I ricercatori della Houston Methodist e della Rice University hanno fatto una scoperta che avrà un impatto sulla progettazione non solo dei sistemi di somministrazione dei farmaci, ma anche lo sviluppo di nuove applicazioni nella filtrazione dell'acqua e nella produzione di energia.

Hanno fatto questa scoperta mentre studiavano come le molecole di farmaco in soluzione viaggiano attraverso un sistema di somministrazione di farmaci a nanocanali sviluppato da Alessandro Grattoni, dottorato di ricerca, presidente del Dipartimento di Nanomedicina presso lo Houston Methodist Research Institute.

I risultati del team sono descritti in un articolo intitolato "Comportamenti imprevisti nel trasporto molecolare attraverso nanocanali di dimensioni controllate fino all'ultra nanoscala" in Comunicazioni sulla natura , una rivista multidisciplinare dedicata alla pubblicazione di ricerche in campo biologico, scienze fisiche e chimiche.

Questo sistema di consegna a nanocanali (nDS), progettato da Grattoni e Mauro Ferrari, dottorato di ricerca, presidente e CEO dello Houston Methodist Research Institute, e colleghi, è una membrana che funge da filtro con centinaia di migliaia di canali uniformi su nanoscala. La membrana è realizzata con tecnologie a semiconduttore comunemente adottate per la fabbricazione di microchip per computer.

"Il nostro laboratorio sviluppa sistemi impiantabili per la somministrazione controllata di farmaci per il trattamento di malattie croniche per lunghi periodi di tempo, " disse Grattoni, l'autore principale. "Questi impianti utilizzano membrane nanofluidiche di silicio, ognuno dei quali ha un numero preciso di nanocanali identici".

Questa tecnologia a membrana all'avanguardia studiata presso Houston Methodist presenta proprietà chiave per l'uso in un impianto di somministrazione di farmaci:robustezza meccanica, inerzia biochimica e alta densità di nanocanali che consentono il rilascio di farmaci a dosi cliniche da una minuscola membrana.

"Siamo interessati a capire meglio cosa succede all'interno di questi canali e in che modo il farmaco li attraversa, " Disse Grattoni. "In particolare, ci stiamo concentrando sulla fisica che sta alla base del trasporto attraverso queste membrane. Questa intuizione potrebbe inoltre essere utile nell'estrazione di gas naturale, produzione di energia rinnovabile, e nella filtrazione di fluidi e acqua."

Grattoni afferma che ci sono molte applicazioni diverse per questa tecnologia. Nel contesto della somministrazione di farmaci, questa piattaforma è considerata 'drug-agnostic, ' che significa semplicemente che la stessa tecnologia a membrana può essere utilizzata per un ampio spettro di farmaci, e solo la dimensione del canale è ciò che deve essere personalizzato. I risultati di questo studio forniscono nuove informazioni sulla funzione del canale.

Poiché i farmaci di dimensioni diverse variano nel peso molecolare, caratteristiche e proprietà, il team ha sviluppato sperimentalmente un algoritmo per selezionare la dimensione del nanocanale più appropriato da utilizzare per ciascun farmaco.

Dopo averli messi alla prova, però, hanno scoperto intrigante, comportamento molecolare inaspettato in questi canali. Hanno scoperto questo studiando canali così piccoli da essere di dimensioni paragonabili alle molecole del farmaco. Nello specifico, hanno usato nanocanali di appena 2,5 nanometri di dimensione, quasi 20, 000 volte più piccolo di un capello umano o 2,5 miliardesimi di metro, a una scala definita come "ultra-nanoscala". In questi minuscoli spazi, le molecole interagiscono con i canali in modo così forte che il loro trasporto è sostanzialmente alterato.

Per testare queste differenze, il team di ricerca ha preso le loro membrane e le ha sviluppate con diverse dimensioni del canale, andando in passaggi incrementali da canali molto piccoli su scala ultra-nano fino a quasi la scala del micron, che vanno da 2,5 a 250 nanometri di larghezza. Il loro intento era quello di passare da canali molto piccoli a canali molto grandi con continuità, in modo da poter studiare le proprietà di scala.

"La mia parte è stata spingere la descrizione matematica e teorica ai suoi limiti, così abbiamo potuto verificare se ciò che stavamo osservando era qualcosa di nuovo o meno, " ha detto il fisico teorico di Rice e co-autore Alberto Pimpinelli, dottorato di ricerca "Con questi strumenti, possiamo elaborare teorie superiori a qualsiasi altra esistente, perché gli esperimenti possono essere fatti con tale precisione."

Hanno osservato che le molecole con cariche positive e negative si sono comportate come previsto mentre si avvicinavano e passavano attraverso i minuscoli canali. Nessuna sorpresa lì. Però, quando si trattava di molecole neutre, che ci si aspettava non fossero interessati dalle accuse, si comportavano insolitamente come se portassero una carica, che era un risultato del tutto misterioso che non potevano spiegare con le attuali teorie del trasporto molecolare.

Inoltre, per tutte le molecole - positive, negativo e neutro, hanno osservato un ripido, brusca diminuzione della velocità di trasporto e della diffusività attraverso la membrana su scala ultra-nano, al di sotto di una dimensione del nanocanale di 5 nanometri.

"Nel giornale, abbiamo provato a utilizzare le teorie già disponibili per spiegare questi effetti inaspettati e analizzato diversi modelli matematici, "Disse Grattoni. "Tuttavia, ci siamo resi conto che quei modelli non erano in grado di spiegare nessuno di questi fattori, il che ci ha detto che stavamo osservando qualcosa di nuovo che non era mai stato mostrato prima".

Ad oggi, le teorie hanno descritto il trasporto di molecole e fluidi quasi come un continuum. Però, Grattoni dice, ora gli scienziati devono iniziare a considerare la natura discreta delle particelle, possedere volumi molecolari finiti, poter spiegare quanto osservato in questi studi.

"Dovremo sviluppare nuovi modelli in cui iniziare a considerare il fluido come la somma delle singole particelle con volume e forma molto specifici, fino alla molecola, " ha detto. "Fino ad ora, c'erano alcuni algoritmi che determinavano questo, ma ora dobbiamo aggiungere un'altra variabile con l'introduzione dell'influenza molecolare".

Pimpinelli aggiunge, "Questi risultati sono interessanti, perché sfidano la nostra comprensione teorica di come funziona il trasporto di molecole semplici ma cariche in un ambiente relativamente semplice quando la scala è dell'ordine di pochi nanometri. Sicuramente ne verrà fuori una nuova comprensione".