Mechanistic modelling of nanoparticle formulations
- Reference number
- SM21-0057
- Start and end dates
- 220101-240630
- Amount granted
- 1 060 000 SEK
- Administrative organization
- Chalmers University of Technology
- Research area
- Life Sciences
Summary
Nanosized particles containing drug molecules can be administered intravenously to increase the drug load of injectable formulations when the drug solubility is limiting, or to alter the distribution and drug release to avoid toxicity or improve the duration of pharmacological actions. As such, these novel complex formulations are mainly used in the field of oncology. To facilitate the design and development of such nanoparticle formulations, physiologically based biopharmaceutics models (PBBM) could be used to simulate the drug performance in vivo. While such models have been used for other formulations, a PBBM including nanoparticle transport would be a novel development. Furthermore, basing the model on first principles would enable validation of parts of the model in vitro and make the model translatable between species. This project proposal suggests funding for senior researcher Tobias Gebäck, Mathematical sciences, Chalmers, to spend two years at 50% at AstraZeneca developing and implementing such models. The project would have a major impact on the development of novel nanosized formulations, in particular for tumor treatment. It would reduce the extent of animal testing required and enable exploratory research of innovative solutions that cannot be studied in vivo. The main deliverable is a PBBM of the body, including mechanistic models of nanoparticle transport, drug release from nanoparticles and a solid tumor model, together with suitable numerical tools.
Popular science description
För vissa läkemedel som injiceras i kroppen sätter lösligheten för läkemedelsmolekylen gränser för hur mycket som kan injiceras. I andra fall vill man styra frisättningen av läkemedlet till vissa delar av kroppen, tex till cancertumörer, eller se till att frisättningen går långsamt så att man aldrig uppnår farliga nivåer av fritt läkemedel. Ett sätt att lösa dessa utmaningar är att injicera små nano-partiklar med läkemedel, endast några hundratusendels millimeter stora, som kan transporteras långt i kroppen innan de börjar släppa ut läkemedlet. Att utveckla sådana avancerade paketeringar av läkemedel, så kallade formuleringar, är utmanande och kräver stor kunskap kring hur partiklarna transporteras i blodkärl och vävnader i kroppen. Detta beror även på partiklarnas storlek och sammansättning, som kan varieras för att få olika egenskaper för läkemedelsformuleringen. Det underlättar då att ta hjälp av matematiska modeller för alla processer som påverkar transporten av nano-partiklarna och frisättningen av läkemedlet. Med sådana modeller kan man i datorn utföra virtuella experiment där man kan prova olika sammansättningar på partiklarna och undersöka effekten på halterna av läkemedel i olika kroppsdelar vid olika tidpunkter. I förlängningen kan man då designa partiklarna för ett visst läkemedel för att uppnå den bästa effekten just där den behövs, t.ex. i en tumör. Det finns redan idag modeller för hur läkemedel fördelas i kroppens vävnader och organ, så kallade fysiologiskt baserade bio-farmakologiska modeller. Dock har dessa modeller tidigare inte använts i kombination med nano-partiklar. Ännu en utmaning är att basera modellerna på grundläggande principer om transport av molekyler och partiklar, istället för att anpassa modellparametrar till experiment. Då kan man omformulera modellen mellan olika organismer (djur och människa) genom att t.ex. lägga in olika storlekar på organ och egenskaper hos vävnader. I förlängningen kan detta göra att modellerna t.o.m. kan individanpassas och ligga till grund för individanpassade behandlingar. I detta projekt skall docent Tobias Gebäck från Institutionen för Matematiska vetenskaper vid Chalmers och Göteborgs Universitet arbeta som gästforskare i två år på AstraZenecas forskningscenter i Mölndal med att utveckla bio-farmakologiska modeller för nano-partiklar, baserade på grundläggande fysikaliska principer. Att utveckla programvara som kan användas för att utföra virtuella experiment hör också till projektet.