Een team van onderzoekers van de Universiteit van Pennsylvania heeft een computermodel ontwikkeld dat zal helpen bij het ontwerp van nanodragers, microscopische structuren die worden gebruikt om medicijnen naar hun doelen in het lichaam te leiden. Het model houdt beter rekening met hoe de oppervlakken van verschillende soorten cellen golven als gevolg van thermische fluctuaties, informerende kenmerken van de nanodragers die hen helpen lang genoeg aan cellen te blijven plakken om hun nuttige lading af te leveren.

De studie werd geleid door Ravi Radhakrishnan, een professor in de afdelingen bio-engineering en chemische en biomoleculaire engineering in Penn's School of Engineering and Applied Science, en Ramakrishnan Natesan, een lid van zijn laboratorium.

Ook bijgedragen aan de studie waren Richard Tourdot, een lid van het Radhakrishnan-lab; David Eckmann, de Horatio C. Wood hoogleraar anesthesiologie en kritieke zorg aan de Perelman School of Medicine van Penn; Portonovo Ayyaswamy, de Asa Whitney hoogleraar Werktuigbouwkunde en Toegepaste Mechanica in Penn Engineering; en Vladimir Muzykantov, een professor in de farmacologie in Penn Medicine.

Het werd gepubliceerd in het tijdschrift Royal Society Open Science .

Nanodragers kunnen worden ontworpen met moleculen aan de buitenkant die alleen binden aan biomarkers die op een bepaald type cel worden aangetroffen. Dit type targeting kan bijwerkingen verminderen, zoals wanneer chemotherapiemedicijnen gezonde cellen vernietigen in plaats van kankercellen, maar de biomechanica van dit bindingsproces is complex.

Eerder werk van enkele van de onderzoekers onthulde een contra-intuïtieve relatie die suggereerde dat het toevoegen van meer doelgerichte moleculen op het oppervlak van de nanodrager niet altijd beter is.

Een nanodrager met meer van die targeting-moleculen kan veel van de overeenkomstige biomarkers tegelijk vinden en eraan binden. Hoewel een dergelijke configuratie stabiel is, het kan het vermogen van de nanodrager om onderscheid te maken tussen gezonde en zieke weefsels verminderen. Het hebben van minder targeting moleculen maakt de nanocarrier selectiever, omdat het moeilijker zal binden aan gezond weefsel waar de overeenkomstige biomarkers niet tot overexpressie worden gebracht.

De nieuwe studie van het team voegt nieuwe dimensies toe aan het model van het samenspel tussen het cellulaire oppervlak en de nanodrager.

"Het celoppervlak zelf is als een caravantent op een winderige dag in een woestijn, " zei Radhakrishnan. "Hoe meer overtollige stof, hoe meer het gefladder van de tent. evenzo, hoe meer overtollig celmembraanoppervlak op de 'tentpalen, ' het cytoskelet van de cel, hoe meer het membraan fladdert als gevolg van thermische beweging."

Het Penn-team ontdekte dat verschillende celtypen verschillende hoeveelheden van dit overtollige membraanoppervlak hebben en dat deze mechanische parameter bepaalt hoe goed nanodragers aan de cel kunnen binden. Rekening houdend met het fladderen van het membraan in hun computermodellen, naast de hoeveelheid targeting moleculen op de nanocarrier en biomarkers op het celoppervlak, heeft het belang benadrukt van deze mechanische aspecten in hoe efficiënt nanodragers hun nuttige lading kunnen afleveren.

"Deze ontwerpcriteria, "Radhakrishnan zei, "kan worden gebruikt bij het op maat ontwerpen van nanodragers voor een bepaalde patiënt of patiëntcohort, vandaar een belangrijke weg vooruit voor het ontwerp van nanocarriers op maat in het tijdperk van gepersonaliseerde geneeskunde."