220奈米顆粒(上)和750奈米顆粒(下)的顆粒粘附室流動模擬
盡管近年來在主串流媒體上獲得了不好的名聲，但奈米顆粒已經成功地用於靶向藥物輸送系統幾十年了。藥物分子可以被包裹在可生物降解的奈米顆粒中，以輸送到特定的細胞或病變組織。然而，血流動力學可以顯著影響奈米顆粒在靶點的結合能力，並在藥物釋放前保持足夠長的粘附時間。
伊利諾大學厄巴納-香檳分校的教授Arif Masud和Hyunjoon Kong從土木、機械、電氣和化學工程中汲取靈感，開發並測試了一種新的數學模型，以準確模擬血液流動對奈米顆粒藥物載體粘附和保留的影響。該模型與體外實驗密切相關，證明了基於模型的模擬對奈米載體最佳化的影響。反過來，這將加速藥物設計和針對患者的治療。
這項研究的結果最近發表在【美國國家科學院院刊】上。
雖然透過血液將治療藥物輸送到病變組織的治療方法是有效的，但目前尚不清楚血流動力學能在多大程度上影響奈米顆粒藥物載體在靶點的滯留，這在動物模型和人類模型之間可能有很大不同。有許多因素會影響一個人的血流量，包括他們的年齡、性別和體育活動水平，使其成為一個非常復雜的問題。
馬蘇德解釋說:「以高層建築為例:有很多管道和很多角度，但水會到達建築的每個地方。」「同樣，我們的身體也有類似的網路，但‘管道’一直在移動和彎曲。這項工作的主要貢獻是開發了一種技術，可以透過計算流速、運輸到特定點以及奈米載體附著到該地點來最佳化藥物輸送。」
Kong補充說:「已經有使用小鼠模型和體外組織模型的研究。然而，我們一直在設計奈米粒子，主要是透過試驗和錯誤。在物理學的指導下，這是第一次有更系統、更可靠的奈米顆粒設計的演示。」
馬蘇德和他的團隊研究血液流動的數學模型已經有一段時間了，但是模型和實驗數據並沒有得出相同的結果，因為他們假設血液流動發生在一個理想的環境中。他們意識到他們需要引入新的想法來獲得匹配的結果。
首先，內皮細胞表面——排列在血管上的單細胞層——在微觀尺度上不像拋光玻璃那樣光滑。為了調整這種粗糙度，他們結合了機械工程中的粗糙度模型，該模型解釋了材料在接觸時受到力的變形。這種模型通常用於金屬，但研究人員將其修改為細胞材料。
然後，為了將奈米載體從大量血流中吸引到內皮表面，然後穿透病變組織，他們使用了電氣工程中的勞侖茲力的概念。他們不是利用磁性吸引，而是利用蛋白質-蛋白質的吸重力，在奈米載體上塗上由病變組織在目標部位分泌的相同蛋白質。
最後，馬蘇德的團隊實際上從一篇古老的土木工程論文中獲得了靈感，該論文研究了泰晤士河河床上沙粒的表面形成和沈積。他們利用這一點建立了邊界層區域的粒子流動模型。
馬蘇德說:「我們從非常不同的工程領域獲得了這些新想法，這個模型開始起作用了。」
Masud的團隊首先開發了數學模型，然後對其進行了改進，Kong的團隊在精心設計的內皮細胞分層生物室中進行了實驗。奈米顆粒以復制軔脈系統的速度註入，然後在洗滌迴圈中沖洗，以確定剩余顆粒的濃度。在此基礎上，進一步最佳化模型，直到仿真和實驗結果接近。
Masud解釋說:「這個模型非常通用，可以套用於任何型別的疾病、不同形狀的奈米顆粒和不同的藥物。」「電腦模型的美妙之處在於，我們可以在數位環境中最佳化藥物設計和治療，並將其套用於特定的患者。」
利用MRI和CT等先進的成像技術，可以重建患者的動脈結構，同時還可以包括他們的特定血壓、血液成分和粘度。馬蘇德說:「我們可以創造一個活生生的數位雙胞胎，為病人最佳化藥物。」
這可以大大縮短為特定患者找到最佳治療方案的時間，這可能需要數月，甚至一年或更長時間。有了這個模型，模擬可以在24到48小時內在超級電腦上完成。
此外，Masud和Kong還能夠模擬奈米顆粒大小的影響，並行現更大的顆粒實際上在內皮層的粘附和保留方面表現更好。研究人員通常專註於更小的顆粒，這樣它們就可以透過更小的毛細血管到達目標部位。Kong說:「但是從模擬和實驗中得到的一個有趣的發現是，對於小直徑的奈米顆粒來說，由於外部流動，顆粒損失很大。」
模擬結果表明，200奈米顆粒存在剝離問題，並會被外部流動沖走。將直徑增加到1000奈米會使奈米顆粒太大而無法運輸。但700奈米是「金發姑娘」尺寸，並且最佳化了顆粒在血管壁上的附著。
這一有趣的發現突出了模擬在藥物設計和遞送中的重要性。Kong說:「使用小鼠模型似乎並不總是適用於人類。我們在血液流動方面有非常不同的生理特性。總之，模擬是一個非常強大的工具。」
