Wetenschappers hebben een wiskundig model gemaakt voor de dynamiek van nanodeeltjes en virussen in cellen

De steady-state dichtheidsverdeling functioneert ns(x) bij verschillende I(x) en ν (getallen bij de curven). Credit: Kristallen (2022). DOI: 10.3390/cryst12081159

Natuurkundigen en wiskundigen van de Ural Federal University (UrFU) hebben een complex wiskundig model ontwikkeld dat de verdeling van nanodeeltjes (met name virussen) in levende cellen berekent. Het wiskundige model helpt bij het vinden hoe de nanodeeltjes clusteren (samensmelten tot een enkel deeltje) in cellen, namelijk in cellulaire endosomen, die verantwoordelijk zijn voor het sorteren en transporteren van eiwitten en lipiden.

Deze berekeningen zijn nuttig voor medische doeleinden omdat ze het gedrag van virussen laten zien wanneer ze cellen binnendringen en proberen te repliceren. Het model maakt ook een nauwkeurige berekening mogelijk van de hoeveelheid medicatie die nodig is voor therapie om ervoor te zorgen dat de behandeling zo effectief mogelijk is en met minimale bijwerkingen. De modelbeschrijving en de resultaten van berekeningen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Kristallen.

“De processen in cellen zijn extreem complex, maar in eenvoudige bewoordingen gebruiken de virussen verschillende varianten om zich voort te planten. Sommigen van hen leveren het genetische materiaal rechtstreeks aan het cytoplasma. Anderen gebruiken de endocytose-route: ze leveren het virale genoom af door het vrij te geven uit de endosomen.Als virussen in de endosomen blijven hangen, neemt de zuurgraad toe en sterven ze af in de lysosomen”, zegt Dmitri Alexandrov, hoofd van het Laboratorium voor Multiscale Mathematical Modeling bij UrFU.

“Dus ons model heeft het mogelijk gemaakt om eerst uit te zoeken wanneer en welke virussen uit endosomen ‘ontsnappen’ om te overleven. Sommige influenzavirussen zijn bijvoorbeeld lage pH-afhankelijke virussen; ze fuseren met het endosoommembraan en geven hun genoom vrij in het cytoplasma. Ten tweede ontdekten we dat het voor virussen gemakkelijker is om in endosomen te overleven tijdens clustering, wanneer twee deeltjes samensmelten en de neiging hebben om een ​​enkel deeltje te vormen.”

Zoals de wetenschappers uitleggen, zal het wiskundige model ook nuttig zijn bij therapie voor het richten van tumoren: veel kankertherapieën zijn afhankelijk van wanneer en hoe nanodeeltjes van een medicijn kankercellen verzadigen. En het model zal helpen om deze parameter te berekenen.

Daarnaast is inzicht in het gedrag van virussen in cellen belangrijk voor de ontwikkeling van vaccins en medicijnen, maar ook voor gentherapie, die ziekten behandelt die de conventionele geneeskunde niet aankan. Verschillende op adenovirus gebaseerde vectoren en lipidedeeltjes worden bijvoorbeeld gebruikt als een platform voor genafgifte om de ziekte te behandelen. Maar hun beperkte vermogen om uit de endosomen te “glippen” beperkt ook hun gebruik als bezorgers.

“Nanodeeltjes kleiner dan 100 nanometer worden steeds belangrijker instrumenten in de moderne geneeskunde. De toepassingen variëren van nanodiagnostiek tot bestralingstherapie voor kanker. pH-gevoelige nanodeeltjes die virussen nabootsen worden bijvoorbeeld gebruikt voor gerichte toediening van antitumormiddelen. Dit is hoe medicijnen worden afgeleverd van hele organen tot individuele cellen”, zegt Eugenya Makoveeva, hoofd van het laboratorium voor stochastisch transport van nanodeeltjes in levende systemen (UrFU).