模拟血流动力学以改善纳米颗粒药物递送

尽管近年来在主流媒体上名声不佳，但纳米颗粒在靶向药物递送系统中已经成功使用了几十年。药物分子可以被封装在可生物降解的纳米颗粒中，以输送到特定的细胞或病变组织。然而，血流动力学会显著影响纳米颗粒在靶位点结合并保持足够长时间粘附以释放药物的能力

伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校教授Arif Masud和Hyunjun Kong从土木、机械、电气和化学工程中汲取灵感，开发并测试了一种新的数学模型，以准确模拟血流对纳米颗粒药物载体粘附和保留的影响。该模型与体外实验密切相关，证明了基于模型的模拟对纳米载体优化的影响。反过来，这将加速药物设计和患者特异性治疗

这项研究的结果最近发表在《美国国家科学院院刊》上

虽然通过血液将治疗药物输送到病变组织的治疗是有效的，但目前尚不清楚血流动力学在多大程度上会影响纳米颗粒药物载体在靶位点的保留，这在动物模型和人类之间可能有很大不同。有许多因素会影响个人的血流量，包括他们的年龄、性别和体育活动水平，这使其成为一个非常复杂的问题

“以高层建筑为例：有很多管道和角度，但水会到达建筑的每一点，”Masud解释道。“同样，我们体内也有类似的网络，但‘管道’一直在移动和弯曲。这项工作的主要贡献是开发了一种技术，可以通过计算流速、运输到特定点以及纳米载体与该位点的连接来优化药物递送。”血液流动了一段时间，但模型和实验数据并没有产生相同的结果，因为它们假设血液流动发生在理想化的环境中。他们意识到他们需要引入新的想法来获得匹配的结果

首先，内皮细胞表面——排列血管的单个细胞层——在微观尺度上并不像抛光玻璃那样光滑。为了调整这种粗糙度，他们引入了机械工程中的粗糙度模型，该模型考虑了接触材料受到力作用时的变形。这种模型通常用于金属，但研究人员对其进行了修改，用于细胞材料

然后，为了将纳米载体从大体积血流吸引到内皮表面，然后穿透病变组织，他们使用了电气工程中的洛伦兹力的概念。他们利用蛋白质-蛋白质吸引，而不是磁吸引，在纳米载体上涂上目标部位病变组织排出的相同蛋白质

最后，马苏德的团队实际上从一篇古老的土木工程论文中获得了灵感，该论文研究了泰晤士河河床上沙粒的表面形成和沉积。他们使用这个来创建边界层区域中粒子流的模型

Masud的团队首先开发了数学模型，然后为了完善它，Kong的团队在精心设计的带有内皮细胞的生物室中进行了实验。以复制动脉系统的速率注射纳米颗粒，然后在洗涤循环中冲洗以确定剩余颗粒的浓度。基于这些结果，对模型进行了进一步优化，直到模拟和实验得出类似的结果

“该模型非常通用，可以应用于任何类型的疾病、不同形状的纳米颗粒和不同的药物，”Masud解释道。“计算机模型的美妙之处在于，我们可以在数字环境中优化药物设计和治疗，并将其应用于特定患者。”

使用MRI和CT等先进成像技术，可以重建患者的动脉结构，同时还包括其特定的血压、血液成分和粘度。马苏德说：“我们可以创建一个活人的数字双胞胎，为患者优化药物。”

这可以大大缩短为特定患者找到优化治疗方案的时间，这可能需要数月、甚至一年或更长时间。有了这个模型，只需24到48小时就可以在超级计算机上进行模拟

此外，Masud和Kong还能够模拟纳米颗粒尺寸的影响，并发现较大的颗粒实际上在内皮层的粘附和保留方面表现得更好。研究人员通常将注意力集中在较小的颗粒上，这样它们就可以穿过较小的毛细管到达目标部位。孔说：“但模拟和实验的一个有趣发现是，由于小直径纳米颗粒的外部流动，颗粒大量流失。”

模拟表明，200纳米颗粒存在分离问题，会被外部流动冲走。将直径增加到1000纳米使得纳米颗粒太大而无法运输。但700纳米是“金发姑娘”的尺寸，也是颗粒在血管壁上的最佳附着

这一有趣的发现突出了模拟在药物设计和递送中的重要性。孔说：“使用小鼠模型似乎并不总是对人类有效。我们在血液流动方面有着非常不同的生理特性。总的来说，模拟可能是一种非常强大的工具。”