Forskare vid Houston Methodist och Rice University har gjort en upptäckt som kommer att påverka utformningen av inte bara läkemedelsleveranssystem, men också utvecklingen av nyare tillämpningar inom vattenfiltrering och energiproduktion.

De gjorde denna upptäckt medan de undersökte hur läkemedelsmolekylerna i lösningen färdas genom ett nanokanalsystem för läkemedelsleverans utvecklat av Alessandro Grattoni, Ph.D., ordförande för institutionen för nanomedicin vid Houston Methodist Research Institute.

Teamets resultat beskrivs i en artikel med titeln "Oväntade beteenden vid molekylär transport genom storlekskontrollerade nanokanaler ner till ultrananoskala" i Naturkommunikation , en multidisciplinär tidskrift tillägnad publicering av forskning inom biologiska, fysikaliska och kemiska vetenskaper.

Detta nanokanalleveranssystem (nDS), designad av Grattoni och Mauro Ferrari, Ph.D., president och VD för Houston Methodist Research Institute, och kollegor, är ett membran som fungerar som ett filter med hundratusentals enhetliga kanaler i nanoskala. Membranet är skapat med halvledarteknologier som vanligtvis används för tillverkning av datormikrochips.

"Vårt labb utvecklar implanterbara system för kontrollerad läkemedelstillförsel för att behandla kroniska sjukdomar under långa tidsperioder, sa Grattoni, huvudförfattaren. "Dessa implantat använder nanofluidiska kiselmembran, som var och en har ett exakt antal identiska nanokanaler."

Denna ledande membranteknologi som studerats vid Houston Methodist presenterar nyckelegenskaper för användning i ett läkemedelsimplantat - mekanisk robusthet, biokemisk tröghet och hög densitet av nanokanaler som tillåter läkemedelsleverans vid kliniska doser från ett litet membran.

"Vi är intresserade av att bättre förstå vad som händer i dessa kanaler och på vilket sätt drogen färdas över dem, " sa Grattoni. "Särskilt, vi fokuserar på fysiken som ligger bakom transporten över dessa membran. Denna insikt kan dessutom vara användbar vid utvinning av naturgas, produktion av förnybar energi, och i vätske- och vattenfiltrering."

Grattoni säger att det finns många olika tillämpningar för denna teknik. I samband med läkemedelstillförsel, denna plattform anses vara "drogagnostisk, ' vilket helt enkelt betyder att samma membranteknologi kan användas för ett brett spektrum av läkemedel, och bara storleken på kanalen är det som behöver anpassas. Resultaten av denna studie ger ny insikt om kanalfunktionen.

Eftersom läkemedel av olika storlek varierar i molekylvikt, egenskaper och egenskaper, teamet utvecklade experimentellt en algoritm för att välja storleken på nanokanalen som är mest lämplig att använda för varje läkemedel.

När man satte dem på prov, dock, de upptäckte spännande, oväntat molekylärt beteende i dessa kanaler. De fann detta genom att studera kanaler så små att de är jämförbara i storlek med läkemedelsmolekylerna. Specifikt, de använde nanokanaler på bara 2,5 nanometer stora, nästan 20, 000 gånger mindre än ett människohår eller 2,5 miljarddels meter, på en skala som definieras som "ultrananoskala". I dessa små utrymmen, molekyler interagerar med kanalerna så starkt att deras transport förändras väsentligt.

För att testa dessa skillnader, forskargruppen tog deras membran och utvecklade dem med olika kanalstorlekar, går i stegvisa steg från mycket små kanaler på ultrananoskala hela vägen upp till nästan mikronskalan, från 2,5 till 250 nanometer bred. Deras avsikt var att gå från mycket små till mycket stora kanaler med kontinuitet, så att de kunde studera skalegenskaper.

"Min del var att pressa den matematiska och teoretiska beskrivningen till dess gränser, så vi kunde testa om det vi observerade var något nytt eller inte, " sa Rice teoretisk fysiker och medförfattare Alberto Pimpinelli, Ph.D. "Med dessa verktyg, vi kan utarbeta teorier som är överlägsna alla som existerar, eftersom experiment kan göras med sådan precision."

De observerade att molekyler med positiva och negativa laddningar betedde sig ungefär som förväntat när de närmade sig och passerade genom de små kanalerna. Inga överraskningar där. Dock, när det kom till neutrala molekyler, som förväntades vara opåverkade av åtal, de betedde sig okarakteristiskt som om de bar en laddning, vilket var ett helt mystiskt resultat som de inte kunde förklara med nuvarande teorier om molekylär transport.

Dessutom, för alla molekyler – positiva, negativa och neutrala – de observerade en mycket brant, plötslig minskning av transporthastighet och diffusivitet över membranet i ultrananoskala, under en nanokanalstorlek på 5 nanometer.

"I tidningen, vi försökte använda redan tillgängliga teorier för att förklara dessa oväntade effekter och analyserade flera matematiska modeller, " sa Grattoni. "Men, vi insåg att dessa modeller inte kunde förklara någon av dessa faktorer, som berättade för oss att vi observerade något roman som inte har visats tidigare."

Hittills, teorier har beskrivit transport av molekyler och vätska som nästan som ett kontinuum. Dock, Grattoni säger, nu måste forskare börja överväga partiklarnas diskreta natur, har ändliga molekylära volymer, för att kunna förklara vad som observerats i dessa studier.

"Vi måste utveckla nya modeller där vi börjar betrakta vätskan som summan av de enskilda partiklarna med mycket specifik volym och form, ner till molekylen, " sa han. "Tills nu, det fanns vissa algoritmer som bestämde detta, men nu måste vi lägga till en annan variabel med införandet av molekylär påverkan."

Pimpinelli tillägger, "Dessa resultat är intressanta, eftersom de utmanar vår teoretiska förståelse av hur transport av enkla men laddade molekyler till en relativt enkel miljö fungerar när skalan är i storleksordningen några nanometer. Någon ny förståelse kommer definitivt att komma ur detta."