آشنایی با استنت های دارویی در بوستون ساینتیفیک

بیماری قلبی عروقی شرایطی است که در آن شریان‌های قلب توسط پلاک مسدود می‌شوند. باریک شدن عروق می تواند جریان خون را محدود کرده و باعث درد قفسه سینه و تنگی نفس شود. برای حل مشکل می توان از استنت های فلزی برهنه استفاده کرد، اما بافت بیش از حد می تواند روی آنها رشد کند و دوباره شریان را باریک کند (فرآیندی به نام تنگی مجدد). مهندسان در Boston Scientific از شبیه‌سازی برای درک مکانیسم‌های آزادسازی در استنت‌های شسته‌کننده دارو استفاده می‌کنند که می‌تواند برای جلوگیری از رشد بیش از حد سلول مورد استفاده قرار گیرد.

چگونه استنت ها می توانند رشد سلولی را کنترل کنند

استنت‌ها ساختارهای داربست شبکه‌ای کوچکی هستند که برای انبساط در داخل شریان‌ها طراحی شده‌اند و آنها را باز نگه می‌دارند تا جریان خون طبیعی ایجاد شود. رشد بیش از حد بافت، پاسخ درمانی طبیعی بدن به آسیب ناشی از فرآیند استنت گذاری است. با این حال، این امر مانع از بهبودی می شود زیرا رشد بافت دوباره شریان را منقبض می کند. از این رو، استنت‌های دارویی برای رساندن دارو به بافت شریانی و جلوگیری از رشد ناخواسته استفاده می‌شوند.

نموداری که جریان خون محدود، استنت در رگ خونی و جریان خون نامحدود به دلیل استفاده از استنت را نشان می‌دهد.
شماتیک (A) یک رگ خونی مسدود شده توسط پلاک با جریان خون محدود را نشان می دهد. (ب) فرآیند قرار دادن و گسترش استنت. و (C) جریان خون در رگ به دلیل انبساط استنت (سمت چپ)، نمای نزدیک از آرایش استنت در داخل رگ خونی (مرکز)، و طرح مقطعی استنت استنت (راست) به حالت عادی بازگشت.

چنین استنت‌هایی شامل پوششی است که از یک ماتریکس پلیمری برای تحویل کنترل‌شده دارو تشکیل شده است. این پوشش هر رشته مش را احاطه کرده است (قسمت C را در شکل بالا ببینید). اگرچه پیشرفت های زیادی در طراحی استنت صورت گرفته است، فرآیند رهاسازی دارو به طور کامل درک نشده است.

درک آزادسازی دارو از طریق شبیه سازی

Boston Scientific شرکتی است که فناوری را برای تشخیص و درمان طیف وسیعی از شرایط پزشکی توسعه می دهد. گروهی از مهندسان، از جمله تراویس شوئر و اسماعیل گولر، فرآیند رهاسازی دارو را با استفاده از شبیه‌سازی COMSOL Multiphysics که مشخصات رهاسازی از یک پوشش استنت را توصیف می‌کند، بررسی کرده‌اند (داستان کامل را در COMSOL News 2014 بخوانید ) . آنها با استفاده از ماژول بهینه سازی (افزونه ای به COMSOL Multiphysics) برای تطبیق شبیه سازی خود با داده های تجربی، با استفاده از ماژول بهینه سازی (افزودنی به COMSOL Multiphysics) به درک میزان انتشار دارو از پوشش و داخل بافت شریان پرداختند . آنها امیدوارند که درک پروفایل های انتشار در نهایت منجر به کنترل بهتر بر انتشار دارو شود.

مدل آنها شامل پلیمر و جزء متصل به سطح پوشش است که از نظر پزشکی غنی است. هنگامی که این فاز غنی از دارو به سرعت حل می شود و در شریان منتشر می شود، ساختاری از منافذ به هم پیوسته را پشت سر می گذارد. مولکول‌های دارو که توسط ماتریکس پلیمری محصور شده‌اند، در طول زمان آهسته‌تر منتشر می‌شوند.

تصاویری که ریزساختار پوشش استنت را قبل از انتشار و همچنین ماتریکس پلیمری اطراف منافذ به هم پیوسته را پس از رهاسازی دارو نشان می دهد.
ریزساختار پوشش استنت قبل از انتشار دارو (سمت چپ) و ماتریکس پلیمری اطراف منافذ به هم پیوسته پس از انتشار دارو (سمت راست).

Schauer و Guler ریزساختار پوشش را برای شبیه‌سازی خود ایده‌آل کردند و از آن برای ردیابی مولکول‌های داروی محلول که نسبتاً سریع از طریق منافذ پخش می‌شوند و مولکول‌های حل شده در پلیمر که بسیار آهسته منتشر می‌شوند، استفاده کردند. آنها دریافتند که سفارشی کردن مدل آنها با استفاده از COMSOL Multiphysics آسان است. Schauer گفت: “ما به جای صرف زمان برای برنامه نویسی دست و پاگیر، بر درک پدیده های حمل و نقل در دسترس تمرکز کردیم.” ما مستقیماً از طریق رابط کاربری معادلات اساسی را مطابق با نیازهای خود سفارشی کردیم.

عوامل زیادی بر ریزساختار تأثیر می گذارند، مانند نسبت دارو به پلیمر، حلالیت دارو و حتی فرآیند ساخت. آنها برای درک اینکه چرا پروفایل های انتشار خاصی رخ داده اند، انتشار داروی تجمعی را ردیابی کردند. آنها مجبور بودند پارامترهای تغییر خاصی از جمله حد حلالیت دارو را در نظر بگیرند (که در محیط مایع، مانند خون در بافت، با پلیمر جامد متفاوت است). مقادیر دیگر باید تخمین زده می شد، از جمله ضریب تاخیر برای محاسبه انقباض و اشکال پیچ خورده منافذ.

Schauer و Guler این پارامترها را با استفاده از نرم افزار COMSOL اصلاح کردند و پیش بینی های مدل خود را با داده های انتشار داروی جنبشی (KDR) مقایسه کردند. شبیه‌سازی آنها تأیید کرد که مولکول‌های دارو در منافذ به سرعت آزاد می‌شوند، در حالی که مولکول‌های موجود در پوسته پلیمری آهسته‌تر پخش می‌شوند.

نموداری که غلظت دارو پیش بینی شده را در t = 2 ساعت نشان می دهد

نتایج شبیه سازی غلظت پیش بینی شده دارو را در t = 2 ساعت نشان می دهد. C/C _s نسبت غلظت داروی محلول در پلیمر و حد حلالیت است. S/S ₀ نسبت غلظت داروی جامد در t=2 ساعت و t=0 است.

رویکرد مدل‌سازی آن‌ها اطلاعات ارزشمندی در مورد این نوع مکانیسم انتشار ارائه کرده است. حتی شبیه سازی های جامع تری برای کمک به درک فرمول ریزساختار در پیش است. در نهایت، یک شبیه‌سازی مبتنی بر تئوری رابط پراکنده، ممکن است بتواند به طور کامل رابطه بین ریزساختار، پردازش و رفتار رهاسازی را توضیح دهد و به طراحان تجهیزات پزشکی کنترل دقیق‌تری بر فرآیند تحویل دارو بدهد و به بیماران مبتلا به بیماری‌های قلبی عروقی درمان بهتری برای تنگی مجدد ارائه دهد. .