Vescicole, come cellule viventi, sono "sacche" di fluido racchiuse da una membrana che possono ammortizzare il carico molecolare come i farmaci. Se un farmaco viene incapsulato con successo in un vettore di vescicole e il vettore rimane intatto, può essere consegnato direttamente per il trattamento terapeutico. Dentro l'ospite, le vescicole proteggono il carico del farmaco e possono indirizzare in modo efficiente le cellule riceventi per consegnare i farmaci in modo sicuro. Questo tipo di somministrazione "mirata" offre vantaggi rispetto a metodi di trattamento più estremi come la chemioterapia, che possono danneggiare le cellule sane nell'ospite.

Una grande sfida che la somministrazione mirata di farmaci deve affrontare oggi è "caricare" in modo efficiente un farmaco in un vettore senza compromettere l'integrità strutturale del vettore. Un metodo recentemente proposto e promettente consiste nel deformare meccanicamente un supporto schiacciandolo attraverso uno stretto, costrizione su microscala. Questa deformazione meccanica crea pori transitori nella membrana portante, nota anche come "meccanoporazione", per migliorare la permeabilità della membrana alle macromolecole e promuovere l'assorbimento efficiente dei farmaci.

Sebbene questo metodo si dimostri promettente, ci sono rischi associati alla rottura della membrana quando il supporto è deformato.

Durante l'88° Incontro Annuale della Società di Reologia, che si terrà dal 12 al 16 febbraio, a Tampa, Florida, Giuseppe Barakat, un dottorando in ingegneria chimica presso la Stanford University, presenterà il suo lavoro per sviluppare un modello per la spremitura delle vescicole che può essere utilizzato per prevedere e ottimizzare le procedure di caricamento del farmaco.

"Un modello accurato può avere un incredibile potere predittivo e aggirare la necessità di una serie esaustiva di esperimenti, che può essere proibitivo in termini di costi o tempo, " ha spiegato. "A tal fine, il mio obiettivo è fornire criteri di progettazione razionali per la delicata manipolazione dei trasportatori di farmaci per caricare in modo efficiente le molecole farmaceutiche senza rompere la membrana del trasportatore".

Il lavoro di Barakat è sostenuto dalla National Science Foundation sotto la supervisione del professor Eric Shaqfeh, il cui gruppo di ricerca ha adottato un approccio fondamentale alla modellazione delle vescicole nel flusso di fluidi.

Il modello tiene conto delle equazioni del flusso dei fluidi e della meccanica delle membrane. Queste equazioni sono complicate e, generalmente, richiedono un computer per la loro soluzione. "Dalle mie simulazioni al computer, Prevedo quanto velocemente si muove una vescicola in risposta a una pressione applicata, così come la tensione della membrana sotto l'azione dell'attrito del fluido, " Barakat ha spiegato. "Questi parametri sono importanti per la manipolazione pratica delle vescicole.

Il vero significato del lavoro di Barakat è che mentre la spremitura cellulare ha ricevuto un'attenzione limitata nella letteratura scientifica, è riuscito a risolvere alcuni problemi in sospeso.

Primo, ha mostrato come la tensione di membrana aumenti con il confinamento del flusso che ha implicazioni per l'assorbimento del farmaco. "Ciò implica che sgonfiare modestamente una vescicola, tramite un delicato squilibrio osmotico, può prevenire la rottura durante la spremitura, " ha sottolineato Barakat.

Barakat ha anche identificato la "soglia geometrica" ​​per la rottura della membrana delle vescicole come diametro minimo del canale. "Questa soglia, che dipende dalla forma e dalle dimensioni della vescicola, può essere utilizzato per scegliere le dimensioni appropriate per un apparato spremi vescicole, nell'interesse di evitare la rottura, " Egli ha detto.

Una delle applicazioni dirette del lavoro di Barakat è la progettazione razionale di dispositivi microfluidici per la meccanoporazione delle vescicole e il successivo assorbimento del farmaco. "Le mie previsioni consentiranno una progettazione più intelligente di dispositivi microfluidici per intrappolare e deformare vescicole di qualsiasi dimensione e forma con ragionevole facilità e ad alto rendimento, " ha detto Barakat.

Oltre questo, il suo lavoro fornisce i requisiti di potenza (pressione di guida), modalità di guasto previste (rottura della membrana), e come evitare il fallimento. "L'applicazione più ampia della mia teoria consiste nel prevedere come si comportano le cellule in confinamento, " Ha spiegato Barakat. Questo è importante per prevedere l'invasione delle cellule tumorali attraverso le reti porose all'interno del corpo, in termini di velocità di movimento delle cellule e di quanta resistenza incontrano. Le risposte a queste domande possono essere utilizzate per rallentare le metastasi del cancro.

Il lavoro futuro di Barakat si concentrerà sull'estensione della sua teoria per incorporare un modello per la permeazione dei farmaci attraverso la membrana che tenga conto della tensione della membrana, e questa modellazione, Barakat ha detto, "potrebbe quindi essere confrontato con le misurazioni esistenti con molecole contrassegnate in modo fluorescente che vengono caricate in un vettore di farmaci, portando il modello al punto di partenza per l'applicazione diretta".