Geneesmiddelen en vaccins circuleren door het vasculaire systeem en reageren volgens hun chemische en structurele aard. In sommige gevallen, ze zijn bedoeld om te verspreiden. In andere gevallen, zoals kankerbehandelingen, het beoogde doel is sterk gelokaliseerd. De effectiviteit van een medicijn - en hoeveel er nodig is en de bijwerkingen die het veroorzaakt - hangt af van hoe goed het zijn doel kan bereiken.

"Bij veel medicijnen gaat het om intraveneuze injecties van medicijndragers, " zei Ying Li, een assistent-professor werktuigbouwkunde aan de Universiteit van Connecticut. "We willen dat ze kunnen circuleren en de juiste plaats op het juiste moment kunnen vinden en de juiste hoeveelheid medicijnen vrijgeven om ons veilig te beschermen. Als je fouten maakt, er kunnen vreselijke bijwerkingen zijn."

Li bestudeert nanomedicijnen en hoe ze kunnen worden ontworpen om efficiënter te werken. Nanogeneeskunde omvat het gebruik van materialen op nanoschaal, zoals biocompatibele nanodeeltjes en nanorobots, voor diagnose, levering, detectie- of activeringsdoeleinden in een levend organisme. Zijn werk maakt gebruik van de kracht van supercomputers om de dynamiek van nanodrugs in de bloedbaan te simuleren, nieuwe vormen van nanodeeltjes ontwerpen, en manieren vinden om ze te beheersen.

Over de afgelopen tien jaar, met steun van de National Science Foundation, Li en zijn team hebben veel belangrijke aspecten van nanomedicijnen onderzocht, baanbrekende methoden om hun stroom te modelleren en hoe ze omgaan met structuren in het lichaam.

"Mijn onderzoek is gericht op het bouwen van high-fidelity, krachtige computerplatforms om het gecompliceerde gedrag van deze materialen en de biologische systemen tot op nanoschaal te begrijpen, " hij zei.

"Ik ben een 100% computationeel persoon, er zijn geen vuile handen, " zei Li. "Vanwege de grootte van deze deeltjes, dit probleem is heel moeilijk te bestuderen met behulp van experimenten."

Inschrijven Zachte materie in januari 2021, Li beschreef de resultaten van een onderzoek waarin werd gekeken naar hoe nanodeeltjes van verschillende groottes en vormen — waaronder nanowormen — bewegen in bloedvaten met verschillende geometrieën, het nabootsen van de vernauwde microvasculatuur. Nanowormen zijn lang, dun, gemanipuleerde inkapseling van de inhoud van geneesmiddelen.

"We ontdekten dat het transport van deze nanowormen wordt gedomineerd door rode bloedcellen, " die 40% tot 50% van de stroom uitmaken, legde Li uit. "Het is alsof je op de snelweg rijdt - de bouw vertraagt ​​het verkeer. Medicijnen worden door individuele rode bloedcellen vervoerd en naar nauwe gebieden gesleept en vast komen te zitten."

Hij stelde vast dat nanowormen efficiënter door de bloedbaan kunnen reizen, door blokkades gaan waar bolvormige of platte vormen vast komen te zitten.

"De nanoworm beweegt als een slang. Hij kan tussen rode bloedcellen zwemmen, waardoor het gemakkelijker wordt om krappe plekken te ontsnappen, ' zei Li.

Snelheid is van essentieel belang - drugs moeten hun bestemming bereiken voordat ze worden ontdekt en geneutraliseerd door het immuunsysteem van het lichaam, die altijd op zoek is naar vreemde deeltjes.

De eerste op nanodeeltjes gebaseerde behandeling die door de FDA werd goedgekeurd voor kanker was Doxil - een formulering van het chemotherapiemiddel doxorubicine. Momenteel zijn er nog veel meer in ontwikkeling. Echter, een studie uit 2016 in Materialen voor natuurrecensies gevonden dat slechts 0,7% van een toegediende dosis nanodeeltjes wordt afgegeven aan een solide tumor.

"We weten dat moleculen van geneesmiddelen tegen kanker zeer giftig zijn, " zei Li. "Als ze niet naar de juiste plek gaan, ze doen veel pijn. We kunnen de dosering verlagen als we de bevalling actief begeleiden."

Op maat gemaakte vormen zijn een manier om de levering van kankermedicijnen te verbeteren. (Momenteel, 90% van de toegediende nanodeeltjes is bolvormig.) Een andere manier is om medicijnen naar hun doelwit te lokken.

Li's team heeft computationeel gemodelleerde nanodeeltjes die kunnen worden gemanipuleerd met een magnetisch veld. In een artikel uit 2018 in de Proceedings van de Royal Society , ze toonden aan dat zelfs een kleine magnetische kracht de nanodeeltjes uit de bloedstroom kan duwen, waardoor een veel groter aantal deeltjes de juiste bestemming bereikt.

Li's werk wordt mogelijk gemaakt door de Frontera-supercomputer in het Texas Advanced Computing Center (TACC), de negende snelste ter wereld. Li was een vroege gebruiker van het systeem toen het in 2019 werd gelanceerd, en heeft Frontera sindsdien continu gebruikt om verschillende simulaties uit te voeren.

"We bouwen high-fidelity computermodellen op Frontera om het transportgedrag van nanodeeltjes en nanowormen te begrijpen om te zien hoe ze in de bloedstroom circuleren, " zei Li. Zijn grootste modellen zijn meer dan 1, 000 micrometer lang en bevatten duizenden rode bloedcellen, in totaal miljarden onafhankelijke manieren waarop het systeem kan bewegen.

"Geavanceerde bronnen voor cyberinfrastructuur, zoals Frontera, onderzoekers in staat stellen te experimenteren met nieuwe kaders en innovatieve modellen te bouwen die, in dit voorbeeld, ons helpen de menselijke bloedsomloop op een nieuwe manier te begrijpen, " zei Manish Parashar, Directeur van het NSF Office for Advanced Cyberinfrastructure. "NSF ondersteunt Frontera als onderdeel van een breder ecosysteem van investeringen in cyberinfrastructuur, inclusief software en data-analyse, die de grenzen van de wetenschap verleggen om inzichten op te leveren die onmiddellijk in ons leven kunnen worden toegepast."

Frontera stelt Li niet alleen in staat om computationele experimenten uit te voeren, maar ook om een ​​nieuw computationeel raamwerk te ontwikkelen dat vloeistofdynamica en moleculaire dynamica combineert.

Inschrijven Computer Natuurkunde Communicatie in 2020, hij beschreef OpenFSI:een zeer efficiënt en draagbaar simulatiepakket voor vloeistofstructuren op basis van de ondergedompelde grensmethode. Het computationele platform dient als een hulpmiddel voor de bredere gemeenschap van geneesmiddelenontwerp en kan worden vertaald voor vele andere technische toepassingen, zoals additieve fabricage, chemische verwerking en onderwaterrobotica.

"Het huidige rekenmodel omvat veel belangrijke processen, maar het hele proces is zo ingewikkeld. Als u een patiëntspecifiek vaatstelselnetwerk overweegt, dat maakt ons rekenmodel onhandelbaar, ' zei Li.

Hij maakt gebruik van kunstmatige intelligentie (AI) en machine learning om te dienen als een hogesnelheidsvoertuig voor de snelle generatie van nieuwe ontwerpen en methoden voor nanodeeltjes. Zoals alle AI en machine learning, deze aanpak vereist enorme hoeveelheden data. In het geval van Li de gegevens zijn afkomstig van simulaties op Frontera.

"We bouwen momenteel de trainingsdatabase voor het machine learning-aspect van ons werk. We hebben veel simulaties met verschillende scenario's uitgevoerd om brede trainingsgegevens te krijgen, Li legde uit. "Dan, we kunnen het neurale netwerk vooraf trainen met behulp van de hypothetische gegevens die we uit deze simulaties halen, zodat ze de effecten snel en efficiënt kunnen voorspellen."

Li's typische simulaties gebruiken 500 tot 600 processors, hoewel sommige aspecten van het onderzoek tot 9, 000 processors die parallel werken. "Mijn onderzoeksproductiviteit hangt samen met de snelheid van het systeem dat ik gebruik. Frontera was fantastisch."

Als mensen zich medisch onderzoek voorstellen, ze denken meestal aan laboratoriumexperimenten of medicijnproeven, maar er zijn beperkingen aan dit soort werk, economisch of fysiek, zei Li.

"De computationele benadering wordt krachtiger en voorspellender, " zei hij. "We moeten profiteren van computationele simulaties voordat we zeer dure experimenten uitvoeren om het probleem te rationaliseren en betere begeleiding te bieden."