutsäga invasionen av cancerceller genom porösa nätverk i kroppen, när det gäller hur snabbt cellerna rör sig och hur mycket motstånd de möter. Svar på dessa frågor kan användas för att bromsa metastaser av cancer.

Barakats framtida arbete kommer att fokusera på att utvidga hans teori till att inkludera en modell för läkemedelsgenomträngning genom membranet som tar hänsyn till membranspänning, och denna modellering, Barakat sa, "kan sedan jämföras med befintliga mätningar med fluorescerande märkta molekyler som laddas i en läkemedelsbärare - vilket ger modellen full cirkel till den direkta applikationen."