Les médicaments et les vaccins circulent dans le système vasculaire en réagissant selon leur nature chimique et structurelle. Dans certains cas, ils sont destinés à diffuser. Dans d'autres cas, comme les traitements contre le cancer, la cible visée est très localisée. L'efficacité d'un médicament - et la quantité nécessaire et les effets secondaires qu'il provoque - dépendent de la façon dont il peut atteindre sa cible.

"Beaucoup de médicaments impliquent des injections intraveineuses de porteurs de médicaments, " dit Ying Li, professeur adjoint de génie mécanique à l'Université du Connecticut. "Nous voulons qu'ils puissent circuler et trouver le bon endroit au bon moment et libérer la bonne quantité de médicaments pour nous protéger en toute sécurité. Si vous faites des erreurs, il peut y avoir des effets secondaires terribles."

Li étudie les nanomédicaments et comment ils peuvent être conçus pour fonctionner plus efficacement. La nanomédecine implique l'utilisation de matériaux à l'échelle nanométrique, tels que les nanoparticules biocompatibles et les nanorobots, pour le diagnostic, livraison, fins de détection ou d'actionnement dans un organisme vivant. Son travail exploite la puissance des superordinateurs pour simuler la dynamique des nanomédicaments dans la circulation sanguine, concevoir de nouvelles formes de nanoparticules, et trouver des moyens de les contrôler.

Au cours de la dernière décennie, avec le soutien de la National Science Foundation, Li et son équipe ont étudié de nombreux aspects clés de la nanomédecine, des méthodes pionnières pour modéliser leur flux et comment ils interagissent avec les structures du corps.

"Ma recherche est centrée sur la façon de construire la haute-fidélité, des plateformes de calcul haute performance pour comprendre les comportements compliqués de ces matériaux et des systèmes biologiques jusqu'à l'échelle nanométrique, " il a dit.

"Je suis une personne 100% informatique, il n'y a pas de mains sales, " dit Li. " En raison de la taille de ces particules, ce problème est très difficile à étudier à l'aide d'expériences."

Écrire dans Matière molle en janvier 2021, Li a décrit les résultats d'une étude qui a examiné comment des nanoparticules de différentes tailles et formes, y compris les nanovers, se déplacent dans les vaisseaux sanguins de différentes géométries. imitant la microvascularisation resserrée. Les nanovers sont longs, mince, encapsulations artificielles du contenu du médicament.

"Nous avons constaté que le transport de ces nanovers est dominé par les globules rouges, " qui représentent 40 à 50 % du flux, Li a expliqué. "C'est comme conduire sur l'autoroute - la construction ralentit la circulation. Les drogues sont transportées par des globules rouges individuels et traînées dans des régions étroites et coincées."

Il a déterminé que les nanovers peuvent voyager plus efficacement dans la circulation sanguine, passant par des blocages où des formes sphériques ou plates se coincent.

"Le nanover se déplace comme un serpent. Il peut nager entre les globules rouges, ce qui permet de s'échapper plus facilement des endroits exigus, " dit Li.

La vitesse est essentielle - les médicaments doivent atteindre leur destination avant d'être découverts et neutralisés par le système immunitaire du corps, qui est toujours à la recherche de particules étrangères.

Le premier traitement à base de nanoparticules à être approuvé par la FDA pour le cancer était Doxil, une formulation de l'agent chimiothérapeutique doxorubicine. Beaucoup d'autres sont actuellement en développement. Cependant, une étude de 2016 en Nature Avis Matériaux trouvé que seulement 0,7% d'une dose de nanoparticules administrée est délivrée à une tumeur solide.

"Nous savons que les molécules médicamenteuses anticancéreuses sont hautement toxiques, " dit Li. " S'ils ne vont pas au bon endroit, ils font très mal. Nous pouvons réduire le dosage si nous orientons activement la livraison."

Les formes sur mesure sont un moyen d'améliorer l'administration des médicaments contre le cancer. (Actuellement, 90 % des nanoparticules administrées sont sphériques.) Une autre façon consiste à amener les médicaments à leur cible.

L'équipe de Li a modélisé informatiquement des nanoparticules qui peuvent être manipulées avec un champ magnétique. Dans un article de 2018 dans le Actes de la Société royale , ils ont montré que même une petite force magnétique pouvait pousser les nanoparticules hors du flux sanguin, conduisant à un bien plus grand nombre de particules atteignant la bonne destination.

Le travail de Li est alimenté par le supercalculateur Frontera du Texas Advanced Computing Center (TACC), le neuvième plus rapide au monde. Li était l'un des premiers utilisateurs du système lors de son lancement en 2019, et a utilisé Frontera en continu depuis lors pour effectuer une variété de simulations.

« Nous construisons des modèles informatiques haute fidélité sur Frontera pour comprendre le comportement de transport des nanoparticules et des nanovers afin de voir comment ils circulent dans le flux sanguin, " a déclaré Li. Ses plus grands modèles sont plus de 1, 000 micromètres de long et comprennent des milliers de globules rouges, totalisant des milliards de façons indépendantes dont le système peut se déplacer.

« Ressources avancées en matière de cyberinfrastructure, comme Frontera, permettre aux chercheurs d'expérimenter de nouveaux cadres et de construire des modèles innovants qui, dans cet exemple, aidez-nous à comprendre le système circulatoire humain d'une nouvelle manière, " dit Manish Parashar, Directeur du NSF Office for Advanced Cyberinfrastructure. « NSF soutient Frontera dans le cadre d'un écosystème plus large d'investissements dans la cyberinfrastructure, y compris les logiciels et l'analyse de données, qui repoussent les limites de la science pour donner des idées avec une application immédiate dans nos vies."

Frontera permet à Li non seulement d'effectuer des expériences informatiques, mais aussi pour développer un nouveau cadre informatique qui combine la dynamique des fluides et la dynamique moléculaire.

Écrire dans Informatique Physique Communications en 2020, il a décrit OpenFSI :un progiciel de simulation fluide-structure hautement efficace et portable basé sur la méthode des limites immergées. La plate-forme informatique sert d'outil pour la communauté élargie de la conception de médicaments et peut être traduite pour de nombreuses autres applications d'ingénierie, comme la fabrication additive, traitement chimique et robotique sous-marine.

"Le modèle informatique actuel couvre de nombreux processus importants, mais tout le processus est si compliqué. Si vous envisagez un réseau vasculaire spécifique au patient, qui rend notre modèle de calcul intraitable, " dit Li.

Il tire parti de l'intelligence artificielle (IA) et de l'apprentissage automatique pour servir de véhicule à grande vitesse pour la génération rapide de nouvelles conceptions et méthodes de nanoparticules. Comme toute IA et machine learning, cette approche nécessite des quantités massives de données. Dans le cas de Li, les données proviennent de simulations sur Frontera.

« Nous construisons actuellement la base de données de formation pour l'aspect apprentissage automatique de notre travail. Nous avons effectué de nombreuses simulations avec différents scénarios pour obtenir des données de formation générales, " expliqua Li. " Alors, nous pouvons pré-entraîner le réseau de neurones en utilisant les données hypothétiques que nous tirons de ces simulations afin qu'ils puissent prédire rapidement et efficacement les effets."

Les simulations typiques de Li utilisent 500 à 600 processeurs, bien que certains aspects de la recherche nécessitent jusqu'à 9, 000 processeurs calculant en parallèle. "Ma productivité de recherche est corrélée à la vitesse du système que j'utilise. Frontera a été fantastique."

Quand les gens imaginent la recherche médicale, ils pensent généralement à des expériences de laboratoire ou à des essais de médicaments, mais il y a des limites à ce type de travail, qu'elles soient économiques ou physiques, dit Li.

"L'approche computationnelle devient plus puissante et plus prédictive, ", a-t-il déclaré. "Nous devrions tirer parti des simulations informatiques avant de lancer des expériences très coûteuses pour rationaliser le problème et fournir une meilleure orientation."