Xiaohui "Frank" Zhang sta integrando la fisica, immunologia e biologia per sviluppare un "nanodispositivo" che potrebbe fornire un nuovo trattamento per l'ictus, trombosi e aterosclerosi.
Zhang, assistente professore di ingegneria meccanica e meccanica e membro di facoltà nel programma di bioingegneria, guida un team di ricerca interdisciplinare che cerca di somministrare farmaci a regioni mirate del corpo umano.
Il loro dispositivo misura decine di nanometri.
I ricercatori studiano il meccanosensing, il modo in cui le cellule percepiscono e rispondono agli stimoli meccanici. Il meccanosensing è fondamentale nello sviluppo dei tessuti e nella progressione delle malattie cardiovascolari.
“Dei tre modi fondamentali in cui le cellule comunicano tra loro:chimica, elettrico e meccanico - l'ultimo è di gran lunga il meno compreso, "dice Zhang.
Uno dei motivi per cui il meccanosensing non è studiato in modo approfondito è perché le forze meccaniche imposte alle cellule si verificano a livello molecolare, lui dice.
"È molto difficile misurare ed esercitare una forza sulle molecole".
Un nanodispositivo con un interruttore meccanico
Zhang utilizza la spettroscopia di forza a singola molecola per monitorare, manipolare e misurare le forze meccaniche. Con pinzette ottiche, esercita forze minime sui campioni e registra la dinamica della conformazione proteica e la risposta meccanica in tempo reale.
Il suo team studia l'integrina, una molecola proteica che funge da sensore meccanico per trasmettere segnali attraverso la membrana cellulare. L'ipotesi è che l'integrina alteri la sua forma in risposta a stimoli meccanici, agendo così come un "interruttore" per trasmettere un segnale.
Il team studia anche la trasmissione di segnali meccanici attraverso la membrana cellulare e monitora l'interazione tra segnali meccanici e attività biochimiche. L'obiettivo è sviluppare un nanodispositivo commutabile meccanicamente per la terapia farmacologica mirata.
“Quando metti un farmaco nel flusso sanguigno, si disperde in tutto il corpo, "dice Zhang. “Un nanodispositivo sarebbe in grado di trasportare un farmaco attraverso il flusso sanguigno in una posizione specifica. Quando attivato da stimoli meccanici, subirebbe un cambiamento di forma e rilascerebbe il suo farmaco precaricato”.
I nanodispositivi potrebbero essere utilizzati nel biosensore e nella diagnosi, e potrebbe aiutare a raggiungere un basso costo, trattamento a basso effetto collaterale della trombosi, ictus e aterosclerosi.
Il team di Zhang sta progettando un polimero che imita una molecola di coagulazione del sangue chiamata fattore von Willebrand (vWF), che si lega alle piastrine durante il flusso sanguigno rapido.
Per interessi diversi, un unico scopo
Zhang ha conseguito un B.S. in fisica, ha studiato fisiologia e biofisica alla facoltà di medicina, e addestrato in immunologia prima di entrare a far parte della facoltà.
Questo diverso background lo ha portato alla meccanobiologia, che incorpora tecniche della fisica, biologia, chimica, simulazione al computer e sintesi di polimeri.
Il suo team a Lehigh include un borsista post-dottorato in fisica, un ricercatore associato con una formazione medica, e studenti universitari in biologia, ingegneria e fisica.
“Ognuno porta in tavola qualcosa di diverso, "dice.
L'enfasi di Lehigh sullo studio interdisciplinare, dice Zhang, si allinea con il suo obiettivo di ricerca.
“La vera eccitazione di questo progetto è che stiamo cercando di capire la natura. Ciò richiede un approccio interdisciplinare per determinare come funziona la molecola. Non c'è posto migliore per farlo che a Lehigh".
