Computermodel van liposoom voor gecontroleerde medicijnafgifte

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.'

Noot voor de pers

Meer informatie:
- Prof.dr. Siewert-Jan Marrink, tel. 050-363 4457, e-mail s.j.marrink@ rug.nl
- Dr. Martti Louhivuori, tel. 050-363 4339, e-mail m.j.louhivuori@ rug.nl

Publicatie: Release of content through mechano-sensitive gates in pressurised liposomes, Martti Louhivuori, H. Jelger Risselada, Erik van der Giessen, Siewert J. Marrink. Proc. Nat. Acad. Sci. USA

Het artikel is gepubliceerd in Open Access, zie:
http://www.pnas.org/content/early/2010/10/25/1001316107.abstract