Ученые создали математическую модель для динамики наночастиц и вирусов в клетках

13:28, 8 сентября 2022

Расчеты помогут определить точную дозу лекарств и понять, как ведут себя вирусы

Дмитрий Александров и Сергей Федотов (слева направо) рассчитали поведение вирусов в клетках. Фото: Илья Сафаров.

Физики и математики Уральского федерального и Манчестерского университетов впервые создали сложную математическую модель, которая рассчитывает распределение наночастиц (в частности вирусов) в живых клетках. С помощью математической модели ученые выяснили, как кластеризуются (сливаются в единую частицу) наночастицы внутри клеток, а именно в клеточных эндосомах, которые отвечают за сортировку и транспорт белков и липидов.

Эти расчеты будут полезны в медицинских целях, так как, с одной стороны, они показывают, как ведут себя вирусы, когда попадают в клетки и стремятся реплицировать. А с другой стороны, модель позволяет точно рассчитать необходимое количество препарата для терапии, чтобы лечение было максимально эффективным и с минимальными побочными эффектами. Описание модели и результаты расчетов ученые опубликовали в журналах Crystals, Cancer Nanotechnology и Mathematics.

«Процессы в клетках крайне сложные, но если говорить упрощенно, то вирусы используют различные варианты для размножения. Некоторые доставляют генетический материал непосредственно в цитоплазму. Другие используют эндоцитозный путь: доставляют вирусный геном, высвобождаясь из эндосом. Если вирусы задерживаются в эндосомах, то там повышается кислотность, и они гибнут в лизосомах. Так вот, наша модель позволила выяснить, во-первых, когда и какие вирусы „сбегают“ из эндосом, чтобы выжить. Например, некоторые вирусы гриппа — это вирусы с низкой pH-зависимостью, они сливаются с мембраной эндосомы и высвобождают свой геном в цитоплазму. Во-вторых, мы выяснили, что вирусам легче выживать в эндосомах в процессе кластеризации, когда две частицы сливаются и стремятся образовать единую частицу», — рассказывает руководитель лаборатории многомасштабного математического моделирования УрФУ Дмитрий Александров.

Как поясняют ученые, математическая модель будет полезна и в таргетной терапии опухолей: многие методы лечения рака зависят от того, когда и как наночастицы препарата насыщают раковые клетки. И модель поможет рассчитать в том числе этот параметр.

Кроме того, понимание поведения вирусов в клетках важно для разработки вакцин и лекарств, а также для генной терапии, с помощью которой лечат болезни, с которыми не справляется традиционная медицина. К примеру, различные векторы на основе аденовирусов и липидные частицы используют в качестве платформы для доставки генов с целью лечения заболевания. Но их ограниченная возможность «выскальзывать» из эндосом ограничивает и их использование в качестве доставщиков.

«Наночастицы размером менее 100 нанометров становятся все более важными инструментами в современной медицине. Их применение варьируется от нанодиагностики до лучевой терапии рака. Так, для адресной доставки противоопухолевых препаратов используют имитирующие вирусы pH-чувствительные наночастицы. Таким образом доставляют лекарства от целых органов до отдельных клеток», — отмечает профессор прикладной математики Манчестерского университета Сергей Федотов.

Справка

Эндосома — мембранная внутриклеточная органелла; отвечает за сортировку и транспорт белков и липидов; образуется при слиянии и созревании эндоцитозных пузырьков. В процессе созревания эндосома проходит несколько стадий, в результате чего превращается в лизосому. Зрелые эндосомы достигают размеров в 300-400 нанометров.