Stanford-onderzoekers hebben een computersimulatie gemaakt, gevalideerd door experimentele resultaten, om te helpen bij het ontwerpen van nanodeeltjes voor medicijnafgifte die kankerbestrijdende medicijnen rechtstreeks naar tumoren transporteren, terwijl de mogelijke bijwerkingen op gezonde cellen worden geminimaliseerd.

Bryan Smit, directeur van het Translational Nanomedicine laboratorium in het Radiology and Molecular Imaging Program aan Stanford, en Eric Shaqfeh, hoogleraar chemische technologie en werktuigbouwkunde, beschrijven hun werk in het nummer van 18 september van Biofysisch tijdschrift .

Het onderzoek bouwt voort op eerder onderzoek, waaruit bleek dat medicijnen die zijn ingebed in nanodeeltjes over het algemeen beter in staat zijn om biologische barrières te omzeilen dan vrij rondlopende medicijnmoleculen. Maar zelfs nanodeeltjes hebben tot nu toe beperkt succes getoond bij het bereiken van hun doelen. De kritieke wegversperring is het krijgen van het medicijn uit de bloedbaan in de tumor. Dus, in hun studie, de onderzoekers probeerden de optimale vorm voor nanodeeltjes te identificeren om als een moleculaire drager te fungeren om medicijnen met kleine moleculen uit de bloedvaten te krijgen en in de interstitiële vloeistoffen die de tumor baden, waar de medicijnen kankercellen kunnen binnendringen. Eenmaal binnen, de nanodeeltjes lossen op, waardoor de medicijnmoleculen de tumorcellen kunnen doden.

De strategie voor het afleveren van nanodeeltjes maakt gebruik van een van de grote zwakheden van kanker:de lukrake manier waarop tumoren groeien.

Door Shaqfeh's inzichten in vloeistofdynamica te combineren met Smith's kennis van nanodeeltjesstroming en vasculaire biologie, door middel van simulaties en experimenten lieten de onderzoekers zien hoe nanodeeltjes van verschillende vormen door bloedvaten stromen, tuimelen door deze poriën in de tumorbloedvaten en bereiken kwaadaardige cellen.

De onderzoekers zeiden dat omdat kankers heel verschillend kunnen zijn, de vormen en afmetingen van nanodeeltjesafgiftesystemen moeten mogelijk worden aangepast aan de specifieke tumor. In tegenstelling tot eerdere modellen, die de vormen van nanodeeltjes versimpelde, de onderzoekers zeggen dat hun model naar verwachting medicijnontwerpers zal helpen de optimale deeltjesvorm en -grootte nauwkeurig te voorspellen om de tumor het meest effectief te behandelen.

Het Stanford-team valideerde ook hun theoretische aannames met praktijkexperimenten. Door simulaties te combineren met experimenten konden ze onthullen dat lange, dun, zogenaamde eendimensionale deeltjes gaan meestal het beste door de poriën. De onderzoekers ontdekten ook dat het voorheen over het hoofd geziene diffusieproces, waardoor deeltjes bewegen van gebieden met een hogere naar een lagere concentratie, kan een onverwacht grote rol spelen bij het bepalen of nanodeeltjes door de poriën glippen.

In toekomstig onderzoek, Smith en Shaqfeh hopen te onderzoeken hoe de polymeren die de nanodeeltjes biocompatibel maken, hun afgifte-eigenschappen regelen. Ze zijn ook van plan hun modellen uit te breiden met elektrische krachten die ervoor kunnen zorgen dat poriën nanodeeltjes aantrekken of afstoten.