بررسی فرایند نفوذ داروی فلورواوراسیل کمپلکس شده در نانولوله‌های کربنی خالص و عامل دار از مدل غشایی POPE با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران.

2 گروه علوم پایه، دانشکده علوم پایه، دانشگاه فرهنگیان، تهران، ایران.

3 گروه مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه تبریز، تبریز، ایران

چکیده

یکی از پرکاربردترین ساختارهای مورد بحث در فناوری نانو که به عرصه علوم زیستی وارد شده است، نانو‌لوله‌های­ کربنی هستند که به دلیل اندازه کوچک، توانایی ویژه آنها در عبور از غشای سلول، می‌توانند به عنوان حامل دارو به منظور شناسایی و نابودی سلول‌های سرطانی به کار گرفته شوند. در این پژوهش، برای دستیابی به زیست‌سازگاری بهتر، افزودن برخی از عامل­های شیمیایی به نانو‌لوله­کربنی با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی مورد مطالعه قرار گرفت که در نتیجه آن، باعث بهبود عملکرد دارورسانی هدفمند به‌واسطه اصلاح سطح شد. همچنین، برای بررسی تاثیر گروه‌های عاملی، ابتدا نانوساختار بدون گروه عاملی همراه با داروی ضد­سرطان فلورواوراسیل بررسی شد. از آنالیز‌های استفاده شده برای بررسی برهمکنش‌ دارو-نانو‌لوله ­کربنی با غشای دولایه لیپیدی POPE در محیط آبی، می‌توان به میانگین مربعات جا‌به‌جا‌یی و... اشاره کرد که در این بین، آنالیز تابع توزیع شعاعی به منظور مقایسه غلظت آب­ در اطراف نانولوله ­­کربنی و آنالیز فاصله مرکز جرم برای بررسی پایداری دارو درون نانولوله­­ کربنی گرفته شد و سپس ضرایب نفوذ نانولوله­­کربنی-غشا با عامل­های شیمیایی متفاوت از طریق میانگین مربعات جابجایی مقایسه شد. از نتایج، مشخص شد که اتصال تترا-­اتیلن­ گلیکول، باعث بیشتر شدن غلظت آب در اطراف نانولوله و همچنین، پایداری داروی بارگذاری شده می ­شود. این در حالی است که وجود تترا-­اتیلن­ گلیکول، منجر به کاهش مقدار ضریب نفوذ نانوحامل شد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of the diffusion process of complexed fluorouracil drug in pristine and functionalized carbon nanotubes from POPE membrane model using molecular dynamics simulation

چکیده [English]

یکی از پرکاربردترین ساختارهای مورد بحث در فناوری نانو که به عرصه علوم زیستی وارد شده است، نانو‌لوله‌های‌کربنی هستند که به دلیل اندازه کوچک، توانایی ویژه آنها در عبور از غشای سلول، می‌توانند به عنوان حامل دارو به منظور شناسایی و نابودی سلول‌های سرطانی به کار گرفته شوند. در این پژوهش، برای دستیابی به زیست‌سازگاری بهتر، اضافه شدن برخی از عامل‌های شیمیایی به نانو‌لوله‌کربنی با استفاده از شبیه‌سازی دینامیک مولکولی مورد مطالعه قرار گرفت که در نتیجه آن، باعث بهبود عملکرد دارورسانی هدفمند به‌واسطه اصلاح سطح شد. همچنین برای بررسی تاثیر گروه‌های عاملی، ابتدا نانوساختار بدون گروه عاملی همراه با داروی ضد‌سرطان فلورواوراسیل بررسی گردید. از آنالیز‌های استفاده شده برای بررسی برهمکنش‌ دارو-نانو‌لوله‌کربنی با غشای دولایه لیپیدی POPE در محیط آبی، می‌توان به میانگین مربعات جا‌به‌جا‌یی و... اشاره کرد که در این بین، آنالیز تابع توزیع شعاعی به منظور مقایسه غلظت آب‌ در اطراف نانولوله‌‌کربنی و آنالیز فاصله مرکز جرم برای بررسی پایداری دارو درون نانولوله‌‌کربنی گرفته شد و سپس ضرایب نفوذ نانولوله‌‌کربنی-غشا با عامل‌های شیمیایی مختلف از طریق میانگین مربعات جابجایی مقایسه شد. از نتایج، مشخص شد که اتصال تترا-‌اتیلن‌گلیکول، باعث بیشتر شدن غلظت آب در اطراف نانولوله و همچنین پایداری داروی بارگذاری شده می‌شود. این در حالی است که وجود تترا-‌اتیلن‌گلیکول، منجر به کاهش مقدار ضریب نفوذ نانوحامل شد.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Targeted drug delivery system
  • Carbon nanotubes
  • Fluorouracil anticancer drug
  • Lipid bilayer membrane
  • Molecular Dynamics Simulation
[۱] سپیده خوئی، رضا بافکاری، یوسف باقری، "نانوحامل‌های بسپاری: ساخت، خصوصیات و کاربرد در دارورسانی،" انتشارات دانشگاه تهران، 3517، 1396.
[2] R. Singh, J.W. Lillard Jr, “Nanoparticle-based targeted drug delivery,” Experimental and molecular pathology, 86(3), 215-223, 2009.
[3] KE. Drexler, “Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology,” New York, NY: Anchor Press/Doubleday, 1986.
[4] N.A. Ochekpe, P.O. Olorunfemi, N.C. Ngwuluka, “Nanotechnology and drug delivery part 1: background and applications,” Tropical journal of pharmaceutical research, 8(3), 2009.
[5] H. Maeda, “The enhanced permeability and retention (EPR) effect in tumor vasculature: the key role of tumor-selective macromolecular drug targeting,” Advances in enzyme regulation, 2001.
[6] W. Zhang, Z. Zhang, Y. Zhang, “The application of carbon nanotubes in target drug delivery systems for cancer therapies,” Nanoscale research letters, 6(1), 555, 2011.
[7] M. Karimi, N. Solati, M. Amiri, H. Mirshekari, E.  Mohamed, M. Taheri, A. Ghasemi, “Carbon nanotubes part I: preparation of a novel and versatile drug-delivery vehicle,” Expert opinion on drug delivery, 12(7), 1071-1087, 2015.
[8] A. Kunzmann, B. Andersson, T. Thurnherr, H.  Krug, A. Scheynius, B. Fadeel, “Toxicology of engineered nanomaterials: focus on biocompatibility, biodistribution and biodegradation,” Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects, 1810(3), 361-373, 2011.
[9] S.Z. Mousavi, S. Amjad-Iranagh, Y. Nademi, H.  Modarress, “Carbon nanotube-encapsulated drug penetration through the cell membrane: an investigation based on steered molecular dynamics simulation,” The Journal of membrane biology, 246(9), 697-704, 2013.
[10] A. Mejri, D. Vardanega, B. Tangour, T. Gharbi, F.  Picaud, “Encapsulation into carbon nanotubes and release of anticancer cisplatin drug molecule,” The Journal of Physical Chemistry B, 119(2), 604-611, 2015.
[11] N. Razavilar, “Design of Macromolecular Anti-cancer Drug Delivery Systems using Molecular Dynamics Simulation,” 2015.
[12] J. Phillips, T. Isgro, M. Sotomayor, E. Villa,  “NAMD TUTORIAL,” 2003.
[13] I.R. Sasselli, R.V. Ulijn, T. Tuttle, “CHARMM force field parameterization protocol for self-assembling peptide amphiphiles: the Fmoc moiety,”  Physical Chemistry Chemical Physics, 18(6), 4659-4667, 2016.
[14] H.C. Andersen, “Molecular dynamics simulations at constant pressure and/or temperature,” Journal of Chemical Physics, (72), 2384-2393, 1980.
[15] سیف الله جلیلی، "شبیه­سازی­های رایانه­ای (دینامیک مولکولی و مونت کارلو)،" ویرایش دوم، نشر دانشگاه خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ۱۳۹۰.
[16] M.D. Hanwell, D.E. Curtis, D.C. Lonie, T.  Vandermeersch, E. Zurek, G.R. Hutchison,  “Avogadro: an advanced semantic chemical editor, visualization, and analysis platform,” Journal of cheminformatics, 4(1), 1-17, 2012.
[17] Y. Alexeev, M. P Mazanetz, O. Ichihara, D. G Fedorov, “GAMESS as a free quantum-mechanical platform for drug research,” Current topics in medicinal chemistry, 12(18), 2013-2033, 2012.
[18] W. Humphrey, A. Dalke, K. Schulten, “VMD: visual molecular dynamics,” Journal of molecular graphics, 14(1), 33-38, 1996.
[19] G.J. Hardy, R. Nayak, S.M. Alam, J.G. Shapter, F. Heinrich, S. Zauscher, “Biomimetic supported lipid bilayers with high cholesterol content formed by α-helical peptide-induced vesicle fusion,” Journal of materials chemistry, 22(37), 19506-19513, 2012.
[20]  A. C. Alves,  D. Ribeiro, C. Nunes,  S. Reis,  “Biophysics in cancer: The relevance of drug-membrane interaction studies,” Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-Biomembranes, 1858(9), 2231-2244, 2016.
[21] J.C. Phillips, R. Braun, W. Wang, J. Gumbart, E. Tajkhorshid, E. Villa, K. Schulten, “Scalable molecular dynamics with NAMD,” Journal of computational chemistry, 26(16), 1781-1802, 2005.