Computermodel van liposoom voor gecontroleerde medicijnafgifte
Bio-fysici ontwerpen nano-container
Datum: 08 november 2010
Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen onder leiding van dr.
Martti Louhivuori en prof.dr. Siewert-Jan Marrink hebben een zeer
nauwkeurig computermodel opgesteld van een liposoom met een
drukgevoelige porie. Simulaties op de computer laten zien hoe de porie
zich plots opent als de spanning in de cel te hoog oploopt. De
vloeistof in de cel stroomt dan naar buiten. Liposomen zijn containers
op nano-formaat die geneesmiddelen op vooraf bepaalde plaatsen in het
lichaam zouden kunnen afleveren. Het onderzoek is online gepubliceerd
in het wetenschappelijk vakblad PNAS.
Veel geneesmiddelen werken het beste als ze nauwkeurig kunnen worden
aangebracht op de zieke plek in het lichaam. Dat geldt bijvoorbeeld
voor agressieve middelen die een tumor moeten aanvallen. Wetenschapper
zijn daarom al geruime tijd bezig met het ontwerpen en maken van
containertjes van het formaat van een biologische cel die zich op
commando kunnen openen. Die celletjes gevuld met geneesmiddel kunnen in
de bloedbaan worden ingespoten om het medicijn zo naar de juiste plek
te transporteren. Het is de bedoeling dat ze pas opengaan als ze daar
zijn aangekomen.
Ventiel
De kunstmatige cellen worden liposomen genoemd. Het zijn microscopisch
kleine bolletjes, die vloeistof bevatten en omringd zijn met een
membraan van een olie-achtige substantie bestaande uit lipides. In dat
membraan, de liposoomwand, worden eiwitkanalen aangebracht. Dat zijn
mechano-sensitieve poriën die kunnen fungeren als ventiel. Dat wil
zeggen dat ze open gaan als de druk in de cel plotseling toeneemt.
Ook in de celwanden van bacteriën zitten dergelijke kanalen. Het zijn
veiligheidskleppen die voorkomen dat de celwand openscheurt door een
osmotische shock.
Moleculaire Dynamica
Groningse bio-fysici hebben nu een computermodel opgesteld van een
bepaald type mechano-sensitief kanaal genaamd MscL. Daarbij maakten ze
gebruik van de Moleculaire Dynamica, een computer simulatie techniek
die het gedrag van een systeem voorspelt aan de hand van de
wisselwerkingen tussen de afzonderlijke moleculen.
Uit de simulatie bleek dat één enkel kanaal in staat is om de spanning
in de cel in minder dan een milliseconde te laten wegvloeien. Het MscL
wordt actief als de elasticiteit van het celmembraan zijn grens
bereikt.
Flux
De onderzoekers wilden ook het vrijkomen van de inhoud in beeld
brengen. Ze slaagden erin om de simulatie na het openen van het kanaal
nog 0,04 milliseconden door te laten gaan. Tijdens die periode neemt de
druk in het liposoom gelijkmatig af. Op basis van op de waargenomen
flux door het kanaal schatten ze dat het 0,1 milliseconde duurt voordat
de druk in het liposoom volledig zal zijn verdwenen.
Ontwerpen
'Voor het eerst kunnen we nu het opengaan van een mechano-sensitief
kanaal simuleren met zeer grote precisie. Ons model heeft de
nauwkeurigheid van bijna één atoom,' verklaart onderzoeker Martti
Louhivuori. 'Dat betekent dat we nu beschikken over een computationeel
instrument voor het ontwerpen van programmeerbare nano-containers voor
drug delivery'.
Door de lipide- en eiwitsamenstelling van het kanaal te veranderen, kan
men de eigenschappen van het kanaal in beginsel variëren. Louhivuori:
'Onze studie opent de weg naar het met de computer ontwerpen van op de
biologie geïnspireerd systemen met optimale condities voor de
gedoseerde afgifte van geneesmiddelen.'
Rijksuniversiteit Groningen