Vésicules, comme des cellules vivantes, sont des « sacs » de fluide enfermés dans une membrane qui peuvent amortir les cargaisons moléculaires telles que les médicaments pharmaceutiques. Si un médicament est encapsulé avec succès dans un support de vésicule et que le support reste intact, il peut être délivré directement pour un traitement thérapeutique. A l'intérieur de l'hôte, les vésicules protègent la cargaison de médicament et peuvent cibler efficacement les cellules receveuses pour délivrer les médicaments en toute sécurité. Ce type d'administration « ciblée » offre des avantages par rapport aux méthodes de traitement plus extrêmes telles que la chimiothérapie, qui peuvent endommager les cellules saines de l'hôte.

L'un des grands défis auxquels l'administration ciblée de médicaments est aujourd'hui confrontée est le « chargement » efficace d'un médicament dans un support sans compromettre l'intégrité structurelle du support. Une méthode récemment proposée et prometteuse consiste à déformer mécaniquement un support en le pressant à travers un étroit, constriction microscopique. Cette déformation mécanique crée des pores transitoires dans la membrane porteuse - alias "mécanoporation" - pour améliorer la perméabilité de la membrane aux macromolécules et favoriser l'absorption efficace des médicaments.

Bien que cette méthode soit prometteuse, il existe des risques de rupture de la membrane lorsque le support est déformé.

Lors de la 88e réunion annuelle de la Society of Rheology, qui se tiendra du 12 au 16 février, à Tampa, Floride, Joseph Barakat, un doctorant en génie chimique à l'Université de Stanford, présentera ses travaux visant à développer un modèle de compression des vésicules pouvant être utilisé pour prédire et optimiser les procédures de mise en charge du médicament.

"Un modèle précis peut avoir un pouvoir prédictif incroyable et contourner le besoin d'un ensemble exhaustif d'expériences, qui peut être coûteux ou chronophage, " expliqua-t-il. " A cette fin, mon objectif est de fournir des critères de conception rationnels pour la manipulation délicate des supports de médicaments afin de charger efficacement les molécules pharmaceutiques sans rompre la membrane du support."

Les travaux de Barakat sont soutenus par la National Science Foundation sous la supervision du professeur Eric Shaqfeh, dont le groupe de recherche a adopté une approche fondamentale pour modéliser les vésicules dans l'écoulement des fluides.

Le modèle prend en compte les équations de l'écoulement des fluides et de la mécanique membranaire. Ces équations sont compliquées et, en général, nécessitent un ordinateur pour leur solution. "D'après mes simulations informatiques, Je prédis à quelle vitesse une vésicule se déplace en réponse à une pression appliquée, ainsi que la tension de la membrane sous l'action du frottement fluide, " expliqua Barakat. " Ces mesures sont importantes pour la manipulation pratique des vésicules.

La véritable signification du travail de Barakat est que, bien que la compression des cellules ait reçu une attention limitée dans la littérature scientifique, il a réussi à résoudre certains problèmes en suspens.

D'abord, il a montré comment la tension membranaire augmente avec le confinement du flux, ce qui a des implications sur l'absorption du médicament. "Cela implique que dégonfler modestement une vésicule - via un léger déséquilibre osmotique - peut empêcher la rupture lors de la compression, " a souligné Barakat.

Barakat a également identifié le "seuil géométrique" pour la rupture de la membrane vésiculaire comme un diamètre de canal minimum. « Ce seuil, qui dépend de la forme et de la taille des vésicules, peut être utilisé pour choisir les dimensions appropriées pour un appareil de pressage de vésicules, dans l'intérêt d'éviter la rupture, " il a dit.

L'une des applications directes des travaux de Barakat est la conception rationnelle de dispositifs microfluidiques pour la mécanoporation des vésicules et l'absorption ultérieure de médicaments. "Mes prédictions permettront une conception plus intelligente de dispositifs microfluidiques pour piéger et déformer des vésicules de toute taille et forme avec une facilité raisonnable et à haut débit, " a déclaré Barakat.

Au delà de ça, son travail fournit les besoins en puissance (pression motrice), modes de défaillance anticipés (rupture membranaire), et comment éviter l'échec. "L'application plus large de ma théorie consiste à prédire comment les cellules se comportent sous confinement, " a expliqué Barakat. Ceci est important pour prédire l'invasion des cellules cancéreuses à travers les réseaux poreux dans le corps, en termes de vitesse à laquelle les cellules se déplacent et de résistance qu'elles rencontrent. Les réponses à ces questions peuvent être utilisées pour ralentir les métastases cancéreuses.

Les futurs travaux de Barakat se concentreront sur l'extension de sa théorie pour incorporer un modèle de perméation du médicament à travers la membrane qui prend en compte la tension membranaire, et cette modélisation, Barakat a dit, « pourrait ensuite être comparé aux mesures existantes avec des molécules marquées par fluorescence chargées dans un support de médicament, ramenant ainsi le modèle à l'application directe ».