Med hjälp av beräkningsmodellering, forskare vid Carnegie Mellon University, Colorado School of Mines och University of California, Davis har kommit på en design för en bättre liposom. Deras fynd, medan det är teoretiskt, skulle kunna utgöra grunden för att effektivt konstruera nya fordon för nanodrugleverans.

Liposomer är små behållare med skal av lipider, samma material som utgör cellmembranet. Under de senaste åren har liposomer har använts för riktad läkemedelsleverans. I denna process, membranet hos en läkemedelsinnehållande liposom är konstruerad för att innehålla proteiner som kommer att känna igen och interagera med komplementära proteiner på membranet i en sjuk eller dysfunktionell cell. Efter att de läkemedelsinnehållande liposomerna administrerats, de reser genom kroppen, idealiskt ansluta till riktade celler där de släpper ut läkemedlet.

Denna förpackningsteknik används ofta med mycket giftiga nanodroger, som kemoterapimedicin, i ett försök att förhindra att det fria läkemedlet skadar icke-cancerceller. Dock, studier av denna leveransmodell har visat att i många fall hamnar mindre än 10 procent av de läkemedel som transporteras av liposomer i tumörceller. Ofta, liposomen bryts upp innan den når en tumörcell och läkemedlet absorberas i kroppens organ, inklusive lever och mjälte, resulterar i giftiga biverkningar.

"Även med nuvarande former av riktad läkemedelsleverans, behandlingar som kemoterapi är fortfarande mycket brutala. Vi ville se hur vi kan göra målinriktade läkemedelsleveranser bättre, "sade Markus Deserno, professor i fysik vid Carnegie Mellon och medlem i universitetets Center for Membrane Biology and Biophysics.

I ett papper publicerat i ACS Nano , Deserno och kollegor föreslår att riktad läkemedelsleverans kan förbättras genom att göra mer stabila liposomer. Med hjälp av tre olika typer av datormodellering, de har visat att liposomer kan göras stabilare genom att införliva en nanopartikelkärna tillverkad av ett material som guld eller järn och ansluta den kärnan till liposomens membran med hjälp av polymertetrar. Kärnan och fästen fungerar som ett nav-och-ekarliknande ställning och stötdämparsystem som hjälper liposomen att klara av de påfrestningar och påfrestningar den möter när den färdas genom kroppen till dess mål.

Francesca Stanzione och Amadeu K. Summa från Colorado School of Mines genomförde en finkornig simulering som tittade på hur polymeren fastnar liposomens membran på atomistisk nivå. Roland Faller från UC Davis gjorde en meso-skala simulering som tittade på hur ett antal tetrar höll fast vid ett litet membran. Var och en av dessa simuleringar gjorde det möjligt för forskare att titta på mindre komponenter i liposomen, nanopartikelkärna och fästen, men inte hela strukturen.

För att se hela strukturen, Carnegie Mellons Deserno och Mingyang Hu utvecklade en grovkornig modell som representerar grupper av komponenter snarare än enskilda atomer. Till exempel, en lipid i cellmembranet kan ha 100 atomer. I en finkornig simulering, varje atom skulle representeras. I Desernos grovkornsimulering, dessa atomer kan representeras av endast tre bitar istället för 100.

"Det är omöjligt att titta på den fullständiga konstruktionen på atomistisk nivå. Det finns för många atomer att tänka på, och tidsramen är för lång. Även med den mest avancerade superdatorn, vi skulle inte ha makt att köra en simulering på atomnivå, "Sade Deserno." Men fysiken som spelar roll är inte lokalt specifik. Det är mer som mjuk materiefysik, som kan beskrivas med en mycket grövre upplösning. "

Desernos simulering gjorde det möjligt för forskarna att se hur hela den förstärkta liposomkonstruktionen reagerade på stress och påfrestningar. De föreslog att om en liposom gavs rätt nav och fästrar, dess membran skulle vara mycket mer motståndskraftigt, böjning för att absorbera stötar och tryck.

Dessutom, de kunde simulera hur man bäst monterar liposomen, nav- och kopplingssystem. De fann att om navet och fästet fästs och placeras i en lösning av lipider, och lösningsmedelsförhållanden väljs lämpligt, en korrekt storlek liposom skulle självmonteras runt navet och tetsar.

Forskarna hoppas att kemister och läkemedelsutvecklare en dag kommer att kunna använda sina simuleringar för att avgöra vilken storlek kärna och polymerpinnar de skulle behöva för att effektivt säkra en liposom som är utformad för att leverera ett specifikt läkemedel eller annan nanopartikel. Att använda sådana simuleringar kan begränsa designparametrarna, påskynda utvecklingsprocessen och minska kostnaderna.