Modeling diffusion of nanoparticles through agarose hydrogels using molecular dynamics

Abstract

I konvensjonell cellegiftbehandling akkumuleres cellegiften i alle vev, og bare en liten del av legemiddelet fordeles ut i svulstene. Flere systemer for transport av legemidler basert på nanopartikler (NP-er) er utviklet for å øke inntrengingen i svulstene. NP-ene blir derimot værende i svulstenes periferi, hindret av den tette ekstracellulære matriksen (ECM). En mer grunnleggende forståelse av interaksjonene som spiller inn vil bidra til å utvikle mer effektiv NP-transport. ECM er imidlertid komplisert å studere in vivo, og det er utviklet flere in vitro-hydrogelmodeller for å studere de grunnleggende prinsippene bak NP-transport i ECM. Nylig har simuleringsmodeller blitt utviklet for å belyse NP-transport ytterligere og muligens veilede eksperimentelt arbeid.

I denne oppgaven ble det utviklet fire grovkornede, molekylære hydrogelmodeller av økende kompleksitet for å studere NP-diffusjon. Virkningen av egenskapene til de ulike nettverkene på NP-diffusjonen ble evaluert ved hjelp av Langevin-dynamikk. Modellene ble utviklet trinnvis, med et fleksibelt diamantnettverk i likevekt som basismodell. Ved å øke stivheten til polymerkjedene i nettverket, ble en semifleksibel hydrogel utviklet. For å øke tettheten i nettverket ble det festet dinglende ender til det primære nettverket. I den fjerde modellen ble noen av endene til de dinglende endene bundet sammen i tverrbindinger i et forsøk på å lage et heterogent nettverk.

Diffusjonen av NP-er i alle de fire nettverkene i mekanisk likevekt viste subdiffusjon, med en anomal diffusjonskoeffisient α<1. Dette skyldes at NP-ene ble hindret av hydrogelnettverket. Den sterkeste subdiffusjonen ble observert i det fullt fleksible nettverket, mens den semifleksible modellen viste den svakeste subdiffusjonen. Likevel var alle α høyere enn rapporterte eksperimentelle verdier. NP-diffusjon på kort tid var for alle modellene i samsvar med uhindret NP diffusjon, og på lang tid var den av samme størrelsesorden som eksperimentelle verdier når man tar hensyn til forskjeller i NP-størrelse. Karakteriseringen av hydrogelnettverket viste at de fire modellene var mer fleksible enn forventet for en semifleksibel polymer som agarose. Porestørrelsesfordelingene var smalere enn det som er observert eksperimentelt for alle modellene. Dette indikerer mer homogene nettverk enn det man finner i agarose. Overraskende nok påvirket ikke den heterogene modellen NP-diffusjonen og nettverksegenskapene i vesentlig grad sammenlignet med den samme modellen uten tverrbindinger.

Denne oppgaven utviklet et solid rammeverk for å undersøke NP-diffusjon i agarose hydrogelmodeller. Parametriseringen av agarose bør imidlertid forbedres for å modellere agarose mer nøyaktig. Rammeverket kan utvides til å modellere mer avanserte nettverk, inkludert karakterisering av nettverket og de dinglende endene. Ytterligere studier er nødvendig for å beskrive tumor-ECM mer nøyaktig ved hjelp av denne modellen, men dette arbeidet er et viktig skritt i retning av å avdekke de grunnleggende konseptene bak NP-diffusjon i tumor-ECM.

The drugs used in conventional chemotherapy today accumulate in all tissues, with only a tiny fraction reaching the tumors. Several nanoparticle (NP) drug delivery systems have been developed to increase the penetration of drugs into the tumor. However, the NPs stay in the tumor periphery, hindered by the dense extracellular matrix (ECM). A more fundamental understanding of the interactions at play will contribute to developing more efficient NP transport. However, the ECM is complex to study in vivo, and several in vitro hydrogel models have been developed to study the fundamentals behind NP transport in the ECM. Recently, computer models have been developed to further shine a light on NP transport and possibly guide experimental work.

In this work, four coarse-grained molecular hydrogel models of increasing complexity were developed to study NP diffusion. The impact of the characteristics of the different networks on NP diffusion was evaluated using Langevin Dynamics. The models were developed step-wise, with an equilibrated flexible diamond network as the base model. The stiffness of the polymer chains in the network was increased, resulting in a semiflexible hydrogel. To increase the density of the network, dangling ends were attached to the primary network. In the fourth model, some of the end monomers of the dangling ends were linked in an attempt to create a heterogeneous network.

The diffusion of NPs in all four networks at swelling equilibrium showed subdiffusion, with an anomalous diffusion coefficient α<1. This results from the NPs being hindered by the hydrogel network. The strongest subdiffusion was observed in the fully flexible network, while the semiflexible model showed the weakest subdiffusion. Still, all α were higher than reported experimental values. NP diffusion at short times was consistent with the unhindered NP diffusion for all models, and at long times it was found to be of the same magnitude as experimental values when accounting for differences in NP size. The characterization of the hydrogel network revealed that all the four models were more flexible than expected for a semiflexible polymer like agarose. The determined pore size distributions were narrower than observed experimentally for all models. This indicates a more homogeneous network than found in agarose. Surprisingly, the heterogeneous model did not significantly affect the NP diffusion and network characteristics compared to the same model without crosslinks.

This work developed a solid framework to further investigate the NP diffusion in agarose hydrogel models. However, the parameterization of agarose should be improved to model the agarose more accurately. The framework can be extended to model more advanced networks, including the characterization of the network and the dangling ends. Further studies are needed to more accurately describe the tumor ECM through this model, but this work provides an important step in the direction of disclosing the fundamentals behind NP diffusion in the tumor ECM.