Wissenschaftler haben ein mathematisches Modell für die Dynamik von Nanopartikeln und Viren in Zellen erstellt

Physiker und Mathematiker der Ural Federal University (UrFU) haben ein komplexes mathematisches Modell erstellt, das die Verteilung von Nanopartikeln (insbesondere Viren) in lebenden Zellen berechnet. Das mathematische Modell hilft herauszufinden, wie sich die Nanopartikel innerhalb von Zellen anhäufen (zu einem einzigen Partikel verschmelzen), nämlich in zellulären Endosomen, die für das Sortieren und den Transport von Proteinen und Lipiden verantwortlich sind.

Diese Berechnungen werden für medizinische Zwecke nützlich sein, da sie das Verhalten von Viren zeigen, wenn sie in Zellen eindringen und versuchen, sich zu replizieren. Das Modell ermöglicht auch die genaue Berechnung der für die Therapie benötigten Medikamentenmenge, um sicherzustellen, dass die Behandlung so effektiv wie möglich und mit minimalen Nebenwirkungen ist. Die Modellbeschreibung und die Ergebnisse der Berechnungen wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Kristalle.

„Die Prozesse in den Zellen sind äußerst komplex, aber einfach gesagt, die Viren verwenden verschiedene Varianten, um sich zu vermehren. Einige von ihnen liefern das genetische Material direkt an das Zytoplasma. Andere nutzen den Weg der Endozytose: Sie liefern das virale Genom, indem sie es aus dem Virus freisetzen Endosomen. Wenn Viren in den Endosomen verweilen, steigt der Säuregehalt und sie sterben in den Lysosomen“, sagt Dmitri Alexandrov, Leiter des Labors für Multiskalen-Mathematische Modellierung an der UrFU.

„Unser Modell hat es also ermöglicht, zunächst herauszufinden, wann und welche Viren aus Endosomen ‚entkommen‘, um zu überleben. Zum Beispiel sind einige Influenzaviren niedrig pH-abhängige Viren; sie verschmelzen mit der Endosomenmembran und setzen ihr Genom frei in das Zytoplasma. Zweitens fanden wir heraus, dass es für Viren einfacher ist, in Endosomen während der Clusterbildung zu überleben, wenn zwei Partikel verschmelzen und dazu neigen, ein einzelnes Partikel zu bilden.“

Wie die Wissenschaftler erklären, wird das mathematische Modell auch in der Tumor-Targeting-Therapie nützlich sein: Viele Krebstherapien hängen davon ab, wann und wie Nanopartikel eines Medikaments Krebszellen sättigen. Und das Modell hilft bei der Berechnung dieses Parameters.

Darüber hinaus ist das Verständnis des Verhaltens von Viren in Zellen wichtig für die Entwicklung von Impfstoffen und Medikamenten sowie für die Gentherapie, die Krankheiten behandelt, mit denen die Schulmedizin nicht fertig wird. Beispielsweise werden verschiedene Adenovirus-basierte Vektoren und Lipidpartikel als Plattform für die Genübertragung zur Behandlung der Krankheit verwendet. Aber ihre begrenzte Fähigkeit, aus den Endosomen „herauszurutschen“, schränkt auch ihre Verwendung als Träger ein.

„Nanopartikel, die kleiner als 100 Nanometer sind, werden zu immer wichtigeren Werkzeugen in der modernen Medizin. Ihre Anwendungen reichen von der Nanodiagnostik bis zur Strahlentherapie bei Krebs. Beispielsweise werden pH-empfindliche Nanopartikel, die Viren nachahmen, zur gezielten Verabreichung von Antitumor-Medikamenten verwendet. So werden Medikamente verabreicht von ganzen Organen zu einzelnen Zellen“, sagt Eugenya Makoveeva, Leiterin des Labors für stochastischen Transport von Nanopartikeln in lebenden Systemen (UrFU).