Investigadores de la Universidad Metodista de Houston y Rice han hecho un descubrimiento que afectará el diseño no solo de los sistemas de administración de medicamentos, sino también el desarrollo de nuevas aplicaciones en filtración de agua y producción de energía.

Hicieron este descubrimiento mientras investigaban cómo las moléculas del fármaco en solución viajan a través de un sistema de administración de fármacos por nanocanales desarrollado por Alessandro Grattoni. Doctor., presidente del Departamento de Nanomedicina del Instituto de Investigación Metodista de Houston.

Los hallazgos del equipo se describen en un artículo titulado "Comportamientos inesperados en el transporte molecular a través de nanocanales de tamaño controlado hasta la ultra-nanoescala" en Comunicaciones de la naturaleza , una revista multidisciplinar dedicada a la publicación de investigaciones en biología, ciencias físicas y químicas.

Este sistema de entrega de nanocanales (nDS), diseñado por Grattoni y Mauro Ferrari, Doctor., presidente y director ejecutivo del Houston Methodist Research Institute, y colegas, es una membrana que actúa como filtro con cientos de miles de canales a nanoescala uniformes. La membrana se crea con tecnologías de semiconductores comúnmente adoptadas para fabricar microchips de computadora.

"Nuestro laboratorio desarrolla sistemas implantables para la administración controlada de medicamentos para tratar enfermedades crónicas durante períodos prolongados, "dijo Grattoni, el autor principal. "Estos implantes utilizan membranas de nanofluidos de silicio, cada uno de los cuales tiene un número preciso de nanocanales idénticos ".

Esta tecnología de membrana de vanguardia estudiada en Houston Methodist presenta propiedades clave para su uso en un implante de administración de fármacos:robustez mecánica, inercia bioquímica y nanocanales de alta densidad que permiten la administración de fármacos en dosis clínicas desde una pequeña membrana.

"Estamos interesados ​​en comprender mejor lo que sucede dentro de estos canales y la forma en que el fármaco viaja a través de ellos, "Dijo Grattoni." Particularmente, nos estamos centrando en la física que subyace al transporte a través de estas membranas. Esta información también podría ser útil en la extracción de gas natural, producción de energía renovable, y en la filtración de fluidos y agua ".

Grattoni dice que hay muchas aplicaciones diferentes para esta tecnología. En el contexto de la administración de fármacos, esta plataforma se considera 'independiente de las drogas, 'lo que simplemente significa que la misma tecnología de membranas se puede utilizar para un amplio espectro de medicamentos, y solo el tamaño del canal es lo que debe personalizarse. Los resultados de este estudio proporcionan una nueva perspectiva sobre la función del canal.

Dado que los fármacos de diferentes tamaños varían en peso molecular, características y propiedades, el equipo desarrolló experimentalmente un algoritmo para seleccionar el tamaño de nanocanal más apropiado para cada fármaco.

Al ponerlos a prueba, sin embargo, descubrieron intrigantes, comportamiento molecular inesperado en estos canales. Descubrieron esto mediante el estudio de canales tan pequeños que son comparables en tamaño a las moléculas del fármaco. Específicamente, utilizaron nanocanales de solo 2,5 nanómetros de tamaño, casi 20, 000 veces más pequeño que un cabello humano o 2,5 mil millonésimas de metro, a una escala definida como la 'ultra-nanoescala'. En estos pequeños espacios las moléculas interactúan con los canales con tanta fuerza que su transporte se altera sustancialmente.

Para probar estas diferencias, el equipo de investigación tomó sus membranas y las desarrolló con diferentes tamaños de canales, yendo en pasos incrementales desde canales muy pequeños en la ultra-nanoescala hasta casi la escala de micrones, que van desde 2,5 a 250 nanómetros de ancho. Su intención era pasar de canales muy pequeños a muy grandes con continuidad, para que pudieran estudiar las propiedades de escala.

"Mi parte fue llevar la descripción matemática y teórica al límite, para que pudiéramos probar si lo que estábamos observando era algo novedoso o no, ", dijo el físico teórico y coautor de Rice, Alberto Pimpinelli, Doctor. "Con estas herramientas, podemos elaborar teorías que son superiores a cualquiera que exista, porque los experimentos se pueden hacer con tanta precisión ".

Observaron que las moléculas con cargas positivas y negativas se comportaban como se esperaba a medida que se acercaban y pasaban por los diminutos canales. No hay sorpresas ahí. Sin embargo, cuando se trata de moléculas neutras, que se esperaba que no se vieran afectados por los cargos, se comportaron de manera inusual como si estuvieran cargando una carga, que fue un resultado completamente misterioso que no pudieron explicar con las teorías actuales del transporte molecular.

Adicionalmente, para todas las moléculas:positivas, negativo y neutral:observaron una pendiente muy pronunciada disminución abrupta de la velocidad de transporte y la difusividad a través de la membrana a ultrananoescala, por debajo de un tamaño de nanocanal de 5 nanómetros.

"En el papel, intentamos utilizar teorías ya disponibles para explicar estos efectos inesperados y analizamos varios modelos matemáticos, "Dijo Grattoni." Sin embargo, nos dimos cuenta de que esos modelos eran incapaces de explicar ninguno de estos factores, que nos dijo que estábamos observando algo novedoso que no se había mostrado antes ".

Hasta la fecha, Las teorías han estado describiendo el transporte de moléculas y fluidos como casi como un continuo. Sin embargo, Grattoni dice:ahora los científicos deben comenzar a considerar la naturaleza discreta de las partículas, que posee volúmenes moleculares finitos, para poder explicar lo observado en estos estudios.

"Tendremos que desarrollar nuevos modelos en los que empecemos a considerar el fluido como la suma de las partículas individuales con un volumen y una forma muy específicos". hasta la molécula, ", dijo." Hasta ahora, había ciertos algoritmos que determinaban esto, pero ahora debemos agregar otra variable con la introducción de la influencia molecular ".

Pimpinelli agrega, "Estos resultados son interesantes, porque desafían nuestra comprensión teórica de cómo funciona el transporte de moléculas simples pero cargadas a un entorno relativamente simple cuando la escala es del orden de unos pocos nanómetros. Definitivamente, surgirá un nuevo entendimiento de esto ".