Улучшение компьютерного моделирования для проектирования наноносителей доставки лекарств

Исследователи из Университета Пенсильвании разработали компьютерную модель, которая поможет в проектировании наноносителей — микроскопических структур для направленной доставки лекарств к мишеням в организме. Модель точнее учитывает, как поверхность разных типов клеток колеблется из-за тепловых флуктуаций. Это позволяет определить характеристики наноносителей, которые помогут им дольше удерживаться на клетках для высвобождения терапевтического груза.

Исследование возглавили Рави Радхакришнан, профессор кафедр биоинженерии, химической и биомолекулярной инженерии, и Рамакришнан Натесан из его лаборатории. В работе также участвовали Ричард Турдот, Дэвид Экманн, Портоново Айясвами и Владимир Музыкантов.

Работа опубликована в журнале Royal Society Open Science.

Поверхность наноносителей можно функционализировать молекулами, которые связываются только с биомаркерами на определённом типе клеток. Такое таргетирование может снизить побочные эффекты (например, когда химиотерапевтические препараты поражают здоровые клетки вместо раковых), но биомеханика процесса связывания сложна.

Предыдущие исследования этой группы выявили контр-интуитивную зависимость: увеличение количества таргетных молекул на поверхности наноносителя не всегда улучшает его эффективность.

Наноноситель с большим числом таких молекул может связаться сразу со многими соответствующими биомаркерами. Хотя такая конфигурация стабильна, она может снизить способность наноносителя различать здоровые и поражённые ткани. Меньшее количество таргетных молекул делает наноноситель более селективным, так как ему будет сложнее связаться со здоровой тканью, где соответствующие биомаркеры не экспрессированы в избытке.

Новое исследование добавляет в модель взаимодействия клеточной поверхности и наноносителя новые параметры.

«Поверхность клетки сама по себе похожа на шатёр в ветреный день в пустыне. Чем больше избытка ткани, тем сильнее трепещет шатёр. Аналогично, чем больше избыточной площади клеточной мембраны на «столбах шатра» — цитоскелете клетки — тем сильнее колебания мембраны из-за теплового движения», — пояснил Радхакришнан.

Команда обнаружила, что разные типы клеток имеют различное количество этой избыточной мембранной площади, и именно этот механический параметр определяет, насколько хорошо наноносители могут связываться с клеткой. Учёт колебаний мембраны в компьютерных моделях (в дополнение к количеству таргетных молекул на наноносителе и биомаркеров на поверхности клетки) подчеркивает важность этих механических аспектов для эффективности доставки терапевтического груза.

«Эти критерии проектирования могут быть использованы для создания индивидуальных наноносителей для конкретного пациента или группы пациентов, что указывает важный путь вперёд для кастомизированного дизайна наноносителей в эпоху персонализированной медицины», — отметил Радхакришнан.