Открытие в наноразмерных каналах изменит подход к дизайну систем доставки лекарств
Исследователи из Houston Methodist и Университета Райса сделали открытие, которое повлияет на проектирование не только систем доставки лекарств, но и на разработку новых применений в фильтрации воды и производстве энергии.
Открытие было сделано при изучении того, как молекулы лекарств в растворе проходят через наноканальную систему доставки (nDS), разработанную Алессандро Граттони, доктором философии, заведующим кафедрой наномедицины в Houston Methodist Research Institute. Система представляет собой мембрану-фильтр с сотнями тысяч однородных наноканалов, созданную с использованием технологий, применяемых для изготовления компьютерных микросхем.
Ключевые наблюдения
Исследователи экспериментально разработали алгоритм для подбора оптимального размера наноканала для лекарств с разной молекулярной массой и свойствами. Тестируя каналы разного размера — от 2.5 до 250 нанометров, — они обнаружили неожиданное поведение молекул на ультрананоразмерном уровне (каналы ~2.5 нм, что в 20 000 раз тоньше человеческого волоса).
- Нейтральные молекулы вели себя как заряженные. Молекулы с положительным и отрицательным зарядом вели себя предсказуемо. Однако нейтральные молекулы, которые не должны были реагировать на заряды, демонстрировали поведение, характерное для заряженных частиц. Это явление не могло быть объяснено существующими теориями молекулярного транспорта.
- Резкое снижение скорости транспорта. Для всех типов молекул (положительных, отрицательных и нейтральных) наблюдалось очень резкое, скачкообразное снижение скорости транспорта и коэффициента диффузии через мембрану при размере наноканала менее 5 нанометров.
Значение открытия
Существующие теории описывают транспорт молекул и жидкости почти как непрерывную среду (континуум). Новые данные показывают, что на ультрананоразмерном уровне, где размер канала сравним с размером молекулы, необходимо учитывать дискретную природу частиц, их конечный молекулярный объем и форму.
Как отметил соавтор работы, теоретический физик Альберто Пимпинелли: «Эти результаты интересны, потому что они бросают вызов нашему теоретическому пониманию того, как работает транспорт простых, но заряженных молекул в относительно простой среде, когда масштаб составляет порядка нескольких нанометров».
Исследование, опубликованное в Nature Communications, указывает на необходимость разработки новых теоретических моделей, которые будут учитывать влияние индивидуальных молекул. Это открытие важно для создания более эффективных систем доставки лекарств, а также для развития технологий фильтрации и энергетики.