Xiaohui "Frank" Zhang integrerar fysik, immunologi och biologi för att utveckla en "nanoenhet" som kan ge en ny behandling för stroke, trombos och åderförkalkning.

Zhang, biträdande professor i maskinteknik och mekanik och fakultetsmedlem i bioingenjörsprogrammet, leder ett tvärvetenskapligt forskargrupp som försöker leverera medicin till riktade områden i människokroppen.

Deras enhet mäter tiotals nanometer i storlek.

Forskarna studerar mekanosensing - hur celler känner av och svarar på mekaniska stimuli. Mechanosensing är avgörande för utvecklingen av vävnader och utvecklingen av hjärt-kärlsjukdomar.

"Av de tre grundläggande sätten som celler kommunicerar med varandra - kemiska, elektriska och mekaniska - det sista är överlägset minst förstådd, säger Zhang.

En anledning till att mekanosensing inte studeras i stor omfattning är att de mekaniska krafterna som utövas på celler uppstår på molekylär nivå, han säger.

"Det är väldigt svårt att mäta och utöva kraft på molekyler."

En nanoenhet med en mekanisk strömbrytare

Zhang använder en molekylkraftspektroskopi för att övervaka, manipulera och mäta mekaniska krafter. Med optisk pincett, han utövar små krafter på prover och registrerar dynamiken i proteinkonformation och mekanisk respons i realtid.

Hans team studerar integrin, en proteinmolekyl som fungerar som en mekanisk sensor för att överföra signaler över cellmembranet. Hypotesen är att integrin kommer att ändra sin form som svar på mekaniska stimuli, fungerar därigenom som en "switch" för att sända en signal.

Teamet studerar också överföringen av mekaniska signaler över cellmembranet och övervakar samspelet mellan mekaniska signaler och biokemiska aktiviteter. Målet är att utveckla en mekaniskt omkopplingsbar nanoenhet för riktad läkemedelsbehandling.

"När du lägger en drog i blodomloppet, det sprids i hela kroppen, säger Zhang. "En nanoenhet skulle kunna föra ett läkemedel genom blodomloppet till en specifik plats. När den aktiveras av mekaniska stimuli, den skulle genomgå en formförändring och släppa ut sin förladdade drog."

Nanodevices kan användas vid biosensing och diagnos, och kan hjälpa till att uppnå låga kostnader, behandling med låga biverkningar av trombos, stroke och åderförkalkning.

Zhangs team designar en polymer som efterliknar en blodkoagulerande molekyl som kallas von Willebrand Factor (vWF), som binder till blodplättar vid snabbt blodflöde.

Av olika intressen, ett enda syfte

Zhang tog en B.S. i fysik, studerade fysiologi och biofysik på läkarutbildningen, och utbildade sig i immunologi innan han började på fakulteten.

Denna mångsidiga bakgrund ledde honom till mekanobiologi, som innehåller tekniker från fysiken, biologi, kemi, datasimulering och polymersyntes.

Hans team på Lehigh inkluderar en postdoktor i fysik, en forskarassistent med en medicinsk utbildning, och studenter i biologi, teknik och fysik.

"Alla tar med sig något annat till bordet, ” säger han.

Lehighs betoning på tvärvetenskapliga studier, säger Zhang, ligger i linje med hans forskningsfokus.

"Den verkliga spänningen med det här projektet är att vi försöker förstå naturen. Det kräver ett tvärvetenskapligt tillvägagångssätt för att avgöra hur molekylen fungerar. Det finns inget bättre ställe att göra det här än på Lehigh."