Одна из серьезных проблем, с которыми сегодня сталкивается прицельная доставка лекарств, — это эффективная «загрузка» лекарства в носитель без нарушения структурной целостности носителя. Недавно предложенный и многообещающий метод заключается в механической деформации носителя путем проталкивания его через узкое, микромасштабное сужение.
Эта механическая деформация создает временные поры в несущей мембране — так называемые «механопорации» — для повышения проницаемости мембраны для макромолекул и содействия эффективному поглощению лекарств.
Хотя этот метод является многообещающим, существуют риски, связанные с разрывом мембраны при деформации носителя.
Во время 88-го ежегодного собрания Общества реологов, которое состоится в феврале. 12-16, в Тампе, Флорида, Джозеф Баракат, докторант в области химической инженерии в Стэнфордском университете, представит свою работу по разработке модели сжатия пузырьков, которую можно использовать для прогнозирования и оптимизации процедур загрузки лекарственного средства.
«Точная модель может иметь невероятную предсказательную силу и позволяет обойти необходимость в исчерпывающем наборе экспериментов, которые могут быть чрезмерно затратными или ограниченными по времени», — пояснил он. «С этой целью моя цель — предоставить рациональные критерии дизайна для деликатного манипулирования носителями лекарств для эффективной загрузки фармацевтических молекул без разрушения мембраны носителя."
Работа Бараката поддерживается Национальным научным фондом под руководством профессора Эрика Шакфе, исследовательская группа которого взяла на вооружение фундаментальный подход к моделированию пузырьков в потоке жидкости.
Модель учитывает уравнения течения жидкости и мембранную механику. Эти уравнения сложны и, как правило, для их решения требуется компьютер. «С помощью компьютерного моделирования я предсказываю, насколько быстро везикула движется в ответ на приложенное давление, а также насколько напряженной становится мембрана под действием жидкостного трения», — объяснил Баракат. «Эти показатели важны для практических манипуляций с пузырьками.
Настоящее значение работы Бараката заключается в том, что, хотя сжатие клеток получило ограниченное внимание в научной литературе, ему удалось решить некоторые нерешенные проблемы.
Во-первых, он показал, как напряжение мембраны увеличивается с ограничением потока, что влияет на поглощение лекарства. «Это означает, что умеренное сдутие пузырька — посредством легкого осмотического дисбаланса — может предотвратить разрыв во время сжатия», — отметил Баракат.
Баракат также определил «геометрический порог» разрыва мембраны везикул как минимальный диаметр канала. «Этот порог, который зависит от формы и размера везикул, может быть использован для выбора подходящих размеров аппарата для сжатия везикул в интересах предотвращения разрыва», — сказал он.
Одним из непосредственных приложений работы Бараката является рациональная конструкция микрофлюидных устройств для механопорации везикул и последующего поглощения лекарств. «Мои прогнозы позволят разработать более разумную конструкцию микрожидкостных устройств, позволяющих улавливать и деформировать везикулы любого размера и формы с разумной легкостью и с высокой пропускной способностью», — сказал Баракат.
Помимо этого, его работа обеспечивает требования к мощности (управляющее давление), ожидаемые режимы отказа (разрыв мембраны) и способы избежать отказа. «Более широкое применение моей теории заключается в предсказании поведения клеток в условиях заключения», — пояснил Баракат. Это важно для прогнозирования вторжения раковых клеток через пористые сети в организме, с точки зрения того, насколько быстро клетки движутся и с каким сопротивлением они сталкиваются.
Ответы на эти вопросы могут быть использованы для замедления метастазирования рака.
Будущая работа Бараката будет сосредоточена на расширении его теории с целью включения модели проникновения лекарства через мембрану, которая учитывает натяжение мембраны, и это моделирование, по словам Бараката, «затем можно будет сравнить с существующими измерениями с флуоресцентно мечеными молекулами, загружаемыми в лекарство. перевозчик — доведение модели до непосредственного применения."