Zelldynamik von Nanopartikeln im Blut

Ich versuche, die Dynamik einer bestimmten Zelle im Kreislauf und ihre Bindung an ein anderes Nanopartikel, das intravenös injiziert wird, mathematisch zu modellieren. Die Konzentration dieser Zelle ist sehr gering (ca. 5 Zellen pro ml Blut). Ich möchte sehen, wie viele Nanopartikel nötig sind, um an möglichst viele dieser seltenen Zellen zu binden.

Also versuche ich zunächst, die Zelldynamik im Blutfluss zu modellieren. Ich bin mir nicht sicher, wie ich anfangen soll. Ich wollte die Zellbewegung durch das gesamte Herz-Kreislauf-System modellieren, aber ich müsste es vereinfachen. Ich denke daran, den Blutfluss durch einige der wichtigsten Organsysteme zu modellieren und die Absorption durch die Kapillaren abzuschätzen. Ich denke so etwas wie das physiologisch basierte pharmakokinetische Modell (PBPK). Es gäbe jedoch einige Parameter, die ich nicht kennen würde und die ich für das Modell benötigen würde (zumindest denke ich, ich bin neu in der Pharmakokinetik). Auch für die tatsächliche Fluiddynamik bin ich mir nicht sicher, wie Modellieren Sie dies, weil das Blut nicht nur eine Flüssigkeit ist und viele andere Zellen hat, also weiß ich nicht, ob es noch andere Effekte gibt.

Meine Frage ist also, in welche Richtung sollte ich gehen, um die Dynamik dieser Zelle im Kreislauf zu modellieren? Ich möchte die Zirkulation im gesamten Herz-Kreislauf-System modellieren, weil ich auch die Dynamik der anderen Nanopartikel modellieren muss und wie wahrscheinlich es ist, dass sie einige der Rezeptoren auf der Zelle finden und daran binden. Gibt es ein Beispiel für ein ähnliches Modell, das durchgeführt wurde?

Ich kenne mich auf diesem Gebiet nicht besonders gut aus, aber ich bin in meiner Arbeit ein- oder zweimal darauf gestoßen, als ich pharmakokinetische / pharmakodynamische (PK / PD) Studien sowohl an großen als auch an kleinen Molekülen durchführte. Meines Wissens sollte es bereits veröffentlichte Studien zur Modellierung der Zirkulation von Zellen im Blut geben. Obwohl Sie Recht haben, dass Blut selbst eine komplexe nicht-newtonsche Flüssigkeit ist, ist seine Physik inzwischen ziemlich gut etabliert. Nanopartikel werden auch immer häufiger, also sollten Sie hoffentlich auch mehrere veröffentlichte Berichte über deren Modellierung finden und dann die beiden zusammenfügen können.
Sie sollten also ziemlich genau in der Lage sein, die Verteilung Ihres interessierenden Zelltyps sowie der Nanopartikel zu bestimmen, dann müssen Sie nur noch die Wahrscheinlichkeit ihres Zusammentreffens und die Avidität berechnen, die für ihre Bindung erforderlich ist - sagen Sie zum Beispiel dass das Nanopartikel ein rezeptorspezifisches scFv auf seiner Oberfläche beschichtet hat und die korrelierende Rezeptordichte auf Ihrer Zielzelle so und so ist und der Pk der Bindung so viele nM oder pM oder was auch immer ist. Viel Glück, ich bin kein Mathe-Typ (ich kümmere mich nur um die Biologie)!
Diese Frage ist ein bisschen meinungsbasiert und würde höchstwahrscheinlich dafür zurückgestellt werden. Dies ist jedoch mein Vorschlag. Beginnen Sie mit dem einfachsten Modell und fügen Sie Komplexität hinzu, wenn das Modell nicht ausreicht. Beginnen Sie nicht mit der Modellierung des Blutflusses: Sie geraten in PDEs, die komplizierter sind als ODEs. Beginnen Sie mit der Annahme, dass der Blutstrom ein gut durchmischtes Gefäß ist. Sie können verschiedene Organe als Kompartimente mit unterschiedlichen Volumina betrachten (je nachdem, wie stark sie vaskularisiert sind).
@WYSIWYG in welchem ​​Sinne ist es meinungsbasiert? Es gibt nur 2-3 mögliche Modelle, die zuvor gemacht wurden. Es mag also ein wenig meinungsbasiert sein, aber ist es wirklich schlimm, dass es auf Eis gelegt wird?
Ich sage nicht, dass es definitiv auf Eis gelegt wird. Aber verschiedene Leute hätten unterschiedliche Vorschläge, wie man ein bestimmtes System modelliert. Technisch gesehen gibt es unendlich viele Möglichkeiten, etwas zu modellieren. Wenn sich Ihre Frage ausdrücklich auf Referenzanfragen (Vorgängermodelle usw.) bezieht, ist dies in Ordnung. Sie können das entsprechende Tag hinzufügen und deutlich erwähnen, dass Sie nach Referenzen suchen.

Antworten (1)

Um die PBPK-Route zu gehen:

Ich würde empfehlen, die Parameter und Strukturen des Organismus aus dem Modell der Ganzkörperplattform von Shah und Betts zu verwenden.

  • Shah, DK & Betts, AM J Pharmacokinet Pharmacodyn (2012) 39: 67. doi:10.1007/s10928-011-9232-2

Sie haben jedem Organ und dem gesamten Körper ein Plasmaraumvolumen, einen Plasmafluss, ein Blutzellraumvolumen und einen Blutzellfluss zugeordnet. Die Basismodellstruktur für die Zirkulation ist vollständig, wenn Sie die Gleichungen für den Blutzellraum in diesem Papier als Grundlage verwenden (Gl. 2 und Gl. 5).

Sobald die Modellstruktur vollständig ist, besteht Schritt 2 darin, alle Prozesse zu modellieren, die die Zelle in jedem Kompartiment beeinflussen können. Wenn die Zelle an einem Nanopartikel haftet, könnte eine Kompartimentgleichung dann lauten:

d[Zelle]/dt = (Zufluss – Abfluss)/Volumen + Kon x [Nano] x [Zelle] – Koff x [Zelle-Nano-Komplex]

Um die Wechselwirkung der Zelle mit dem Nanopartikel zu modellieren, müssen Sie beide innerhalb derselben Struktur modellieren. Eine Übersicht über die PBPK-Modellierung für Nanopartikel finden Sie hier:

  • Physiologisch basierte pharmakokinetische Modellierung von Nanopartikeln Mingguang Li, Khuloud T. Al-Jamal, Kostas Kostarelos und Joshua Reineke ACS Nano 2010 4 (11), 6303-6317 doi: 10.1021/nn1018818

Ein pharmakokinetisches (top-down, klassisches) Modell für Nanopartikel im Kreislaufsystem kann auch einen Einblick geben, wie die Prozesse modelliert werden können, die Nanopartikel in vivo beeinflussen . Dieses Modell berücksichtigt Fluiddynamik, Porengröße und spezifische Eigenschaften von Nanopartikeln.

  • Kirtane, AR, Siegel, RA und Panyam, J. (2015), A Pharmacokinetic Model for Quantifying the Effect of Vascular Permeability on the Choice of Drug Carrier: A Framework for Personalized Nanomedicine. J. Pharm. Sci., 104: 1174–1186. doi:10.1002/jps.24302
Ich verstehe die Kompartimentgleichung nicht. Wäre es nicht eines für jedes Organ, das die Konzentration und den Fluss der Zelle in das und aus dem Organ modelliert? Ich beabsichtige, das Modell einfach zu halten und gehe davon aus, dass es keine größeren Auswirkungen auf die Zelle in Bezug auf Wachstum und Ausscheidung gibt. Möglicherweise ist jedoch die Eliminierung des Nanopartikels durch die Immunantwort wichtig.
Sie haben Recht. Die Wörter „Fach“ und „Orgel“ sind austauschbar. Jedes Organ ist als Kompartiment modelliert.
Kannst du die Differentialgleichung, die du aufgeschrieben hast, vollständig erklären? Welche Parameter muss ich über das Nanopartikel und die Zelle wissen? Wo finde ich eine gute Einführung in die PBPK-Modellierung?
Was bedeutet das Kon-und-Koff-Modell?
Kon ist die Geschwindigkeitskonstante, die zur Berechnung der Geschwindigkeit verwendet wird, mit der das Nanopartikel und die Zelle aneinander haften, proportional zu der jeweiligen Konzentration. Der Begriff [Kon x Nano x Zelle] gibt Ihnen eine Rate in Mol/Zeit von gebildeten Nanozellkomplexen an. Koff ist die umgekehrte Geschwindigkeitskonstante. en.wikipedia.org/wiki/Binding_constant
Zelldynamik von Nanopartikeln im Blut
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