Vesículas, como células vivas, son "sacos" de líquido encerrados en una membrana que pueden amortiguar la carga molecular, como los medicamentos farmacéuticos. Si un fármaco se encapsula con éxito en un portador de vesículas y el portador permanece intacto, se puede administrar directamente para tratamiento terapéutico. Dentro del anfitrión, las vesículas protegen la carga del fármaco y pueden dirigirse eficazmente a las células receptoras para administrar los fármacos de forma segura. Este tipo de administración "dirigida" ofrece ventajas sobre los métodos de tratamiento más extremos, como la quimioterapia, que puede dañar las células sanas del huésped.

Un gran desafío al que se enfrenta en la actualidad la administración de fármacos dirigida es "cargar" eficazmente un fármaco en un portador sin comprometer la integridad estructural del portador. Un método recientemente propuesto y prometedor es deformar mecánicamente un portador apretándolo a través de un estrecho, constricción a microescala. Esta deformación mecánica crea poros transitorios en la membrana portadora, también conocida como "mecanoporación", para mejorar la permeabilidad de la membrana a las macromoléculas y promover la absorción eficiente de fármacos.

Aunque este método parece prometedor, existen riesgos asociados con la rotura de la membrana cuando el portador se deforma.

Durante la 88a Reunión Anual de la Sociedad de Reología, que se llevará a cabo del 12 al 16 de febrero, en Tampa, Florida, Joseph Barakat, un candidato a doctorado en ingeniería química en la Universidad de Stanford, presentará su trabajo para desarrollar un modelo de compresión de vesículas que se puede utilizar para predecir y optimizar los procedimientos de carga de fármacos.

"Un modelo preciso puede tener un poder predictivo increíble y evitar la necesidad de un conjunto exhaustivo de experimentos, que puede resultar prohibitivo en términos de costo o tiempo, ", explicó." Con este fin, mi objetivo es proporcionar criterios de diseño racionales para la delicada manipulación de los portadores de fármacos para cargar de manera eficiente las moléculas farmacéuticas sin romper la membrana del portador ".

El trabajo de Barakat cuenta con el apoyo de la National Science Foundation bajo la supervisión del profesor Eric Shaqfeh, cuyo grupo de investigación ha adoptado un enfoque fundamental para modelar vesículas en el flujo de fluidos.

El modelo tiene en cuenta las ecuaciones de flujo de fluidos y mecánica de membranas. Estas ecuaciones son complicadas y, en general, requieren una computadora para su solución. "De mis simulaciones por computadora, Predigo qué tan rápido se mueve una vesícula en respuesta a una presión aplicada, así como cuán tensa se vuelve la membrana bajo la acción de la fricción del fluido, "Explicó Barakat." Estas métricas son importantes para la manipulación práctica de vesículas.

El significado real del trabajo de Barakat es que, si bien la compresión celular ha recibido una atención limitada en la literatura científica, se las arregló para resolver algunos problemas pendientes.

Primero, ha demostrado cómo aumenta la tensión de la membrana con el confinamiento del flujo, lo que tiene implicaciones para la absorción de fármacos. "Esto implica que desinflar modestamente una vesícula, a través de un desequilibrio osmótico suave, puede evitar la ruptura durante la compresión, "Señaló Barakat.

Barakat también ha identificado el "umbral geométrico" para la ruptura de la membrana de la vesícula como un diámetro mínimo del canal. "Este umbral, que depende de la forma y el tamaño de la vesícula, se puede utilizar para elegir las dimensiones adecuadas para un aparato exprimidor de vesículas, en aras de evitar la ruptura, " él dijo.

Una de las aplicaciones directas del trabajo de Barakat es el diseño racional de dispositivos de microfluidos para la mecanoporación de vesículas y la posterior absorción de fármacos. "Mis predicciones permitirán un diseño más inteligente de dispositivos de microfluidos para atrapar y deformar vesículas de cualquier tamaño y forma con una facilidad razonable y con un alto rendimiento". "Dijo Barakat.

Más allá de esto, su trabajo proporciona los requisitos de potencia (presión de conducción), modos anticipados de falla (ruptura de la membrana), y cómo evitar fallas. "La aplicación más amplia de mi teoría es predecir cómo se comportan las células en confinamiento, Barakat explicó. Esto es importante para predecir la invasión de las células cancerosas a través de redes porosas dentro del cuerpo, en términos de qué tan rápido se mueven las células y cuánta resistencia encuentran. Las respuestas a estas preguntas pueden usarse para retrasar la metástasis del cáncer.

El trabajo futuro de Barakat se centrará en ampliar su teoría para incorporar un modelo de permeación de fármacos a través de la membrana que tenga en cuenta la tensión de la membrana. y este modelado, Barakat dijo:"luego podría compararse con las mediciones existentes con moléculas etiquetadas con fluorescencia que se cargan en un portador de medicamentos, lo que lleva el modelo al círculo completo para la aplicación directa".