Моделирование динамики кровотока для улучшения доставки лекарств наночастицами
Несмотря на неоднозначную репутацию в СМИ, наночастицы десятилетиями успешно используются в системах целевой доставки лекарств. Однако динамика кровотока может значительно влиять на способность наночастиц прикрепиться к цели и удержаться достаточно долго для высвобождения препарата.
Профессора Университета Иллинойса Артиф Масуд и Хёнджун Конг разработали и протестировали новую математическую модель для точного моделирования влияния кровотока на адгезию и удержание наноносителей. Модель хорошо соответствовала результатам in vitro экспериментов, демонстрируя потенциал моделирования для оптимизации наноносителей и ускорения разработки лекарств и персонализированного лечения.
Исследование опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Интеграция идей из разных областей инженерии
Изначальная модель, предполагавшая идеально гладкие стенки сосудов, не совпадала с экспериментальными данными. Для её улучшения команда заимствовала концепции из разных инженерных дисциплин:
- Из механического инжиниринга — модель шероховатости (asperity model), учитывающую деформацию клеточных материалов.
- Из электротехники — концепцию сил Лоренца, адаптировав её для описания белково-белкового притяжения (наночастицы покрывали тем же белком, что выделяет пораженная ткань).
- Из гражданского строительства — модель осаждения песчаных частиц на дне реки Темзы для описания потока частиц в приграничном слое.
Разработка и валидация модели
Сначала была создана математическая модель. Для её доработки группа Конга провела эксперименты в биокамерах, покрытых эндотелиальными клетками. Наночастицы вводили со скоростью, имитирующей артериальную систему, а затем промывали, чтобы определить концентрацию оставшихся частиц. Модель оптимизировали до тех пор, пока результаты симуляций и экспериментов не стали совпадать.
Потенциал для персонализированной медицины
Модель универсальна и может применяться к разным болезням, формам наночастиц и препаратам. Используя данные МРТ или КТ, можно создать «цифрового двойника» пациента с его уникальной структурой артерий, давлением, составом и вязкостью крови. Это позволяет оптимизировать лечение в цифровой среде для конкретного человека, сокращая время подбора оптимального протокола с месяцев или лет до 24–48 часов вычислений на суперкомпьютере.
Неожиданный вывод об оптимальном размере частиц
Моделирование и эксперименты показали, что более крупные частицы лучше удерживаются на эндотелиальном слое. Хотя обычно фокус был на малых частицах (чтобы проходить через капилляры), симуляция выявила значительную потерю мелких частиц из-за смыва потоком.
- Частицы 200 нанометров имели проблемы с отсоединением.
- Частицы 1000 нанометров были слишком велики для транспорта.
- Оптимальным размером для адгезии к сосудистой стенке оказались частицы 700 нанометров.
Это открытие подчеркивает важность моделирования, особенно с учетом различий в физиологических свойствах и кровотоке между модельными животными и человеком.