Stanford-forskare har skapat en datorsimulering, valideras av experimentella resultat, att hjälpa till att designa nanopartiklar för läkemedelsleverans som transporterar cancerbekämpande läkemedel direkt till tumörer, samtidigt som de potentiella biverkningarna på friska celler minimeras.

Bryan Smith, chef för Translational Nanomedicine-laboratoriet i Radioology and Molecular Imaging Program vid Stanford, och Eric Shaqfeh, professor i kemiteknik och maskinteknik, beskriv deras arbete i numret 18 september av Biofysisk tidskrift .

Studien bygger på tidigare forskning, som visade att läkemedel inbäddade i nanopartiklar generellt sett har bättre förmåga att undvika biologiska barriärer än fritt strövande läkemedelsmolekyler. Ändå har även nanopartiklar hittills visat begränsad framgång för att nå sina mål. Den kritiska vägspärren har varit att få läkemedlet från blodomloppet in i tumören. Så, i sin studie, forskarna försökte identifiera den optimala formen för nanopartiklar att fungera som en molekylär bärare för att få ut småmolekylära läkemedel ur blodkärlen och in i de interstitiella vätskorna som badar tumören där läkemedlen kan tränga in i cancerceller. Väl inne, nanopartiklarna löses upp, tillåta läkemedelsmolekylerna att döda tumörcellerna.

Strategin för leverans av nanopartiklar utnyttjar en av cancerns stora svagheter:det slumpmässiga sättet på vilket tumörer växer.

Genom att kombinera Shaqfehs insikter i vätskedynamik med Smiths kunskap om nanopartikelflöde och vaskulär biologi, genom simuleringar och experiment visade forskarna hur nanopartiklar av olika former strömmar genom blodkärlen, tumla genom dessa porer i tumörens blodkärl och nå maligna celler.

Forskarna sa att eftersom cancer kan vara väldigt olika, formerna och storlekarna på tillförselsystem för nanopartiklar kan behöva skräddarsys för den specifika tumören. Till skillnad från tidigare modeller, vilket förenklade nanopartikelformer, forskarna säger att deras modell förväntas hjälpa läkemedelsdesigners att exakt förutsäga den optimala partikelformen och storleken för att på bästa sätt kunna behandla tumören.

Stanford-teamet validerade också sina teoretiska antaganden med verkliga experiment. Att kombinera simuleringar med experiment hjälpte dem att avslöja så länge, tunn, så kallade endimensionella partiklar passerar vanligtvis porerna bäst. Forskarna lärde sig också att den tidigare förbisedda diffusionsprocessen, genom vilka partiklar rör sig från områden med högre till lägre koncentration, kan spela en oväntat stor roll för att styra om nanopartiklar glider genom porerna.

I framtida forskning, Smith och Shaqfeh hoppas kunna utforska hur polymererna som gör nanopartiklarna mer biokompatibla styr deras leveransegenskaper. De planerar också att bredda sina modeller till att inkludera elektriska krafter som kan få porer att attrahera eller stöta bort nanopartiklar.