Αφηρημένο

Αν και στόχευση των καρκινικών κυττάρων με τη χρήση νανοφορείς ναρκωτικά παράδοση κρατά την υπόσχεση για βελτίωση των θεραπευτικών ειδικότητα παράγοντα, η στρατηγική της μεγιστοποιώντας συνδέτη συγγένεια για τους υποδοχείς υπερεκφράζονται σε καρκινικά κύτταρα είναι αναντίστοιχο. Για τον προσδιορισμό αρχές σχεδιασμού που μεγιστοποιούν ειδικότητα nanocarrier για τα καρκινικά κύτταρα, μελετήσαμε ένα θεωρητικό μοντέλο του νανοφορείς με ένα ή περισσότερα προσδέματα που δεσμεύονται ειδικά αυτές που υπερεκφράζεται υποδοχείς γενικευμένη κινητική που βασίζεται. Δείχνουμε ότι κινητική εγγενείς στο σύστημα παίζουν σημαντικό ρόλο στον προσδιορισμό ειδικότητας και μπορεί στην πραγματικότητα να αξιοποιηθούν για την επίτευξη τάξεις μεγέθους βελτίωση στην εξειδίκευση. Σε αντίθεση με την τρέχουσα τάση του θεραπευτικού σχεδιασμού, δείχνουμε ότι αυτές εξειδίκευση αυξήσεις μπορούν γενικά να επιτευχθεί με ένα συνδυασμό χαμηλών ποσοστών ενδοκυττάρωσης και νανοφορείς με πολλαπλούς συνδετήρες χαμηλής συγγένειας. Τα αποτελέσματα αυτά είναι σε γενικές γραμμές ισχυρή σε όλη μηχανισμοί ενδοκύττωσης και πρωτόκολλα χορήγησης φαρμάκου, γεγονός που υποδηλώνει την ανάγκη για μια παραδειγματική στροφή στο σχεδιασμό φαρμάκων παράδοση υποδοχέα στοχευμένη

Παράθεση:. Τσεκούρας K, Goncharenko Ι, Colvin ME, Huang KC, Gopinathan Α (2013) Σχεδίαση High-Ειδικότητα νανοφορείς με την αξιοποίηση μη ισορροπίας Επιδράσεις στο Cancer Cell στόχευση. PLoS ONE 8 (6): e65623. doi: 10.1371 /journal.pone.0065623

Επιμέλεια: Bing Xu, Πανεπιστήμιο Brandeis, Ηνωμένες Πολιτείες της Αμερικής

Ελήφθη: 8 του Ιανουαρίου, 2013? Αποδεκτές: 25 Απριλίου, 2013? Δημοσιεύθηκε: 26 του Ιούνη του 2013

Copyright: © 2013 Τσεκούρας et al. Αυτό είναι ένα άρθρο ανοικτής πρόσβασης διανέμεται υπό τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Attribution, το οποίο επιτρέπει απεριόριστη χρήση, τη διανομή και την αναπαραγωγή σε οποιοδήποτε μέσο, ​​με την προϋπόθεση το αρχικό συγγραφέα και την πηγή πιστώνονται

Χρηματοδότηση:. Οι συγγραφείς Αναγνωρίζετε υποστήριξη από το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών επιχορήγηση EF-1038697. AG αναγνωρίζει επίσης την υποστήριξη από ένα βραβείο James S. McDonnell Ιδρύματος, Πανεπιστήμιο της California Institute για το Μεξικό και τις Ηνωμένες Πολιτείες (UC MEXUS) επιχορήγηση, και George E. Brown, Jr. βραβείο. Οι χρηματοδότες δεν είχε κανένα ρόλο στο σχεδιασμό της μελέτης, τη συλλογή και ανάλυση των δεδομένων, η απόφαση για τη δημοσίευση, ή την προετοιμασία του χειρογράφου

Αντικρουόμενα συμφέροντα:.. Οι συγγραφείς έχουν δηλώσει ότι δεν υπάρχουν ανταγωνιστικά συμφέροντα

Εισαγωγή

παράπλευρες βλάβες σε υγιείς ιστούς που προκαλούνται από τη δράση θεραπευτικός παράγοντας εξακολουθεί να αποτελεί σημαντικό πρόβλημα για τη θεραπεία του καρκίνου, περιορίζοντας την αποτελεσματικότητα της θεραπείας και τη δυνατότητα εφαρμογής, και, τελικά, να θέτει σε κίνδυνο την επιβίωση του ασθενούς. Η εξειδίκευση μπορεί να ενισχυθεί μέσω νανοφορείς θεραπευτικού παράγοντα που περιέχει εξοπλισμένα με συνδέτες που δεσμεύονται επιλεκτικά υποδοχείς υπερεκφράζονται σε καρκινικά κύτταρα [1] – [3]. Αν και αυτή η προσέγγιση υπόσχεται πολλά, με μια σειρά από φάρμακα στην αγορά [4] και τις εν εξελίξει έρευνα με επίκεντρο συζυγών nanocarrier-συνδετήρα και στον εντοπισμό βιώσιμων υποδοχείς [5] – [8], η εμφάνιση των παρενεργειών σε ερείπια ασθενείς nanocarrier αγωγή ένας περιοριστικός παράγοντας. Ως εκ τούτου, ο ορθολογικός σχεδιασμός της πολυδύναμου νανοφορείς για τη βέλτιστη εξειδίκευση παρουσιάζει μια ενδιαφέρουσα και σημαντική πρόκληση

Αρκετές πρόσφατες θεωρητικές και πειραματικές μελέτες [9] – [15]. έχουν κίνητρο από τη σχέση του πολυδύναμου συνδέτη-υποδοχέα δεσμευτική και για τα δύο σχεδιασμός nanocarrier και βιολογικές διεργασίες, όπως η λειτουργία του ανοσοποιητικού συστήματος. Στο πλαίσιο της στόχευσης υψηλής εξειδίκευσης των καρκινικών κυττάρων, έχει δειχθεί ότι πολυσθενή νανοφορείς εξοπλισμένα με συνδετήρες χαμηλής συγγένειας μπορεί να επιτύχει πολύ υψηλότερη κάλυψη σε κύτταρα με αρκετά υψηλότερη πυκνότητα υποδοχέα κάτω από συνθήκες ισορροπίας [3], [16]. Ωστόσο, είναι ο αριθμός των νανοφορείς εσωτερίκευση που έχει θεραπευτικό συνέπεια και όχι απλώς ο αριθμός σε επαφή με την επιφάνεια του κυττάρου υπό συνθήκες εξιδανικευμένες ισορροπίας. Αναμένουμε τότε ότι η ειδικότητα θα διέπεται από τις διαφορετικές χρονικές κλίμακες που σχετίζονται με δεσμευτική ενδοκυττάρωση, συνδετήρα-υποδοχέα /λύειν, και τη μέθοδο χορήγησης φαρμάκων. Ακόμα και όταν κάποιος θεωρεί απλή γραμμική απόκριση κοντά ισορροπίας, έχει βρεθεί ότι το μέγεθος του ποσοστού ενδοκυττάρωσης καθορίζει τη μέγιστη ειδικότητα [3], που δείχνουν προς την κρίσιμη σημασία της κινητικής. Στην πραγματικότητα, διαπιστώνουμε ότι τόσο το μέγεθος του ποσοστού ενδοκυττάρωσης και λειτουργική εξάρτησή της από τον αριθμό των δεσμευμένων υποκαταστατών, η οποία διέπεται από το μοριακό μηχανισμό της ενδοκύτωσης, έχουν σημαντικές επιπτώσεις στην ειδικότητα.

Επιπλέον, η ισορροπία -με βάση μελέτες δεν μπορούν να αντιμετωπίσουν διαφορετικά πρωτόκολλα χορήγησης φαρμάκου, καθώς αυτά δημιουργούν εξαρτώμενη από το χρόνο διαθεσιμότητες nanocarrier και έτσι αποκλείει την ύπαρξη μιας σταθερής κατάστασης. Εν πάση περιπτώσει, μια σταθερή κατάσταση είναι σχεδόν αδύνατο να επιτευχθεί

in vivo

, όπου η φυσική τους βιολογικούς κύκλους, τους μηχανισμούς ομοιόστασης, και τα πρακτικά των κανονισμών ναρκωτικά διοίκηση όλα συνωμοτούν εναντίον της. Έχουμε διερευνήσει αυτά τα θέματα με μια προσέγγιση που εξετάζει τις

κινητική

συμπλόκων nanocarrier-συνδέτη δεσμευτική για την υγιή και καρκινικά κύτταρα, έτσι ώστε να προσδιοριστούν οι στρατηγικές σχεδιασμού φαρμάκων που μεγιστοποιούν με στόχο την εξειδίκευση. Δείχνουμε ότι υπάρχουν κορυφές στο εξειδίκευση ως συνάρτηση τόσο της συγγένειας και τον αριθμό των συνδετήρων, πράγμα που συνεπάγεται την ύπαρξη βέλτιστων σχέδια nanocarrier με ένα μεγάλο αριθμό από πολύ ασθενώς δέσμευσης επιμέρους συνδετήρων με σταθερές διάστασης συνδετήρα-υποδοχέα στο εύρος mM. Έχουμε περαιτέρω αποδεικνύουν ότι η ειδικότητα μπορεί να αυξηθεί με τάξεις μεγέθους με την αξιοποίηση της κινητικής του συστήματος μέσω στόχευσης υποδοχέων που σιγά-σιγά σε ενδοκυττάρωση μόνο σε ομάδες ή /και από μια συνετή ρύθμιση του χρόνου εξάρτηση της χορήγησης του φαρμάκου. Αξίζει να σημειωθεί ότι, η βέλτιστη περιοχή σχεδιασμό του χώρου παράμετρος εμφανίζει μικρή διακύμανση ακόμη και μεταξύ των σημαντικά διαφορετικά πρωτόκολλα χορήγησης φαρμάκου και οι μηχανισμοί ενδοκύττωσης, επισημαίνοντας την ύπαρξη ισχυρή αρχές σχεδιασμού.

Μέθοδοι

Έχουμε κατασκευάσει μια ελάχιστη κινητικό μοντέλο για την ενδοκυττάρωση του νανοφορείς εξοπλισμένα με

N

συνδετήρες (Εικ. 1). Συνδέτες ανεξάρτητα δεσμεύσει και να αποδεσμεύσει από μεμονωμένους υποδοχείς με ποσοστά, για υγιή κύτταρα και, για τα καρκινικά κύτταρα, όπου είναι ο συντελεστής με τον οποίο τα καρκινικά κύτταρα υπερεκφράζουν υποδοχείς. Οι τιμές αυτών των συντελεστών εξαρτάται από μια ποικιλία παραγόντων, όπως το μέγεθος nanocarrier και συνδετήρα /υποδοχέα τύπου, και μπορεί να σχετίζεται με το πρότυπο σταθερές χημικής κινητικής σημειώνοντας ότι και, όπου είναι η αποτελεσματική συγκέντρωση του υποδοχέα στην περιοχή του ενός και μόνο συνδέτη (File S1) και υποτίθεται ότι υπάρχει μια μεγάλη περίσσεια κινητών δεκτών. Ως εκ τούτου, όπου είναι η σταθερά διάστασης και είναι η σταθερά συγγένειας συνδέτη-υποδοχέα. Η ανεξαρτησία της σύνδεσης, ενώ υποτίθεται για την απλότητα συνδέτη, είναι μια καλή προσέγγιση για πολλά πολυδύναμο υπερμοριακές αλληλεπιδράσεις [17]. Νανοφορείς εισέλθουν στο σύστημα με ρυθμό εισόδου, που προσδιορίζεται με τη

παροχής φαρμάκου πρωτόκολλο

, η οποία είναι η μέθοδος με την οποία χορηγείται η θεραπεία και η κινητική της πρώτης δέσμευσης των νανοφορείς στην επιφάνεια του κυττάρου. Εξετάσαμε τρεις περιπτώσεις: (i) Η σταθερή κατάσταση που προκύπτει από μια σταθερή παροχή νανοφορείς, (ii) το αποτέλεσμα ενός μοναδικού, υψηλής συγκέντρωσης δόσης, και (iii) είναι προ-σημασμένα παράδοσης στην οποία ένα σύμπλοκο συνδετήρα εισάγεται πρώτα (at) και στη συνέχεια ακολουθείται αργότερα από τον δραστικό θεραπευτικό (at), το οποίο αποβάθρες με νανοφορείς που παραμένουν στο σύστημα. Γι ‘αυτό το τελευταίο πρωτόκολλο, μετρήσαμε ειδικότητα για ένα δεδομένο

χρόνο συλλογής παράθυρο

, όπου έχει οριστεί από φυσιολογικές κλίμακες χρόνου και αντιστοιχεί στο χρονικό διάστημα πέραν του οποίου ενδοκύτωση των ενεργοποιημένων συμπλεγμάτων θεραπευτικού-nanocarrier είναι αμελητέα. Μετά την προσάρτηση σε ένα κελί, οι νανοφορείς αφαιρεθεί από το σύστημα, εάν όλες οι συνδέτες αποσυνδέσετε (δεν θεωρούμε nanocarrier «ανακύκλωση») ή αν είναι ενδοκυτταρώνεται. Ενδοκυττάρωση συμβαίνει με ένα ρυθμό, του οποίου η εξάρτηση από τον αριθμό των δεσμευμένων συνδετών που ονομάζουμε

ενδοκυττάρωση προφίλ

.

(Α) Nanocarrier (χρυσό) με δύο από τους τέσσερις συνδετήρες που συνδέονται σε υποδοχείς (πράσινο) . (Β) Χαρτογράφηση σε ένα τυχαίο περίπατο 1D με σταθερή, σιγμοειδές και γραμμικό προφίλ υπαγορεύει ποσοστά της ενδοκύττωσης σε κάθε κράτος σύνδεσης συνδετήρα.

Η

Κάθε nanocarrier μπορεί στη συνέχεια να αντιπροσωπεύεται από ένα 1D τυχαίο περιπατητή στο διακριτό διάστημα μεταξύ απορροφητικό φράγμα στο 0 και αντανακλά φράγμα στο

Ν

, με ποσοστό απώλειας σωματιδίων σε κάθε θέση (Εικ. 1Β). Στο χρόνο, ένας περιπατητής στη θέση

n

αντιπροσωπεύει μια nanocarrier με

ν

συνδέτες δεσμεύονται. Που υποδηλώνει την πιθανότητα ότι μια nanocarrier έχει

ν

συνδέτες δεσμεύονται σε χρόνο

t

όπως, είμαστε προέρχονται πλοίαρχος εξισώσεις για nanocarrier συνδέεται με ένα υγιές κύτταρο:

για, (1 ) για, (2) για, (3) για nanocarrier συνδέεται με ένα καρκινικό κύτταρο, σε Εξ. 1-3 είναι απλά αντικατασταθεί από.

Αυτό το σύστημα του πλοιάρχου εξισώσεων μπορεί να αναδιατυπωθεί ως εξίσωση φορέα (4), όπου το συστατικό της είναι και τα στοιχεία της μήτρας υπαγορεύονται από τους κατάλληλους συντελεστές του κύριου εξισώσεις . Eq. 4 μπορεί στη συνέχεια να λυθεί αριθμητικά, με αρχικές συνθήκες, για τον προσδιορισμό των ιδιοδιανύσματα και ιδιοτιμές για διάφορους συνδυασμούς των προφίλ ενδοκυττάρωση, πρωτόκολλα χορήγησης φαρμάκου, και τις αξίες της,,, και (για προ-σημασμένα χορήγησης φαρμάκων) παράθυρα χρόνου συλλογής. Για κάθε συνδυασμό πρωτόκολλο χορήγησης φαρμάκου και προφίλ ενδοκυττάρωση προσδιορίσαμε την ειδικότητα, όπου και είναι οι αριθμοί των νανοφορείς ενδοκυτταρώνεται από καρκίνο και τα υγιή κύτταρα, αντίστοιχα. και μπορεί να υπολογιστεί ως το ολοκλήρωμα επί του σχετικού χρόνου παράθυρο του καθαρού ποσοστού εσωτερίκευσης του φαρμάκου,. Ο παράγοντας στην εξίσωση για σε κανονικά για τον αυξημένο αριθμό υποδοχέων επί του κυττάρου καρκίνου. Εκτός από τον καθορισμό των πλήρη αριθμητικές λύσεις για όλους τους συνδυασμούς, θα επικυρωθούν όλα τα αποτελέσματα με προσομοιώσεις Monte Carlo χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο Gillespie. Επιπλέον, έχουμε προέρχονται μια αναλυτική λύση για το συνδυασμό ενός σταθερού προφίλ ενδοκύττωση σε σταθερή κατάσταση στο όριο που συμφωνεί με τα αριθμητικά αποτελέσματα μας (S1 File).

Αποτελέσματα

κορυφές ειδικότητα για υψηλούς αριθμούς χαλαρά συνδεδεμένων συνδέτες

για να διερευνήσουν το ρόλο της κινητικής επιπτώσεις στην ειδικότητα, εξετάσαμε για πρώτη φορά την επίδραση διαφόρων προφίλ ενδοκύττωσης για ένα σταθερό σταθερή κατάσταση πρωτόκολλο χορήγησης φαρμάκου. Μας ενδιαφέρει το πώς η εξειδίκευση εξαρτάται από το ακόλουθο υποσύνολο των παραμέτρων σχεδιασμού nanocarrier: ο αριθμός συνδετήρα και την σταθερά συγγένειας συνδέτη-υποδοχέα. Σύκο. 2Α εμφανίζει την ειδικότητα για ένα σταθερό προφίλ ενδοκυτώσεως, όπου. Υπάρχει ένα καλά καθορισμένο εύρος βέλτιστης παραμέτρων σχεδιασμού, όπου η εξειδίκευση είναι σημαντικά υψηλότερο από ό, τι στον περιβάλλοντα χώρο. Τοπικά βέλτιστες λύσεις εμφανίζονται σε μια συνεχή καμπύλη που κυμαίνονται από μικρές κορυφές σε για μεγάλες () σε μεγάλες κορυφές σε μεγάλο για.

(Α-Γ) χάρτες της επιφάνειας της ειδικότητας στο πλαίσιο της σταθερής κατάστασης πρωτόκολλο χορήγησης φαρμάκου με συνεχή (Α), γραμμικό (Β), και σιγμοειδή ενδοκυττάρωση με (C). (Δ) Η μέγιστη εξειδίκευση στο πλαίσιο χορήγησης φαρμάκων σε σταθερή κατάσταση και σιγμοειδή ενδοκύττωση για διάφορες τιμές κατωφλίου. Σε όλες τις περιπτώσεις, ο συνολικός αριθμός των υποκαταστατών είναι, και.

Η

Σε γενικές γραμμές, για εύλογες αξίες και (Πίνακας 1), βρίσκουμε ότι κορυφές εξειδίκευση σε παγκόσμιο επίπεδο για μεγάλο αριθμό των υποκαταστατών και διάστασης ποσοστό της τάξης του mM (Εικ. 2Α). Αυτό μπορεί να γίνει κατανοητό από την άποψη των σχετικών αξιών της ενιαίας συνδέτη και να σβήνουν τα ποσοστά. Εάν, νανοφορείς θα συνδέεται προς αμφότερα υγιή και καρκινικά κύτταρα, ενώ αν νανοφορείς θα συνδέονται προς καμία από τις δύο κυτταρικό τύπο? τόσο επιπτώσεις μειώσει την ειδικότητα. Εάν, νανοφορείς σε υγιή κύτταρα παραμένουν πιο πιθανό να αποσυνδέσετε από το να συνδέει ένα συνδέτη? Ωστόσο, αν είναι κοντά σε τέτοια ώστε, στη συνέχεια, νανοφορείς σε καρκινικά κύτταρα θα είναι πιο πιθανό να δεσμεύονται από το να αποσυνδέσετε ένα συνδετήρα. Έτσι, σε αυτό το καθεστώς, συνδέτης πρόσδεσης επιλέγει νανοφορείς συνδεδεμένο με τα καρκινικά κύτταρα, και τα επιθυμητά αυξάνεται προκατάληψη ως αυτό το προ-επιλεγμένο πληθυσμό τροφοδοτεί την επόμενη αντίδραση σύνδεσης συνδετήρα. Ως εκ τούτου, κατά μέσο όρο νανοφορείς περνούν περισσότερο χρόνο συνδεδεμένο με τα καρκινικά κύτταρα σε σύγκριση με τα υγιή κύτταρα και ως εκ τούτου έχουν μεγαλύτερη πιθανότητα να ενδοκυττάρωση. Για πολύ μεγάλα, νανοφορείς προτιμούν έντονα να δεσμεύει παρά αποσυνδέσετε ένα συνδέτη ανεξάρτητα από το αν αυτά είναι δεσμευμένα για υγιή ή καρκινικά κύτταρα, δίνοντας μια πολύ μεγάλη πιθανότητα ότι ένας nanocarrier είναι μη ειδικά ενδοκυττάρωση. Αυτή η πιθανότητα αυξάνεται με τον αριθμό των συνδετήρων, που οδηγεί στην ειδικότητα μειώνεται και τείνει στο 1 (το κατώτερο όριο) στο μεγάλο όριο. Η εξειδίκευση σε είναι πανομοιότυπα ενότητα, έτσι ώστε οι αυξήσεις, η μέγιστη τείνει να προσέγγιση, με τη διακριτικότητα του καθορισμού του βέλτιστου σε όσο πηγαίνει στο άπειρο, ένα αποτέλεσμα που επιβεβαιώνεται από analytics μας (S1 File).

Η

επόμενο εξέτασε τις επιπτώσεις της μεταβολής της λειτουργικής μορφής του προφίλ ενδοκυττάρωση. Σχ. 2Β και C δείχνουν τις εξειδικεύσεις για το γραμμικό προφίλ ενδοκυττάρωση (5) και την σιγμοειδή προφίλ ενδοκυττάρωση (6), όπου είναι η συνάρτηση βήμα Heaviside και είναι η τιμή κατωφλίου του, αντίστοιχα. Η θέση της παγκόσμιας βέλτιστης δεν επηρεάζεται σημαντικά από τις αλλαγές στο προφίλ ενδοκύτωση. Στη σταθερή κατάσταση, οι τιμές είναι παρόμοιες ειδικότητα για σταθερή και γραμμική ενδοκυττάρωση, τα τελευταία των οποίων τα μοντέλα το σενάριο όπου κάθε συμβάν δέσμευσης συνδέτη-υποδοχέα πυροδοτεί μια ανεξάρτητη καταρράκτη σηματοδότησης που έχει μια πεπερασμένη πιθανότητα ως αποτέλεσμα ενδοκυττάρωση. Αντίθετα, για σιγμοειδή ενδοκύτωση, το μέγεθος του βέλτιστου εξειδίκευση βελτιώνεται σημαντικά. Γι ‘αυτό το συνεταιρισμό ενδοκυττάρωση απαιτεί πολλαπλές δεσμευτικές εκδηλώσεις [18], η ειδικότητα είναι τόσο ενισχύεται επειδή ενδοκύττωση εμφανίζεται μόνο με νανοφορείς σε κράτη σύνδεσης συνδετήρα του οποίου η σχετική αφθονία εμφανίσετε τις σωρευτικές επιπτώσεις της επιλογής σε κάθε βήμα. Για ένα σταθερό συνολικό αριθμό συνδετήρων, το σχ. 2D αποδεικνύει ότι η εξειδίκευση αυξάνει απότομα κατά τάξεις μεγέθους με την τιμή του κατωφλίου, που απαιτείται για να προκαλέσει αυξήσεις ενδοκυτώσεως. Αυτό το αποτέλεσμα είναι μια άμεση συνέπεια της εξειδίκευσης ανάλογα με την κινητική της δέσμευσης, λύειν και ενδοκυττάρωση. Αυτά τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι υποδοχείς που στοχεύουν που ενδοκυτταρώνεται σε μια συνεταιριστική μόδα μπορεί να δώσει σημαντικές βελτιώσεις στην ειδικότητα.

Στη συνέχεια εξετάσαμε την επίδραση διαφόρων πρωτοκόλλων χορήγησης φαρμάκου για ένα σταθερό σταθερό προφίλ ενδοκύττωση, και πάλι με έμφαση στο πώς η ιδιαιτερότητα εξαρτάται από τις παραμέτρους σχεδιασμού nanocarrier. Σχ. 3Α, Β και Γ δείχνουν την ειδικότητα ως συνάρτηση της και για την σταθερή κατάσταση, μιας δόσης, και τα πρωτόκολλα χορήγησης φαρμάκου είναι προ-σημασμένα, αντίστοιχα. Αξίζει να σημειωθεί ότι, ακριβώς όπως στο Σχ. 2, παρατηρήσαμε ένα ισχυρό σύνολο των τοπικά βέλτιστες λύσεις που εμφανίζονται σε μια συνεχή καμπύλη που κυμαίνεται από για να μεγάλο για. Το γεγονός ότι αυτή η βέλτιστη καθεστώς φαίνεται να διατηρείται σε όλη διαφορετικά πρωτόκολλα υποδηλώνει ότι γενικά βέλτιστη σχέδια φάρμακο, ανεξάρτητα από το πρωτόκολλο χορήγησης, είναι δυνατές. Για την προ-σημασμένα πρωτόκολλο χορήγησης φαρμάκου για τις ίδιες προϋποθέσεις, μπορεί κανείς να επιτύχει πολύ μεγάλες ιδιαιτερότητες απλά μέσα από την κατάλληλη επιλογή από το παράθυρο χρόνου συλλογής: αλλάζει το κατά έναν παράγοντα μπορεί να οδηγήσει σε τάξεις βελτίωση μεγέθους στην ειδικότητα (Σχήμα 3D.). Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι η ειδικότητα είναι πολύ πιο ευαίσθητος και εξαρτάται μόνο από ασθενώς καθεξής.

(Α-Γ) Εξειδίκευση για σταθερό προφίλ ενδοκύτωση κάτω από σταθερή κατάσταση (Α), μίας δόσης (Β), και προ-σημασμένα πρωτόκολλα παροχής φαρμάκου (C). Για το πρωτόκολλο παροχής φαρμάκου είναι προ-σημασμένα, το παράθυρο χρόνου συλλογή είναι από 200 έως 300 δευτερόλεπτα. (Δ) Η μέγιστη εξειδίκευση στο πλαίσιο του προ-σημασμένα πρωτόκολλο χορήγησης φαρμάκου και σταθερή ενδοκύττωση για διάφορες τιμές του. Σε όλες τις περιπτώσεις και.

Η

Η πολλαπλασιαστική ενίσχυση σε ειδικότητα με βέλτιστο συνδυασμό του πρωτοκόλλου χορήγησης φαρμάκου και ενδοκύττωση προφίλ

Τα αποτελέσματά μας δείχνουν ότι η εξειδίκευση μπορεί να ενισχυθεί σημαντικά από ανεξάρτητα συντονισμό του με τα ναρκωτικά πρωτόκολλο παράδοσης και το προφίλ ενδοκύττωση μέσω της επιλογής του τύπου του υποδοχέα-στόχου. Αυτό υποδηλώνει ότι η συνετή συνδυασμούς πρωτοκόλλου χορήγησης φαρμάκου και το προφίλ ενδοκύττωση σε συνδυασμό με τις κατάλληλες παραμέτρους σχεδιασμού θα μπορούσε να αποφέρει περαιτέρω αυξήσεις στην ειδικότητα. Στο Σχ. 4Α, επιδεικνύουμε αυτή βελτίωση όσον αφορά την περίπτωση του προ-σημασμένα χορήγησης φαρμάκων και σιγμοειδή ενδοκυττάρωση, για τις οποίες βρήκαμε ένα μέγιστο ειδικότητα έως φορές την αξία της επιλεκτικότητας που αναμένονται από τον παράγοντα υπερέκφραση μόνο και πάνω από 300 φορές η ειδικότητα για τον συνδυασμό σταθεροποιημένης κρατική παράδοση και σταθερά ενδοκύττωση, το οποίο είναι το πιο κοντινό μιμούνται σε συνθήκες ισορροπίας. Το αποτέλεσμα φαίνεται να είναι πολλαπλασιαστικό, με μόνο μέτρια () αυξάνει το αναμενόμενο, λόγω συνεταιρισμό ενδοκύττωση (Σχ. 2D) ή προ-σημασμένα παράδοσης (Εικ. 3D) και μόνο. ​​

(Α) Ο συνδυασμός των προ-σημασμένα πρωτόκολλο χορήγησης φαρμάκου και σιγμοειδή ενδοκύττωση εμφανίζει την υψηλότερη εξειδίκευση όλων των συνδυασμών που εξετάστηκαν. ,, Όριο στο. (Β) Η μέγιστη εξειδίκευση σε όλους τους συνδυασμούς. , Για σιγμοειδή ενδοκύτωση, και 200 ​​έως 300 sec για προ-σημασμένα πρωτόκολλο παροχής φαρμάκου. Στερεά γραμμές αντιστοιχούν σε και. (Γ) τα αποτελέσματα του συντελεστή υπερέκφραση σχετικά με την εξειδίκευση σε όλη πρωτόκολλα παροχής φαρμάκου για συνεχή προφίλ ενδοκύττωση σε,. Η ιδιαιτερότητα ανεβαίνει απότομα στο. (D) Επιπτώσεις του ρυθμού ενδοκυττάρωση (κανονικοποιούνται) σε όλη πρωτόκολλα παροχής φαρμάκου για συνεχή προφίλ ενδοκύττωση σε,,.

Η

Αν και η βέλτιστη περιοχή ήταν σε γενικές γραμμές σταθερή σε πρωτόκολλα ή προφίλ ενδοκύττωση, όταν το ένα ή το άλλα έχει καθοριστεί, θελήσαμε να εξακριβώσει κατά πόσον αυτό παρέμεινε ισχύει και για αυθαίρετες συνδυασμούς. Σύκο. 4Β απεικονίζει τα μέγιστα ιδιαιτερότητες για όλους τους συνδυασμούς πρωτοκόλλου χορήγησης φαρμάκου και το προφίλ ενδοκύττωση. Υπάρχει σαφής ομαδοποίηση των βέλτιστων λύσεων για όλους τους συνδυασμούς κατά μήκος μιας περιοχής που κυμαίνεται από μεγάλο για να μεγάλο για χαμηλή. Ενώ εξήγησε το βέλτιστο σε μεγάλο βαθμό, η παγκόσμια βέλτιστη για χαμηλή παρουσιάζει μεγάλο ενδιαφέρον. Όπως συζητήθηκε παραπάνω, αυτό το καθεστώς θα πρέπει να αντιστοιχούν περίπου στην κατάσταση όταν ένα nanocarrier δεσμεύεται με ένα συνδετήρα προς ένα καρκινικό κύτταρο είναι οριακά πιο πιθανό να δεσμεύσει ένα άλλο συνδετήρα. Αυτό σημαίνει ή. Με το ασύμπτωτο σε μεγάλο ον, φτάνει κανείς στο ευρετικό κανόνα, όπου είναι μια σταθερά που εξαρτάται, και. Σύκο. 4Β δείχνει δύο τέτοιες καμπύλες με διαφορετικές τιμές του για λόγους σύγκρισης.

Δεδομένου ότι οι βέλτιστες λύσεις σχεδιασμού και οι αντίστοιχες ιδιαιτερότητες εξαρτώνται και, δείχνουμε αυτές τις εξαρτήσεις στα Σχ. 4C και D απέναντι πρωτόκολλα χορήγησης φαρμάκου για ένα σταθερό σταθερό προφίλ ενδοκυττάρωση. Η εξειδίκευση ανεβαίνει απότομα για μια αξία που είναι σχεδόν σταθερή σε όλη πρωτόκολλα. Από αυτήν την τιμή του καθορίζεται από τις παραμέτρους του σχεδιασμού και την επιλογή του υποδοχέα (βλ S1 αρχείου για λεπτομέρειες), μια άλλη στρατηγική για την επίτευξη υψηλής εξειδίκευσης είναι να επιλέξετε ένα υποδοχέα για την οποία τυπικά παράγοντας υπερέκφραση του είναι ακριβώς πάνω από την τιμή αυτή. Αυτό εξασφαλίζει ότι οποιαδήποτε καρκινικά κύτταρα με στοχευμένες με υψηλή εξειδίκευση. Στην πραγματικότητα, αυτό είχε επίσης ως μηχανισμός για την υπερ-επιλεκτικότητα σε μελέτες ισορροπίας [16]. Οι κινητικές επιδράσεις του πρωτοκόλλου παροχής φαρμάκου επηρεάζουν σημαντικά το πραγματικό εκλεκτικότητα κοντά, με την προ-σημασμένα πρωτόκολλο που έχουν τη μεγαλύτερη ενίσχυση εξειδίκευση. Τέλος, παρατηρήσαμε ότι η εξειδίκευση γενικά μειώνεται με αυξανόμενο ρυθμό ενδοκυττάρωση (Εικ. 4D), υποδεικνύοντας ότι οι υποδοχείς που ανακυκλώνονται πιο αργά είναι δυνητικά καλύτερα στόχους. Η συγκεκριμένη εξάρτηση μπορεί επίσης να προκύψουν σε ένα πολύ διαφορετικό πλαίσιο: την επιταχυνόμενη δημιουργία κλίσεων μορφογονιδίου παρουσία της υποβάθμισης, η οποία μπορεί να περιγραφεί με παρόμοιες εξισώσεις [19]

Συζήτηση

Στο συμπέρασμα. , έχουμε δείξει ότι κορυφές εξειδίκευση συμβαίνουν ως συνάρτηση τόσο της συγγένειας και τον αριθμό των συνδετήρων, πράγμα που συνεπάγεται την ύπαρξη της βέλτιστης σχέδια nanocarrier. Συνολικά, σύμπλοκα με επιμέρους συνδέτη στο εύρος mM () και μεγάλο αριθμό συνδετήρων ανά φορέα έχουν χαρακτηριστικά σχεδιασμού που αποφέρουν υψηλή εξειδίκευση σε προσομοιώσεις μας. Αυτή η βέλτιστη περιοχή του χώρου των παραμέτρων σχεδιασμού είναι ισχυρή σε όλη πρωτόκολλα χορήγησης φαρμάκου και οι μηχανισμοί ενδοκύττωσης. Η ακριβής κορυφή ειδικότητα μέγεθος και την οξύτητα μπορεί να προσαρμοστεί μέσα από την προσεκτική επιλογή των παραμέτρων ή στρατηγικές διαχείρισης. Πιθανές στρατηγικές για την αύξηση της ειδικότητας περιλαμβάνει υποδοχείς που στοχεύουν που προκαλούν ενδοκύττωση μόνο αν δεσμεύονται σε ομάδες ή /και έχουν χαμηλό συνολικό ποσοστό ενδοκύττωση, και χρησιμοποιώντας προ-σημασμένα χορήγησης φαρμάκων με μεγάλους χρόνους αναμονής.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η αυξημένη εξειδίκευση έρχεται με το κόστος της έχει ένα χαμηλότερο συνολικό αριθμό των ενδοκυττάρωση νανοφορείς. Ενώ υποτίθεται ότι η δοσολογία μπορεί να αυξηθεί ανάλογα με τις ανάγκες, στην κλινική πράξη μπορεί να υπάρχουν και άλλοι παράγοντες όπως η ικανότητα του νεφρού να διώξει την φαρμακευτική αγωγή από του σώματος που μπορούν να περιορίσουν την ικανότητα να μεγιστοποιηθεί ειδικότητα. Προκειμένου να αντιμετωπιστούν οι γενικές αρχές και οι στρατηγικές σχεδιασμού, επιλέξαμε να αγνοήσουμε μια σειρά από άλλα ειδικά χαρακτηριστικά του συστήματος, συμπεριλαμβανομένης της δυνατότητας που εξαρτάται από το χρόνο, τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ συνδέτες, και οι λεπτομέρειες του nanocarrier πολύπλοκη γεωμετρία (βλ S1 αρχείου για λεπτομέρειες).

σε γενικές γραμμές, το έργο μας συμπληρώνει μελέτες ισορροπίας όπως [16], αποδεικνύοντας ότι είναι δυνατόν να σχεδιάσει πολύ υψηλά συγκροτήματα ειδικότητα για συνθήκες μη ισορροπίας. Ένα ειδικό πλεονέκτημα της προσέγγισής μας από τη χρήση χαμηλής συγγένειας πολυσθενή νανοφορείς είναι ότι μειώνει την ανάγκη για συνδέτες υψηλής εξειδίκευσης, τα οποία είναι συνήθως υψηλού μοριακού βάρους (όπως θραύσματα αντισωμάτων) και μπορεί να οδηγήσει σε φάρμακα που έχουν χαμηλή βιοδιαθεσιμότητα [20] . Πρέπει να σημειωθεί ότι το έργο μας δεν εστιάζεται σε ένα βιολογικό σύστημα, αλλά μάλλον απευθύνεται σε μια ολόκληρη κατηγορία προβλημάτων βιολογικών, χημικών και βιοτεχνολογίας. Με την εστίαση σε μόνο φυσικές ποσότητες και όχι το συγκεκριμένο χημικό, βιολογικό, και κλινικά χαρακτηριστικά της κάθε δυνατό σύστημα, έχουμε προέρχεται ευρεία, γενικά, και βασικές αρχές σχεδιασμού. Τα αποτελέσματά μας μπορεί επομένως δυνητικά να εφαρμοστεί σε διεργασίες που εμπορεύονται από μερικά εξαιρετικά ειδικές θέσεις αναγνώρισης έναντι ενός μεγαλύτερου αριθμού λιγότερο ειδικές θέσεις? για παράδειγμα, να σχεδιάσει μια στήλη για βέλτιστα χωριστές χημικές ουσίες ή να σχεδιάσει αλληλουχίες DNA με ένα υπεραντιπροσωπεύονται αριθμό ορισμένων μοτίβων. Είναι επίσης ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι οι αντιδράσεις δέσμευσης διαδοχικές συνδετήρα-υποδοχέα που έχει συσταθεί μια διαδικασία πολλαπλών αντίδραση βήμα παρόμοια με κινητική διόρθωση κειμένων [21], που αυξάνει κατακόρυφα την σχετικά χαμηλή τάση προς δεσμευτική για τα καρκινικά κύτταρα. Έτσι, καθώς ο αριθμός των σταδίων αυξάνει, η εξειδίκευση μπορεί να γίνει πολύ υψηλή. Ωστόσο, σε αντίθεση με κινητική διόρθωση, η ενέργεια δεν δαπανάται για μεροληψία σε κάθε βήμα της αντίδρασης, με το προκύπτον κόστος που είναι η συνολική μείωση της πιθανότητας nanocarrier ενδοκύττωσης. Τέλος, δεδομένης της πανταχού παρουσία πολυσθενών αλληλεπιδράσεων χαμηλής συγγένειας και την εγγενώς μη ισορροπίας περιβάλλοντος στη βιολογία, είναι πιθανό ότι η φύση εκμεταλλεύεται ήδη το μηχανισμό έχουμε συζητήσει να επιτυγχάνονται σημαντικές βελτιώσεις στην εξειδίκευση πάνω από τα όρια που υπαγορεύονται από την ισορροπία.

Υποστήριξη Πληροφορίες

αρχείου S1.

περιέχει πληροφορίες υποστήριξης σχετικά με υποθέσεις στο μοντέλο μας σχετικά με τη διαθεσιμότητα των υποδοχέων και την αλληλεξάρτηση συνδέτη, εξαρτήσεις ρυθμό, ορισμούς και, και μια αναλυτική λύση του κύριου εξισώσεις και προσδιορισμός της ειδικότητας για την περίπτωση της σταθερής κατάστασης με σταθερή προφίλ ενδοκυττάρωση. Σχήμα S1, οικόπεδο επιφάνειας της ειδικότητας ως συνάρτηση της και, δείχνοντας ένα κορυφογραμμή που εκτείνεται προς μεγάλες τιμές του (έξω από τη σελίδα). Για σταθερές και μεγάλο, η ειδικότητα ως συνάρτηση του έχει μια κορυφή στα. Εδώ, και. Εικόνα S2, αξία Crossover παράγοντα υπερέκφρασης ως συνάρτηση της συγγένειας, και τον αριθμό των συνδετήρων, (ένθετο). και για τα δύο οικόπεδα, για τον κύριο του οικοπέδου και για το ένθετο. Σε γενικές γραμμές, τείνει να ακολουθεί ποιοτικά τη συμπεριφορά της ειδικότητας για τις ίδιες τιμές παραμέτρων

doi:. 10.1371 /journal.pone.0065623.s001

(PDF)