مدلسازی ریاضی به پیشرفت استفاده از ذرات مغناطیسی در سیستمهای دارورسانی هدفمند کمک میکند
یک دانشمند محاسباتی دانشگاه ایالتی فلوریدا با توسعه مدلهای ریاضی و شبیهسازیها برای پیشبینی رفتار یک روش منحصر به فرد دارورسانی، که هدف آن رساندن مستقیم درمانها به نقاط هدف در بدن است، راه را برای پیشرفتهای پزشکی آینده هموار میکند.
برایان کوایف، دانشیار محاسبات علمی دانشگاه ایالتی فلوریدا، عضوی از یک تیم چند نهادی متشکل از مهندسان، ریاضیدانان و دانشمندان علوم محاسباتی است که تحقیقات بنیادی ضروری برای طراحی یک سیستم دارورسانی را انجام میدهند که میتواند عوارض جانبی دارو را کاهش داده و در عین حال اثربخشی درمان را افزایش دهد.
تحقیقات آنها در زمینه پیشنهاد استفاده از ذرات مغناطیسی برای هدایت حاملهای دارویی سلولمانند به سمت یک هدف خاص، مانند تومور، گسترش مییابد.
این کار که در Physical Review Letters منتشر شده است، نشان میدهد که چگونه ذرات ریز در حال حرکت در داخل حاملهای دارویی میکروسکوپی میتوانند به تدریج غشای محصور را تحت فشار قرار داده و در نهایت آن را پاره کنند.
این یافتهها میتواند به مهندسان کمک کند تا سیستمهای دارورسانی هوشمندتری را برای محافظت از محمولههای درمانی در حین حمل و نقل و آزادسازی آن در صورت تقاضا در محل مورد نظر طراحی کنند.
کوایف گفت: “مقاله ما نشان میدهد که چگونه مدلهای ریاضی و محاسبات میتوانند فرآیندهایی را که اندازهگیری تجربی آنها دشوار است، آشکار کنند.”
«ما نیاز داشتیم بررسی کنیم که نیروی مغناطیسی چگونه بر غشای سلولمانندی که دارو را به محل خاصی منتقل میکند، تأثیر میگذارد تا از پارگی آن در بدن جلوگیری شود. بسیاری از اندازهگیریها مانند «شستگی» غشا و میزان نیروی مغناطیسی که دیوارههای داخلی آن میتوانند تحمل کنند را نمیتوان در چنین مقیاس کوچکی انجام داد. من با توسعه کد کامپیوتری که نتایج آزمایش را پیشبینی میکند، این خلاها را پر کردم.»
نحوه عملکرد آن
داروهایی مانند قرص و تزریق در سراسر بدن گردش میکنند که میتواند قدرت دارو را کاهش داده و منجر به عوارض جانبی شود.
به عنوان مثال، داروهای شیمی درمانی برای از بین بردن سلولهای سرطانی تجویز میشوند، اما اغلب باعث خستگی شدید، حالت تهوع، ریزش مو، افزایش خطر عفونت و کمخونی نیز میشوند.
محققان با انتقال مستقیم داروها به محلی که قرار است درمان شوند، قصد دارند کارایی دارو را افزایش دهند و در عین حال فشار غیرضروری بر بدن را کاهش دهند و به طور بالقوه عوارض جانبی ناتوانکننده را کاهش دهند.
محققان ابتدا یک ذره مغناطیسی و محموله، مانند یک مولکول دارو، را درون یک غشای سلولی مصنوعی به نام وزیکول محصور میکنند. در این سناریو، وزیکول مانند یک ماشین است، ذره مغناطیسی نیروی محرکه را فراهم میکند و محموله مسافری است که حمل میشود.
یک میدان مغناطیسی خارج از بدن، وزیکول را به محل مورد نظر هدایت میکند، جایی که یک محرک خاص، مانند نور، غشای وزیکول را خراب کرده و دارو را در بدن آزاد میکند.
این تکنیک میتواند در مواردی که از دقت بسیار بالایی در درمان برخوردارند، مانند رساندن مستقیم دارو به تومور یا محلهای التهاب موضعی، مورد استفاده قرار گیرد. «فراتر از هدفگیری بیوشیمیایی، یک رویکرد هدفمند دارورسانی مانند کامیونی است که تریلری را میکشد و از یک ذره یا میکروربات برای انتقال دارو به جایی که میخواهد استفاده میکند.» این را اون شون پاک، یکی از نویسندگان این اثر و دانشیار مهندسی مکانیک و ریاضیات کاربردی در دانشگاه سانتا کلارا در کالیفرنیا، گفت. «با این حال، اتصال و دستکاری محموله میتواند در مقیاس میکروسکوپی چالش برانگیز باشد. در عوض، ما از یک میکروذره محصور شده در یک حامل دارو برای تولید نیروی محرکه از داخل استفاده میکنیم، نه اینکه آن را از خارج یدک بکشیم.»
این روش مبتنی بر آهنربا اولین بار سال گذشته در مجله Nanoscale توسط یک تیم تحقیقاتی شامل پاک، یوان-نان یانگ، استاد علوم ریاضی در موسسه فناوری نیوجرسی، و جی فنگ، استادیار علوم و مهندسی مکانیک در دانشگاه ایلینوی اوربانا-شمپین، بررسی شد.
بسیاری از جنبههای سیستم دارورسانی که آنها مفهومسازی کرده بودند، برای اندازهگیری توسط ابزارهای علمی بدون از بین بردن آزمایش، بسیار کوچک بودند.
یانگ، که رهبری این تحقیق بعدی را بر عهده داشت، با کوایف برای بررسی مکانیسمهای اساسی با استفاده از کد کامپیوتری سفارشی و پیچیده، ارتباط برقرار کرد.
یانگ گفت: “پیکربندی وزیکولهای هدایتشده توسط ذرات آنقدر منحصر به فرد و چالشبرانگیز است که شبیهسازی آن با استفاده از نرمافزارهای تجاری رایج غیرممکن است. در مراحل اولیه، تخصص برایان به ما کمک کرد تا دارورسانی هدایتشده توسط مغناطیسی را به عنوان چیزی که واقعاً امکانپذیر است، شناسایی کنیم. پس از پیادهسازی کد، محاسبات تحلیلی بیشتری انجام دادیم تا مشخص کنیم که چگونه این فرآیند میتواند بدون پارگی کامل غشا کار کند.”
دلیل اهمیت آن
علاوه بر پزشکی، این تحقیق در نهایت میتواند به اشکال جدیدی از اصلاح محیط زیست منجر شود.
با جایگزینی یک دارو با نوع دیگری از عامل فعال، سیستم وزیکول میتواند به طور بالقوه برای خنثی کردن آلایندهها در سیستمهای آبی یا پاکسازی نشت نفت، به ویژه در مناطقی که دسترسی به آنها با روشهای سنتی دشوار است، مورد استفاده قرار گیرد.
کوایف گفت: “این یک کار بسیار مشارکتی در تقاطع دینامیک سیالات، ماده نرم و بیوفیزیک است. آزمایشها به تصمیماتی که ما هنگام توسعه کد گرفتیم، کمک کردند، اما وقتی چیزهای جدیدی را از طریق محاسبه و مدلسازی کشف کردیم، آن را به آزمایشگران منتقل کردیم. این به ما اجازه داد تا یک حلقه کامل بین آزمایشها، تجزیه و تحلیل، مدلسازی و محاسبه داشته باشیم.”
لینک مفید:عصر درمان دقیق و دارورسانی هوشمند
بیشتر بدانید:پیشرفت در کاربرد سیستمهای دارورسانی مبتنی بر نانو و میکرو در بیماریهای ریوی
بیشتر بخوانید:نانوذرات پلاستیکی میتوانند دارورسانی سرطان را بهبود بخشند
تاریخ:1405/4/22
مهسا نعمتی
