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2018年11月29日

发现将影响分子水平的药物输送系统的设计

休斯顿卫理公会和莱斯大学的研究人员发现,这不仅会影响药物输送系统的设计,还会影响水过滤和能源生产中新应用的开发。

他们在调查溶液中的药物分子如何通过由休斯顿卫理公会研究所纳米医学系主任Alessandro Grattoni博士开发的纳米通道药物传递系统时发现了这一发现。

该团队的研究结果在Nature Communications中的一篇名为通过尺寸控制纳米通道进行分子转运的意外行为的文章中进行了描述,这是一本致力于出版生物,物理和化学科学研究的多学科期刊。

这种纳米通道输送系统(nDS)由休斯顿卫理公会研究所总裁兼首席执行官GrattoniMauro Ferrari博士及其同事设计,是一种膜,可作为具有数十万个均匀纳米级通道的过滤器。利用通常用于制造计算机微芯片的半导体技术来创建膜。

我们的实验室开发了用于控制药物输送的植入系统,可以长时间治疗慢性疾病,第一作者Grattoni说。这些植入物使用硅纳米流体膜,每个膜具有精确数量的相同纳米通道。

这种在休斯顿卫理公会研究的尖端膜技术提出了用于药物输送植入物的关键特性机械强度,生化惰性和高密度的纳米通道,允许临床剂量的药物从微小的膜递送。

我们有兴趣更好地了解这些渠道内发生的情况以及药物以何种方式穿过它们,Grattoni说。特别是,我们专注于通过这些膜传输的物理特性。这种洞察力还可用于天然气的提取,可再生能源的生产以及流体和水的过滤。

Grattoni说这项技术有很多不同的应用。在药物输送的背景下,该平台被认为是药物不可知,这意味着相同的膜技术可用于多种药物,并且通道的大小只需要定制。这项研究的结果提供了对渠道功能的新见解。

由于不同大小的药物的分子量,特性和性质不同,该团队通过实验开发了一种算法,用于选择最适合每种药物使用的纳米通道。

然而,在对它们进行测试时,他们在这些通道中发现了有趣的,意想不到的分子行为。他们通过研究如此小的通道来发现这一点,它们的大小与药物分子相当。具体而言,他们使用的纳米通道尺寸仅为2.5纳米,比人类头发小近20,000倍或25亿分之一米,其定义为超纳米级。在这些微小的空间中,分子与通道的相互作为了测试这些差异,研究小组采用了它们的膜并用不同的通道尺寸开发它们,从非常小的非纳米级通道逐步增加到几乎微米级,范围从2.5250纳米。他们的意图是从非常小的通道到非常大的通道具有连续性,因此他们可以研究缩放属性。

我的一部分是将数学和理论描述推向极限,因此我们可以测试我们观察到的是否是新奇的东西,赖斯理论物理学家和共同作者Alberto Pimpinelli博士说。借助这些工具,我们可以制定出优于现有理论的理论,因为实验可以用这么精确的方式完成。

他们观察到具有正电荷和负电荷的分子在接近并通过微小通道时表现得如预期的那样。没有惊喜。然而,当涉及预期不受电荷影响的中性分子时,它们表现得好像带有电荷一样,这是一个完全神秘的结果,他们无法用当前的分子运输理论来解释。

此外,对于所有分子阳性,阴性和中性他们观察到超纳米级的传输速率和跨膜的扩散性非常陡峭,突然降低,低于5纳米的纳米通道尺寸。

在论文中,我们尝试使用已有的理论来解释这些意想不到的影响,并分析了几种数学模型,Grattoni说。然而,我们意识到这些模型无法解释任何这些因素,这些因素告诉我们,我们正在观察一些以前没有展示过的新奇事物。

截止目前,理论一直在描述分子和流体的运输几乎就像一个连续体。然而,Grattoni说,现在科学家必须开始考虑具有有限分子量的粒子的离散性质,以便能够解释在这些研究中观察到的情况。

我们将不得不开发新模型,我们开始将流体视为具有非常特定体积和形状的单个颗粒的总和,直至分子,他说。到目前为止,有一些算法可以确定这一点,但现在我们必须通过引入分子影响来增加另一个变量。

Pimpinelli补充说:这些结果很有意思,因为它们挑战了我们对简单但带电分子如何在规模达到几纳米的范围内运输到相对简单的环境时的理论理解。一些新的理解肯定会出现在。

(选自《麦肯息讯》(医药))