Des chercheurs de Houston Methodist et de l'Université Rice ont fait une découverte qui aura un impact sur la conception non seulement des systèmes d'administration de médicaments, mais aussi le développement de nouvelles applications dans la filtration de l'eau et la production d'énergie.

Ils ont fait cette découverte en étudiant comment les molécules médicamenteuses en solution se déplacent à travers un système de délivrance de médicaments à nanocanaux développé par Alessandro Grattoni, Doctorat., président du département de nanomédecine du Houston Methodist Research Institute.

Les découvertes de l'équipe sont décrites dans un article intitulé "Comportements inattendus dans le transport moléculaire à travers des nanocanaux à taille contrôlée jusqu'à l'ultra-nanoscale" dans Communication Nature , une revue pluridisciplinaire dédiée à la publication de recherches en biologie, sciences physiques et chimiques.

Ce système de livraison à nanocanaux (nDS), conçu par Grattoni et Mauro Ferrari, Doctorat., président et chef de la direction du Houston Methodist Research Institute, et collègues, est une membrane qui agit comme un filtre avec des centaines de milliers de canaux nanométriques uniformes. La membrane est créée avec des technologies semi-conductrices couramment adoptées pour la fabrication de puces informatiques.

"Notre laboratoire développe des systèmes implantables pour l'administration contrôlée de médicaments pour traiter les maladies chroniques sur de longues périodes de temps, " dit Grattoni, l'auteur principal. « Ces implants utilisent des membranes nanofluidiques en silicium, dont chacun a un nombre précis de nanocanaux identiques."

Cette technologie membranaire de pointe étudiée à Houston Methodist présente des propriétés clés pour une utilisation dans un implant d'administration de médicaments :robustesse mécanique, l'inertie biochimique et la haute densité des nanocanaux qui permettent l'administration de médicaments à des doses cliniques à partir d'une minuscule membrane.

"Nous souhaitons mieux comprendre ce qui se passe à l'intérieur de ces canaux et de quelle manière le médicament les traverse, " dit Grattoni. " En particulier, nous nous concentrons sur la physique qui sous-tend le transport à travers ces membranes. Cette idée pourrait en outre être utile dans l'extraction de gaz naturel, production d'énergie renouvelable, et dans la filtration des fluides et de l'eau."

Grattoni dit qu'il existe de nombreuses applications différentes pour cette technologie. Dans le cadre de l'administration de médicaments, cette plate-forme est considérée comme « agnostique aux médicaments, ' ce qui signifie simplement que la même technologie membranaire peut être utilisée pour un large éventail de médicaments, et seule la taille du canal doit être personnalisée. Les résultats de cette étude apportent un nouvel éclairage sur la fonction du canal.

Étant donné que les médicaments de différentes tailles varient en poids moléculaire, caractéristiques et propriétés, l'équipe a développé expérimentalement un algorithme pour sélectionner la taille de nanocanal la plus appropriée à utiliser pour chaque médicament.

En les mettant à l'épreuve, cependant, ils ont découvert intrigant, comportement moléculaire inattendu dans ces canaux. Ils ont découvert cela en étudiant des canaux si petits qu'ils sont comparables en taille aux molécules de médicament. Spécifiquement, ils ont utilisé des nanocanaux de seulement 2,5 nanomètres, près de 20, 000 fois plus petit qu'un cheveu humain ou 2,5 milliardièmes de mètre, à une échelle définie comme « l'échelle ultra-nano ». Dans ces petits espaces, les molécules interagissent avec les canaux si fortement que leur transport est substantiellement altéré.

Pour tester ces différences, l'équipe de recherche a pris leurs membranes et les a développées avec différentes tailles de canaux, allant par étapes incrémentielles à partir de très petits canaux à l'échelle ultra-nano jusqu'à presque l'échelle du micron, allant de 2,5 à 250 nanomètres de large. Leur intention était de passer de très petites chaînes à de très grandes chaînes avec continuité, afin qu'ils puissent étudier les propriétés de mise à l'échelle.

"Mon rôle était de pousser la description mathématique et théorique à ses limites, afin que nous puissions tester si ce que nous observions était quelque chose de nouveau ou non, " a déclaré le physicien théoricien Rice et co-auteur Alberto Pimpinelli, doctorat "Avec ces outils, nous pouvons élaborer des théories supérieures à toutes celles qui existent, parce que les expériences peuvent être faites avec une telle précision."

Ils ont observé que les molécules avec des charges positives et négatives se comportaient comme prévu lorsqu'elles s'approchaient et traversaient les minuscules canaux. Pas de surprises là-bas. Cependant, en ce qui concerne les molécules neutres, qui ne devaient pas être affectés par les charges, ils se sont comportés de manière inhabituelle comme s'ils portaient une charge, ce qui était un résultat totalement mystérieux qu'ils ne pouvaient pas expliquer avec les théories actuelles du transport moléculaire.

En outre, pour toutes les molécules — positives, négatif et neutre - ils ont observé une très forte, diminution brutale du taux de transport et de la diffusivité à travers la membrane à l'échelle ultra-nano, au-dessous d'une taille de nanocanal de 5 nanomètres.

"Dans le journal, nous avons essayé d'utiliser des théories déjà disponibles pour expliquer ces effets inattendus et analysé plusieurs modèles mathématiques, " dit Grattoni. " Cependant, nous avons réalisé que ces modèles étaient incapables d'expliquer aucun de ces facteurs, qui nous a dit que nous observions quelque chose de nouveau qui n'a jamais été montré auparavant."

À ce jour, les théories ont décrit le transport des molécules et des fluides comme étant presque comme un continuum. Cependant, Grattoni dit, maintenant les scientifiques doivent commencer à considérer la nature discrète des particules, possédant des volumes moléculaires finis, pour pouvoir expliquer ce qui a été observé dans ces études.

"Nous devrons développer de nouveaux modèles où nous commencerons à considérer le fluide comme la somme des particules individuelles avec un volume et une forme très spécifiques, jusqu'à la molécule, " dit-il. " Jusqu'à maintenant, il y avait certains algorithmes déterminant cela, mais maintenant nous devons ajouter une autre variable avec l'introduction de l'influence moléculaire."

Pimpinelli ajoute, « Ces résultats sont intéressants, car ils remettent en cause notre compréhension théorique du fonctionnement du transport de molécules simples mais chargées dans un environnement relativement simple lorsque l'échelle est de l'ordre de quelques nanomètres. Une nouvelle compréhension en sortira certainement."