Met behulp van computationele modellering, onderzoekers van de Carnegie Mellon University, de Colorado School of Mines en de Universiteit van Californië, Davis heeft een ontwerp bedacht voor een beter liposoom. Hun bevindingen, terwijl theoretisch, zou de basis kunnen vormen voor het efficiënt bouwen van nieuwe voertuigen voor de levering van nanodrugs.

Liposomen zijn kleine containers met omhulsels gemaakt van lipiden, hetzelfde materiaal waaruit het celmembraan bestaat. In recente jaren, liposomen zijn gebruikt voor gerichte medicijnafgifte. In dit proces, het membraan van een geneesmiddelbevattend liposoom is zo ontworpen dat het eiwitten bevat die complementaire eiwitten op het membraan van een zieke of disfunctionele cel herkennen en ermee interageren. Nadat de geneesmiddelbevattende liposomen zijn toegediend, ze reizen door het lichaam, idealiter verbinden met gerichte cellen waar ze het medicijn afgeven.

Deze verpakkingstechniek wordt vaak gebruikt bij zeer giftige nanodrugs, zoals chemotherapie medicijnen, in een poging om te voorkomen dat het vrije medicijn niet-kankercellen beschadigt. Echter, studies van dit leveringsmodel hebben aangetoond dat in veel gevallen minder dan 10 procent van de door liposomen getransporteerde geneesmiddelen in tumorcellen terechtkomen. Vaak, het liposoom breekt open voordat het een tumorcel bereikt en het medicijn wordt opgenomen in de organen van het lichaam, inclusief de lever en milt, resulterend in toxische bijwerkingen.

"Zelfs met de huidige vormen van gerichte medicijnafgifte, behandelingen zoals chemotherapie zijn nog steeds erg brutaal. We wilden zien hoe we gerichte medicijnafgifte kunnen verbeteren, " zei Markus Deserno, hoogleraar natuurkunde aan Carnegie Mellon en lid van het Universitair Centrum voor Membraanbiologie en Biofysica.

In een paper gepubliceerd in ACS Nano , Deserno en collega's stellen voor dat gerichte medicijnafgifte kan worden verbeterd door stabielere liposomen te maken. Met behulp van drie verschillende soorten computermodellering, ze hebben aangetoond dat liposomen steviger kunnen worden gemaakt door een kern van nanodeeltjes op te nemen die is gemaakt van een materiaal zoals goud of ijzer en die kern te verbinden met het membraan van het liposoom met behulp van polymeerkabels. De kern en de tethers fungeren als een hub-and-spoke-achtige steiger en schokabsorberend systeem dat het liposoom helpt de spanningen en spanningen te doorstaan ​​die het tegenkomt terwijl het door het lichaam naar zijn doelwit reist.

Francesca Stanzione en Amadeu K. Sum van de Colorado School of Mines voerden een fijnkorrelige simulatie uit waarin werd gekeken hoe de polymeerkabels het membraan van het liposoom op atomistisch niveau verankeren. Roland Faller van UC Davis deed een simulatie op mesoschaal waarin werd gekeken hoe een aantal koorden zich aan een klein stukje membraan vasthielden. Met elk van deze simulaties konden onderzoekers kijken naar kleinere componenten van het liposoom, nanodeeltjeskern en tethers, maar niet de hele structuur.

Om de hele structuur te zien, Carnegie Mellons Deserno en Mingyang Hu ontwikkelden een grofkorrelig model dat groeperingen van componenten weergeeft in plaats van individuele atomen. Bijvoorbeeld, één lipide in het celmembraan kan 100 atomen hebben. In een fijnkorrelige simulatie, elk atoom zou worden vertegenwoordigd. In Deserno's grove korrelsimulatie, die atomen kunnen worden weergegeven door slechts drie stukken in plaats van 100.

"Het is onhaalbaar om naar de volledige constructie op atomistisch niveau te kijken. Er zijn te veel atomen om te overwegen, en de termijn is te lang. Zelfs met de meest geavanceerde supercomputer, we zouden niet de macht hebben om een ​​simulatie op atoomniveau uit te voeren, "Zei Deserno. "Maar de fysica die er toe doet, is niet lokaal specifiek. Het lijkt meer op fysica van zachte materie, die kan worden beschreven met een veel grovere resolutie."

Dankzij Deserno's simulatie konden de onderzoekers zien hoe het hele versterkte liposoomconstruct reageerde op stress en spanning. Ze stelden voor dat als een liposoom de juiste maat hub en tethers kreeg, het membraan zou veel veerkrachtiger zijn, buigen om impact en druk te absorberen.

Aanvullend, ze konden simuleren hoe ze het liposoom het beste konden assembleren, hub en tether-systeem. Ze ontdekten dat als de hub en tether zijn bevestigd en in een oplossing van lipiden worden geplaatst, en oplosmiddelomstandigheden geschikt worden gekozen, een liposoom van de juiste grootte zou zichzelf rond de hub en de tuiers assembleren.

De onderzoekers hopen dat chemici en medicijnontwikkelaars op een dag hun simulaties zullen kunnen gebruiken om te bepalen welke kern- en polymeerkabels ze nodig hebben om effectief een liposoom te beveiligen dat is ontworpen om een ​​specifiek medicijn of ander nanodeeltje af te leveren. Het gebruik van dergelijke simulaties zou de ontwerpparameters kunnen beperken, het ontwikkelingsproces versnellen en de kosten verlagen.