Den molekylære kraft er med dette hold

Xiaohui "Frank" Zhang integrerer fysik, immunologi og biologi for at udvikle en "nanoenhed", der kunne give en ny behandling for slagtilfælde, trombose og åreforkalkning.

Zhang, assisterende professor i maskinteknik og mekanik og fakultetsmedlem i bioingeniøruddannelsen, leder et tværfagligt forskerhold, der søger at levere medicin til målrettede områder af den menneskelige krop.

Deres enhed måler titusinder af nanometer i størrelse.

Forskerne studerer mekanosensing - hvordan celler sanser og reagerer på mekaniske stimuli. Mekanosensing er afgørende for udviklingen af ​​væv og udviklingen af ​​hjerte-kar-sygdomme.

"Af de tre grundlæggende måder, celler kommunikerer med hinanden på - kemisk, elektrisk og mekanisk - det sidste er langt det mindst forstået, " siger Zhang.

En af grundene til, at mekanosensing ikke er undersøgt grundigt, er fordi de mekaniske kræfter, der påføres celler, forekommer på molekylært niveau, han siger.

"Det er meget svært at måle og udøve kraft på molekyler."

En nanoenhed med en mekanisk kontakt

Zhang bruger enkelt molekyle kraftspektroskopi til at overvåge, manipulere og måle mekaniske kræfter. Med optisk pincet, han udøver små kræfter på prøver og registrerer dynamikken i proteinkonformation og mekanisk respons i realtid.

Hans hold studerer integrin, et proteinmolekyle, der fungerer som en mekanisk sensor til at transmittere signaler over cellemembranen. Hypotesen er, at integrin vil ændre sin form som reaktion på mekaniske stimuli, derved fungerer som en "switch" til at sende et signal.

Holdet studerer også transmissionen af ​​mekaniske signaler over cellemembranen og overvåger samspillet mellem mekaniske signaler og biokemiske aktiviteter. Målet er at udvikle en mekanisk omskiftelig nanoenhed til målrettet lægemiddelbehandling.

"Når du putter et stof i blodbanen, det spredes i hele kroppen, " siger Zhang. "En nanoenhed ville være i stand til at transportere et lægemiddel gennem blodbanen til et bestemt sted. Når den aktiveres af mekaniske stimuli, det ville gennemgå en formændring og frigive sit forudindlæste lægemiddel."

Nanoenheder kan bruges til biosensing og diagnose, og kunne hjælpe med at opnå lave omkostninger, lav-bivirkningsbehandling af trombose, slagtilfælde og åreforkalkning.

Zhangs team designer en polymer, der efterligner et blodkoagulerende molekyle kaldet von Willebrand Factor (vWF), som binder med blodplader under hurtig blodgennemstrømning.

Ud fra forskellige interesser, et enkelt formål

Zhang tog en B.S. i fysik, studerede fysiologi og biofysik på medicinstudiet, og uddannet i immunologi, før han kom til fakultetet.

Denne forskelligartede baggrund førte ham til mekanobiologi, som inkorporerer teknikker fra fysik, biologi, kemi, computersimulering og polymersyntese.

Hans team på Lehigh omfatter en postdoc-stipendiat i fysik, en forskningsmedarbejder med en lægeuddannelse, og bachelorstuderende i biologi, teknik og fysik.

"Alle bringer noget forskelligt til bordet, ” siger han.

Lehighs vægt på tværfaglige studier, siger Zhang, stemmer overens med hans forskningsfokus.

"Den virkelige spænding ved dette projekt er, at vi forsøger at forstå naturen. Det kræver en tværfaglig tilgang til at bestemme, hvordan molekylet virker. Der er intet bedre sted at gøre dette end i Lehigh."