从血液流动到肿瘤细胞内化：纳米粒子动力学的多阶段计算模型

《Pharmaceutical Research》：From Blood Flow to Tumor Cell Internalization: A Multistage Computational Model of Nanoparticle Dynamics

纳米颗粒在非牛顿血液流动中的传输、跨内皮转运及肿瘤基质内的运动机制研究，开发基于COMSOL Multiphysics的三阶段耦合模型，首次纳入功能化纳米颗粒的亲和力因子，发现低Stokes数可提高毛细血管末端到达率达50%，表面配体修饰使靶向效率提升约50%。

　　

摘要

背景

了解纳米颗粒在血管内的运输及其在肿瘤组织中的分布对于在临床实践中成功应用纳米技术策略至关重要。尽管已有许多研究探讨了纳米颗粒在血流中的运输情况，但尚未有研究全面考察纳米颗粒在被目标细胞内化之前必须经历的所有连续步骤。

方法

在COMSOL Multiphysics中开发了一个计算框架，用于模拟纳米颗粒（NP）从全身给药到肿瘤细胞内化的整个运输过程。该模型整合了三个相互关联的阶段：（1）纳米颗粒在非牛顿流体中的运动；（2）跨内皮运输；（3）纳米颗粒在肿瘤基质中的运动，并结合了亲和力来模拟配体-受体相互作用。肿瘤的几何结构经过重建，包括癌细胞和成纤维细胞，以再现生理孔隙性。通过多个案例研究评估了颗粒密度、注射速度和大小对纳米颗粒生物分布的影响。

结果

该计算模型能够有效模拟纳米颗粒在所有阶段的运输过程。值得注意的是，这是文献中首个纳入功能性纳米颗粒亲和力的模型，这种亲和力有助于实现靶向递送。模拟结果表明，较低的斯托克斯数对于确保更多颗粒能够到达毛细血管网络的末端至关重要。此外，用配体对纳米颗粒进行表面修饰可以促进其在基质中的更精确分布，使未能到达目标细胞的纳米颗粒比例降低约50%。

结论

开发了一个新颖且全面的计算模型，涵盖了纳米颗粒从全身给药后的整个分布过程，包括其与细胞受体的特异性识别。