Farmaci e vaccini circolano attraverso il sistema vascolare reagendo secondo la loro natura chimica e strutturale. In alcuni casi, hanno lo scopo di diffondere. In altri casi, come le cure per il cancro, il target previsto è altamente localizzato. L'efficacia di un medicinale, la quantità necessaria e gli effetti collaterali che provoca, dipendono da quanto bene può raggiungere il suo obiettivo.

"Molti farmaci comportano iniezioni endovenose di portatori di farmaci, " disse Ying Li, un assistente professore di ingegneria meccanica presso l'Università del Connecticut. "Vogliamo che siano in grado di circolare e di trovare il posto giusto al momento giusto e di rilasciare la giusta quantità di farmaci per proteggerci in sicurezza. Se commetti errori, possono esserci terribili effetti collaterali".

Li studia le nanomedicine e come possono essere progettate per funzionare in modo più efficiente. La nanomedicina prevede l'uso di materiali su scala nanometrica, come nanoparticelle biocompatibili e nanorobot, per la diagnosi, consegna, scopi di rilevamento o attuazione in un organismo vivente. Il suo lavoro sfrutta la potenza dei supercomputer per simulare la dinamica dei nanofarmaci nel flusso sanguigno, progettare nuove forme di nanoparticelle, e trovare modi per controllarli.

Nell'ultima decade, con il sostegno della National Science Foundation, Li e il suo team hanno studiato molti aspetti chiave delle nanomedicine, metodi pionieristici per modellare il loro flusso e come interagiscono con le strutture all'interno del corpo.

"La mia ricerca è incentrata su come costruire alta fedeltà, piattaforme di calcolo ad alte prestazioni per comprendere i complicati comportamenti di questi materiali e dei sistemi biologici fino alla nanoscala, " Egli ha detto.

"Sono una persona computazionale al 100%, non ci sono mani sporche, " Li ha detto. "A causa della dimensione di queste particelle, questo problema è molto difficile da studiare usando gli esperimenti."

Scrivendo in Materia morbida nel gennaio 2021, Li ha descritto i risultati di uno studio che ha esaminato come le nanoparticelle di varie dimensioni e forme, compresi i nanoworm, si muovono in vasi sanguigni di diverse geometrie, imitando il microcircolo ristretto. I nanoworm sono lunghi, magro, incapsulamenti ingegnerizzati del contenuto del farmaco.

"Abbiamo scoperto che il trasporto di questi nanoworm è dominato dai globuli rossi, " che costituiscono dal 40% al 50% del flusso, Li ha spiegato. "È come guidare in autostrada:i cantieri rallentano il traffico. I farmaci vengono trasportati dai singoli globuli rossi e trascinati in regioni ristrette e rimangono bloccati".

Ha determinato che i nanoworm possono viaggiare in modo più efficiente attraverso il flusso sanguigno, passando attraverso blocchi dove si incastrano forme sferiche o piatte.

"Il nanoworm si muove come un serpente. Può nuotare tra i globuli rossi rendendo più facile sfuggire ai punti stretti, " disse Li.

La velocità è essenziale:le droghe devono raggiungere la loro destinazione prima di essere scoperte e neutralizzate dal sistema immunitario del corpo, che è sempre a caccia di particelle estranee.

Il primo trattamento a base di nanoparticelle ad essere approvato dalla FDA per il cancro è stato Doxil, una formulazione dell'agente chemioterapico doxorubicina. Molti altri sono attualmente in fase di sviluppo. Però, uno studio del 2016 in Materiali per recensioni sulla natura trovato solo lo 0,7% di una dose di nanoparticelle somministrata viene consegnato a un tumore solido.

"Sappiamo che le molecole dei farmaci antitumorali sono altamente tossiche, " Li ha detto. "Se non vanno nel posto giusto, fanno molto male. Possiamo ridurre il dosaggio se guidiamo attivamente la consegna".

Le forme su misura sono un modo per migliorare la somministrazione dei farmaci antitumorali. (Attualmente, Il 90% delle nanoparticelle somministrate sono sferiche.) Un altro modo è quello di convincere i farmaci al loro obiettivo.

Il team di Li ha modellato computazionalmente nanoparticelle che possono essere manipolate con un campo magnetico. In un articolo del 2018 in Atti della Royal Society , hanno dimostrato che anche una piccola forza magnetica potrebbe spingere le nanoparticelle fuori dal flusso sanguigno, portando a un numero molto maggiore di particelle che raggiungono la giusta destinazione.

Il lavoro di Li è alimentato dal supercomputer Frontera presso il Texas Advanced Computing Center (TACC), il nono più veloce al mondo. Li è stato uno dei primi utenti del sistema quando è stato lanciato nel 2019, e da allora ha utilizzato continuamente Frontera per eseguire una serie di simulazioni.

"Stiamo costruendo modelli computazionali ad alta fedeltà su Frontera per comprendere il comportamento di trasporto di nanoparticelle e nanoworm per vedere come circolano nel flusso sanguigno, " ha detto Li. I suoi modelli più grandi sono più di 1, 000 micrometri di lunghezza e comprendono migliaia di globuli rossi, per un totale di miliardi di modi indipendenti in cui il sistema può muoversi.

"Risorse avanzate per l'infrastruttura informatica, come Frontera, consentire ai ricercatori di sperimentare nuove strutture e costruire modelli innovativi che, in questo esempio, aiutaci a capire il sistema circolatorio umano in un modo nuovo, " disse Manish Parashar, Direttore dell'Ufficio NSF per le infrastrutture informatiche avanzate. "NSF supporta Frontera come parte di un più ampio ecosistema di investimenti in infrastrutture cibernetiche, inclusi software e analisi dei dati, che spingono i confini della scienza per fornire intuizioni con un'applicazione immediata nelle nostre vite."

Frontera consente a Li non solo di eseguire esperimenti computazionali, ma anche per sviluppare un nuovo framework computazionale che combini fluidodinamica e dinamica molecolare.

Scrivendo in Computer Fisica Comunicazioni nel 2020, ha descritto OpenFSI:un pacchetto di simulazione della struttura del fluido altamente efficiente e portatile basato sul metodo del confine immerso. La piattaforma computazionale funge da strumento per la più ampia comunità di progettazione di farmaci e può essere tradotta per molte altre applicazioni ingegneristiche, come la produzione additiva, elaborazione chimica e robotica subacquea.

"L'attuale modello computazionale copre molti processi importanti, ma l'intero processo è così complicato. Se si considera una rete vascolare specifica per il paziente, che rende il nostro modello computazionale intrattabile, " disse Li.

Sta sfruttando l'intelligenza artificiale (AI) e l'apprendimento automatico per fungere da veicolo ad alta velocità per la rapida generazione di nuovi progetti e metodi di nanoparticelle. Come tutta l'intelligenza artificiale e l'apprendimento automatico, questo approccio richiede enormi quantità di dati. Nel caso di Li, i dati provengono da simulazioni su Frontera.

"Attualmente stiamo costruendo il database di addestramento per l'aspetto dell'apprendimento automatico del nostro lavoro. Abbiamo eseguito molte simulazioni con scenari diversi per ottenere dati di addestramento ampi, " Li spiegò. "Allora, possiamo pre-addestrare la rete neurale utilizzando i dati ipotetici che prendiamo da queste simulazioni in modo che possano prevedere in modo rapido ed efficiente gli effetti".

Le tipiche simulazioni di Li utilizzano da 500 a 600 processori, sebbene alcuni aspetti della ricerca richiedano fino a 9, 000 processori che elaborano in parallelo. "La mia produttività nella ricerca è correlata alla velocità del sistema che utilizzo. Frontera è stato fantastico."

Quando le persone immaginano la ricerca medica, di solito pensano a esperimenti di laboratorio o sperimentazioni di farmaci, ma ci sono limitazioni a questo tipo di lavoro, economico o fisico, Li ha detto.

"L'approccio computazionale sta diventando più potente e più predittivo, " ha detto. "Dovremmo sfruttare le simulazioni computazionali prima di eseguire esperimenti molto costosi per razionalizzare il problema e fornire una guida migliore".