Modeling nanoparticle transport in tumors with a pore network model

Abstract

Ei mogleg tilnærming i kreftbehandling er å innkapsle cytotoksiske medisinar i nanopartiklar for å auke spesifisiteten til medisinane samtidig som systemisk tokisitet blir redusert. Fokusert ultralyd i kombinasjon med nanopartiklar kan auke transporten av medisinar til kvreftsvulstar. Acoustic Cluster Therapy er eit nytt konsept der fokusert ultralyd saman med mikrobobler har demonstrert ei forbetring i transporten av innkaplsa medisinar og dermed oppnådd ein vellukka terapeutisk respons.

Ein porenettverksmodell, basert på liknande modellar laga av medlem hjå PoreLab for tofasestraum i porøse medier, blei utvikla for å sjå på transport av nanopartiklar underlagt adveksjon og diffusjon når dei blir drivne av ein ultralyd-indusert trykkgradient. Likningssett ble utleia for væskestraum og individuelle partiklar på poreskalanivå. Parameterstudiar blei utførte for å etablere kraftlovrelasjonar mellom variablar inn i systemet og stokastisk nanopartikkeltransport på vevskala.

I tillegg blei toeri for ein elastisk porenettverksmodell utleia, med hypotesen om at eit oscillerande grensevilkår forårsaker ekspansjon og samantrekning av porene, og dermed netto væsketransport gjennom vevet.

Til slutt blei empiriske likningssett etablerte for å kunne estimere og ekstrapolere partikkel-transport over ei endeleg tid for ulike parameter, som er avgjerande for å kunne fremje ei grunnleggjande forståing av systemet og optimalisere leveringa av medisinar og dermed forbetre kreftbehandling.

A possible approach in cancer therapy is to encapsulate cytotoxic drugs in nanoparticles to increase drug specificity while reducing the systemic toxicity. Focused ultrasound in combination with nanoparticles can improve the delivery of drugs to cancer tumors. Acoustic Cluster Therapy is a novel concept in which focused ultrasound in conjunction with microbubbles has been demonstrated to improve delivery of encapsulated drugs and successfully achieving a therapeutic response.

A rigid pore network model, based on similar models created by members of PoreLab for two-phase flow in porous media, was developed to look at the transport of nanoparticles subject to the advection-diffusion equation when driven by a ultrasound-induced pressure gradient. Sets of equations were derived for fluid flow and individual particles at the pore-scale level. Parameter studies were conducted to established power law relations between system input variables and stochastic nanoparticle transport at the tissue-scale level.

Additionally, theory for an elastic pore network model was derived, hypothesizing than an oscillating pressure boundary condition causes expansion and contraction of the pores, and net fluid transport through the network.

Finally, empirical sets of equations were established to estimate and extrapolate particle transport for finite times under various parameters, which is imperative in furthering a basic understanding of the system to optimize drug delivery and thus improving cancer therapy.