Bio-ingenieurs kunnen slimme medicijnen ontwerpen voor op antilichamen en nanomaterialen gebaseerde therapieën om de efficiëntie van geneesmiddelen te optimaliseren voor steeds efficiëntere, preklinische studies in een vroeg stadium. Het ideale medicijn zal maximale efficiëntie hebben op doelweefselplaatsen voor transport van het weefselvasculatuur naar de cellulaire omgeving. Onderzoekers kunnen biologische simulaties gebruiken die zijn gekoppeld aan in vitro benaderingen om hun blootstelling snel en efficiënt te voorspellen om de biodistributie van geneesmiddelen in afzonderlijke cellen van levend dierlijk weefsel te voorspellen zonder afhankelijk te zijn van dierstudies. In een nieuwe studie die nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Edward Price en Andre J. Gesquiere gebruikten met succes een in vitro assay en computational fluid dynamic (CFD) -model om in vitro celkinetiek te vertalen naar simulaties van het hele lichaam voor meerdere soorten en soorten nanomateriaal. Het werk stelde hen in staat om de distributie van geneesmiddelen in individuele weefselcellen te voorspellen en het team verwacht dat dit werk zal verfijnen, dierproeven verminderen en vervangen, terwijl wetenschappers een frisse kijk krijgen op de ontwikkeling van geneesmiddelen.

Nanomedicijnen (NM's) in de vorm van antilichamen en synthetische nanomaterialen kunnen een aanvulling vormen op conventionele medicijnen met kleine moleculen door middel van actieve weefseltargeting, variabele circulatietijden en stabiliteit, gekoppeld aan instelbare biodistributie. Onderzoeksteams vertrouwen sterk op diermodellen om afgeleverde doses te kwantificeren, vragen opwerpen over ethiek en stijgingen in tijd en kosten. Vanuit wetenschappelijk oogpunt, weefselarchitectuurvernietiging uitgevoerd tijdens weefselhomogenisatie voor kwantificering kan kritische kennis van nanomedicijntransport in weefselcellen en vasculatuur elimineren. Een medicijn kan cellen bereiken door een optimale farmacokinetiek van plasma te vertonen om de weefselvasculatuur te bereiken. De architectuur en de diameter van de nanodeeltjes zorgen voor kritisch transport van het medicijn over de wanden van microvaten naar een geïnfecteerde of normale weefselcelomgeving.

In het huidige werk, Price en Gesquiere koppelden een in vitro/in silico simulatiebenadering om de biodistributie van NM binnen preklinische soorten (dier- en celmodellen) op het niveau van de enkele cel te voorspellen. Ze hielden rekening met verschillen in nanodeeltjesgrootte, diersoorten en vasculatuur poriegroottediameters met behulp van een vloeistofdynamisch model. Het team kwantificeerde de cellulaire NM-inhoud in situaties waarin de resultaten moeilijk te vertalen waren naar dierstudies vanwege een gebrek aan systematische perspectieven. Ze gingen ook in op bestaande experimentele problemen waarbij cellen degradatie van nanodeeltjesfluorescentie induceerden om valse negatieven te produceren.

Om hun werk in vitro te valideren, het team simuleerde lysosomale analyse gekoppeld aan atomaire absorptiespectroscopie (AAS), en onderbouwde in vivo simulaties door resultaten te vergelijken met de gepubliceerde literatuur van diergegevens over het hele lichaam voor ratten, muizen en niet-menselijke primaten. De wetenschappers gebruikten kwantumdots (QD's) als modelsysteem vanwege hun potentieel in detectie van nanodeeltjes, terwijl ze ook rekening houden met hun grenzen. Prijs et al. hield rekening met de complexiteiten in een NM-platform om de mogelijkheden uit te breiden naar op antilichaam en metaal/polymeer gebaseerde nanodeeltjes.

Wanneer een nanodeeltje door de bloedtoevoer van dieren circuleert om de weefselomgeving binnen te gaan, het zal interageren met weefselcellen via adsorptie, desorptie, internalisatie of actieve opnameprocessen. De wetenschappers stelden nanodeeltjes bloot aan niet-toxische QD's (quantum dots) om hun interacties op fluorescente wijze te detecteren met cellen die vaak worden aangetroffen door NM's, zoals macrofagen, endotheelcellen en epitheelcellen, na intraveneuze injectie. Het onderzoeksteam kwantificeerde de concentratie van nanodeeltjes die in vitro interageren met cellen en bouwde celkinetieksimulaties om de snelheidskinetiek en NM-celinteracties te beoordelen.

De simulatie bevatte een (i) medium, (ii) celmembraan en (iii) celruimtecompartimenten onderling verbonden via basismassaoverdrachtsvergelijkingen en eerste-orde snelheidsconstanten. Ze optimaliseerden het systeem met behulp van een genetisch algoritme in MATLAB en merkten op dat de membraanadsorptiesnelheidsconstante het hoogst was voor macrofagen en het laagst voor endotheel- en levercellen. Van de celtypen, het internalisatieproces was ook relatief het hoogst voor leverweefselcellen en het laagst voor endotheelcellen. Confocale beeldvorming ondersteunde deze gegevens visueel met snelle opname en verzadiging van macrofagen binnen een uur na blootstelling, terwijl epitheliale en endotheliale weefselcellen verder werden vertraagd.

Het team toonde de aanwezigheid van celafbraakfactoren aan in in vitro-assays met behulp van celkinetieksimulaties om de in vitro-gegevens efficiënt te vertalen naar dierstudies. Atoomadsorptiespectroscopie (AAS) valideerde de resultaten van QD-opname via fluorescentieassays en benadrukte het belang van het berekenen van cel- en medium-geïnduceerde afbraak. Aangezien nanomedicijnen (NM's) die zich in weefsels bevinden, zich kunnen ophopen in de interstitia, vasculatuur of in een verscheidenheid aan celtypes, het team vertaalde in vitro cellulaire kinetiek naar in silico diersimulaties om dit te verklaren. Ze voerden twee pilootstudies uit en evalueerden trends in de opname van het hele weefsel als een functie van de grootte en gekwantificeerde NM-opname op het niveau van de enkele cel. architectonisch, elke weefselcompartimentsimulatie bevatte vier subcompartimenten om het epitheliale, endotheel- en macrofaagcellen.

Aangezien de lever en de milt gemeenschappelijke doelen zijn voor NM-accumulatie, ze gebruikten deze weefsels als casestudy's om te begrijpen en vast te leggen, de gevoeligheid en nauwkeurigheid van de simulatie. Bijvoorbeeld, de simulatie toonde aan dat verhoogde NM-afmetingen de weefselporie-afmetingen van de meeste weefseltypes overschreden om naar weefsels met grotere porie-afmetingen zoals de lever te leiden. Op dit punt, de endotheelcellen van de lever interageerden met de NM's voor snelle membraanbinding en verzadiging binnen 24 uur. Toen de NM de interstitia van het weefsel binnenging, interageerde het snel met epitheliale (voor lever) en macrofaag (voor milt) weefselcellen. De resultaten wekten voor het eerst vertrouwen in de voorspellende kracht van de simulatie en het vermogen ervan om de inhoud van geneesmiddelen van variabele grootte op het eencellige niveau voor dieren te voorspellen - strikt gebaseerd op alleen in-vitro-gegevens.

De wetenschappers gaven vervolgens de voorspellende kracht en het translationele vermogen van de simulatie aan door te vergelijken met de gemeten inhoud op weefselniveau voor meerdere NM-typen en soorten, inclusief ratten, muizen en celinhoud (epitheel, endotheel en macrofaag). Ze testten de voorspellende prestaties over meerdere variabelen op basis van de richtlijnen van de Wereldgezondheidsorganisatie en de normen van een academisch en farmaceutisch consortium voor de ontwikkeling en veiligheid van geneesmiddelen. De door het model voorspelde gemiddelden en de waargenomen gemiddelden correleerden lineair om redelijke modelvoorspellingen voor alle soorten en NM-typen aan te geven.

Op deze manier, Edward Price en Andre J. Gesquiere ontwikkelden een levensvatbaar platform om dierproeven tijdens de ontwikkeling van nanogeneeskunde (NM) te verminderen en te verfijnen. De in vitro geconcentreerde gegevens gekoppeld aan celkinetieksimulaties leverden cel-NM-interacties op om een ​​uitstekend translationeel potentieel aan te tonen. De resultaten hoefden niet te worden aangepast aan datasets voor biodistributie van dieren, aangezien alle parameters werden geoptimaliseerd voor in vitro-gegevens of berekend met behulp van een vloeistofdynamisch model. Het proces werkte ook onder omstandigheden van NM-degradatie in de biologische omgeving. De gecombineerde in vitro- en in silico-technieken zullen helpen bij het toekomstige slimme medicijnontwerp om wetenschappers te helpen betere en geïnformeerde discussies te voeren en tegelijkertijd het testen van levende dieren te verminderen. Price en Gesquiere verwachten dat dit werk een nieuwe benadering zal zijn voor voorspellende simulaties van transport van nanomedicijnen.

© 2020 Wetenschap X Netwerk