En utilisant la modélisation informatique, chercheurs de l'Université Carnegie Mellon, la Colorado School of Mines et l'Université de Californie, Davis a mis au point un design pour un meilleur liposome. Leurs découvertes, bien que théorique, pourrait servir de base à la construction efficace de nouveaux véhicules pour l'administration de nanomédicaments.

Les liposomes sont de petits récipients avec des coquilles faites de lipides, le même matériau qui constitue la membrane cellulaire. Dans les années récentes, les liposomes ont été utilisés pour l'administration ciblée de médicaments. Dans ce processus, la membrane d'un liposome contenant un médicament est conçue pour contenir des protéines qui reconnaîtront et interagiront avec des protéines complémentaires sur la membrane d'une cellule malade ou dysfonctionnelle. Après l'administration des liposomes contenant le médicament, ils voyagent à travers le corps, idéalement se connecter avec les cellules ciblées où elles libèrent le médicament.

Cette technique de conditionnement est souvent utilisée avec des nanomédicaments hautement toxiques, comme les médicaments de chimiothérapie, pour tenter d'empêcher le médicament libre d'endommager les cellules non cancéreuses. Cependant, des études sur ce modèle d'administration ont montré que dans de nombreux cas, moins de 10 pour cent des médicaments transportés par les liposomes se retrouvent dans les cellules tumorales. Souvent, le liposome s'ouvre avant d'atteindre une cellule tumorale et le médicament est absorbé dans les organes du corps, y compris le foie et la rate, entraînant des effets secondaires toxiques.

"Même avec les formes actuelles d'administration ciblée de médicaments, les traitements comme la chimiothérapie sont encore très brutaux. Nous voulions voir comment nous pourrions améliorer l'administration ciblée de médicaments, " a déclaré Markus Deserno, professeur de physique à Carnegie Mellon et membre du Center for Membrane Biology and Biophysics de l'université.

Dans un article publié en ACS Nano , Deserno et ses collègues proposent que l'administration ciblée de médicaments peut être améliorée en fabriquant des liposomes plus stables. En utilisant trois types différents de modélisation informatique, ils ont montré que les liposomes peuvent être rendus plus robustes en incorporant un noyau de nanoparticules fait d'un matériau comme l'or ou le fer et en reliant ce noyau à la membrane du liposome à l'aide d'attaches polymères. Le noyau et les attaches agissent comme un échafaudage en forme de moyeu et de rayons et un système d'amortisseur qui aident le liposome à résister aux contraintes et aux contraintes qu'il rencontre lorsqu'il se déplace à travers le corps jusqu'à sa cible.

Francesca Stanzione et Amadeu K. Sum de la Colorado School of Mines ont mené une simulation fine qui a examiné comment les attaches polymères ancrent la membrane du liposome à un niveau atomistique. Roland Faller de l'UC Davis a réalisé une simulation à l'échelle méso qui a examiné comment un certain nombre d'attaches s'accrochaient à un petit morceau de membrane. Chacune de ces simulations a permis aux chercheurs d'examiner les plus petits composants du liposome, noyau et attaches de nanoparticules, mais pas toute la structure.

Pour voir toute la structure, Deserno et Mingyang Hu de Carnegie Mellon ont développé un modèle à gros grains qui représente des groupements de composants plutôt que des atomes individuels. Par exemple, un lipide dans la membrane cellulaire pourrait avoir 100 atomes. Dans une simulation à grain fin, chaque atome serait représenté. Dans la simulation à gros grains de Deserno, ces atomes pourraient être représentés par seulement trois pièces au lieu de 100.

"Il est impossible de regarder la construction complète à un niveau atomistique. Il y a trop d'atomes à considérer, et le délai est trop long. Même avec le supercalculateur le plus avancé, nous n'aurions pas le pouvoir d'exécuter une simulation au niveau de l'atome, " Deserno a dit. "Mais la physique qui compte n'est pas spécifique localement. C'est plus comme la physique de la matière molle, qui peut être décrit à une résolution beaucoup plus grossière."

La simulation de Deserno a permis aux chercheurs de voir comment l'ensemble de la construction de liposomes renforcés répondait au stress et à la déformation. Ils ont proposé que si un liposome recevait le moyeu et les attaches de la bonne taille, sa membrane serait beaucoup plus résistante, flexion pour absorber l'impact et la pression.

En outre, ils ont pu simuler comment assembler au mieux le liposome, système de concentrateur et d'attache. Ils ont découvert que si le moyeu et l'attache sont attachés et placés dans une solution de lipides, et les conditions de solvant sont convenablement choisies, un liposome correctement dimensionné s'auto-assemblerait autour du moyeu et des attaches.

Les chercheurs espèrent que les chimistes et les développeurs de médicaments seront un jour en mesure d'utiliser leurs simulations pour déterminer de quelle taille de noyau et d'attaches polymères ils auraient besoin pour sécuriser efficacement un liposome conçu pour délivrer un médicament spécifique ou une autre nanoparticule. L'utilisation de telles simulations pourrait affiner les paramètres de conception, accélérer le processus de développement et réduire les coûts.