Коллектив исследователей, в составе которого сотрудники Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург), выяснил, как наногель перемещается в гидродинамическом потоке кровеносных сосудов. Иными словами, как умный носитель для лекарства перемещается по организму.
Для этого математики разработали вычислительную модель двух видов наногелей (с кобальтом и ферритом кобальта), которая воспроизводит особенности реальных образцов. Модель позволяет анализировать препарат с помощью суперкомпьютеров без проведения исследований на животных. Исследование опубликовано в Journal of Molecular Liquids.
Магнитные гели — мягкие полимеры со встроенными магнитными наночастицами — являются перспективными магнитоуправляемыми лекарственными носителями. Микро- и наногели используют для доставки и постепенного высвобождения лекарств, в частности, токсичных противораковых препаратов. Магнитные частицы жестко связываются с полимерной матрицей геля, затем в магнитный наногель помещается лекарственный препарат. Суспензия вводится в кровеносную систему человека, и препарат локализуется вблизи воспаления.
«Размер исследуемых наногелей — менее одного микрона, это примерно в 100 раз меньше размера эритроцитов. Наше исследование было мотивировано вопросом: как магнитный наногель ведет себя в гидродинамическом течении крови? Что, например, если течение разорвет гель или закрутит его так сильно, что все лекарство будет выброшено где-то по пути к очагу воспаления. С помощью компьютерного моделирования мы выяснили, что наногель, даже в артериях с турбулентным течением, будет перемещаться медленно и спокойно. Это значит, что препарат устойчив и сможет доставить лекарство к заданной точке», — объясняет соавтор исследования, аспирант физического факультета Венского университета Иван Новиков.
Ученые отмечают, что экспериментальная характеристика процесса доставки лекарства является сложной задачей. Проведение опытов на животных дает возможность увидеть лишь конечный результат — эффективность или неэффективность лечения, однако размер наногелей и скорость потока не позволяют определить влияние потока на форму и внутреннюю структуру геля. Для изучения происходящих внутри организма процессов ученые впервые применили компьютерное моделирование методом молекулярной динамики.
«Мы разработали оригинальную вычислительную модель магнитных наногелей, достаточно точно воссоздающую характеристики и свойства реальных образцов. Мы также создали реалистичные условия кровеносного течения. Это позволяет симулировать процесс введения препарата в кровь и изучить механическую реакцию геля на него. С помощью этого метода можно изучать различные типы наногелей, сравнивать их поведение, понять влияние намагниченности наночастиц на перемещение в организме, а значит — разработать рекомендации по использованию различных магнитных гелей в биомедицинских приложениях, микрореологии или тканевой инженерии», — отмечает доцент кафедры теоретической и математической физики, старший научный сотрудник лаборатории математического моделирования физико-химических процессов в многофазных средах УрФУ Екатерина Новак.
На данном этапе ученые сфокусировали внимание исключительно на поведении наногеля в отсутствии внешнего магнитного воздействия. В дальнейшем они планируют научиться управлять гелями различных составов, плывущими в потоке при воздействии внешнего магнитного поля: переменного, вращающегося или пульсирующего.
Добавим, что над исследованием работали ученые Уральского федерального университета и Венского университета (Австрия). Данное исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 19-12-00209).
Справка
Молекулярная динамика — метод компьютерного моделирования для анализа свойств систем, состоящих из большого числа движущихся атомов, молекул, коллоидов, полимеров и других объектов достаточно малых размеров. Исследование данным методом похоже на проведение натуральных экспериментов, но дает больше информации о происходящих внутри организма процессах. При моделировании удается точно учесть взаимодействия изучаемых объектов в течение некоторого промежутка времени, что позволяет изучать динамическую эволюцию системы.
Уральский федеральный университет (УрФУ) — один из ведущих вузов России со столетней историей. Расположен в Екатеринбурге — столице Всемирных летних студенческих игр 2023 года. В Год науки и технологий стал одним из лидеров программы «Приоритет–2030». Вуз выполняет функции проектного офиса Уральского межрегионального научно-образовательного центра мирового уровня (НОЦ).
- УрФУ оперативный — в телеграм