Systemic administration is the conventional method for administrating drugs. Following injection, ideally, we wish the drug only to locate to the target tissue, however, this is not what occurs; the drug molecules rather distribute throughout the entire body via the blood stream. Regarding some drugs, in particular chemotherapy agents, this often leads to severe dose limiting side effects and unsatisfactory therapeutic results. On the other hand, many drugs as is also the case for the chemotherapy agents, demonstrate low aqueous solubility and suboptimal pharmacokinetic properties. These problems all necessitate the use of drug delivery systems (DDSs) as they decrease the side effects of drugs while also improving drug bioavailability and pharmacokinetics. Although there are different varieties of DDSs, we have focused on those categorized as polymeric or lipidic. Depending on the drug to be delivered and site of action of the drug, polymeric DDSs can be used either locally or systemically. Hydrogels and electrospun polymer fibers are two examples of polymeric DDSs that are used for the local delivery of many drugs, including antibiotics and anticancer drugs. The other form of polymeric DDSs are nanoparticles that are capable of carrying and in some cases targeting drug molecules. These polymeric DDSs are generally injected into the blood stream to reach their target site. Lipidic DDSs mainly are used in the form of nanoparticles that, depending on their lipid composition and method of preparation, would have different characteristics. Liposomes and solid lipid nanoparticles are two examples of lipidic DDSs. Despite the huge number of publications regarding the use of nanoparticles as DDSs, the number of approved drug therapies that make use of nanoparticle-based delivery systems still remains small. One of the reasons for this problem is that formulations of DDSs are complicated and difficult to optimize. Drug delivery systems should be further redesigned and optimized, however, this has proved challenging due to intrinsic and practical experimental limitations. For example, it is difficult to experimentally elucidate the reason many DDSs show promise in vitro but fail in vivo. The limitations to the extent to which mechanistic insight can be gained from experiments regarding DDSs can be compensated by computational molecular modelling techniques that provide detailed information on molecular interactions of drugs and carriers. The insights obtained by the studies performed in this thesis can be used to improve the design of DDSs. In this thesis, two polymeric (studies I and IV) and two lipidic (studies II and III) DDSs were studied by all-atom molecular dynamics (MD) simulations. In each of these studies, a specific property of the DDS was evaluated in detail. These properties are drug release profile (study I), stability (study II), pH-sensitivity (study III) and size (study IV). We evaluated these properties through investigation of the three varieties of interactions DDSs have: interactions of DDSs with the loaded drug, interactions among the components of DDSs and interactions between the DDSs and the medium, namely water and ions. While it is difficult to directly determine an accurate picture of these interactions experimentally at atomic scale resolution, all- atom MD simulation can provide insight into this. Lääkeaineet annostellaan yleensä systeemisesti ja olisi ideaalista, että annostelun jälkeen lääkeaine vaikuttaisi vain paikallisesti kohdekudoksessa. Käytännössä näin ei kuitenkaan tapahdu, vaan pikemminkin lääkeainemolekyylit jakautuvat koko kehoon verenkierron mukana. Joidenkin lääkkeiden, erityisesti kemoterapeuttisten aineiden kohdalla, tämä johtaa usein vakaviin annosta rajoittaviin sivuvaikutuksiin ja näin ollen epätyydyttäviin terapeuttisiin tuloksiin. Toisaalta monilla lääkkeillä, kuten myös kemoterapia-aineilla, on myös alhainen vesiliukoisuus ja huonot farmakokineettiset ominaisuudet. Kaikki nämä ongelmat edellyttävät erilaisten lääkekuljetusjärjestelmien käyttöä, koska ne vähentävät esimerkiksi haitallisia sivuvaikutuksia ja parantavat lääkeaineiden biologista hyötyosuutta. Vaikka lääkekuljetusjärjestelmiä on erilaisia, olemme keskittyneet tässä väitöskirjassa vain niihin, jotka on luokiteltu polymeeri- tai lipidipohjaisiksi. Kuljetettavasta lääkeaineesta ja lääkkeen vaikutuspaikasta riippuen polymeeripohjaisia lääkekuljetusjärjestelmiä voidaan käyttää paikallisesti tai systeemisesti. Hydrogeelit ja sähkökehrätyt polymeerikalvot ovat esimerkkejä tällaisista lääkekuljetusjärjestelmistä ja niitä käytetään monien lääkkeiden, kuten antibioottien ja syöpälääkkeiden paikalliseen annosteluun. Polymeeripohjaiset nanohiukkaset pystyvät vuorostaan kuljettamaan ja joissakin tapauksissa myös kohdentamaan lääkeainemolekyylejä. Nanohiukkaset ruiskutetaan yleensä suoraan verenkiertoon, jotta ne saavuttaisivat terapeuttisen kohteen. Lipideistä koostuvat lääkekuljetusjärjestelmät ovat pääasiassa nanohiukkasia, joilla on lipidikoostumuksesta ja valmistusmenetelmästä johtuen erilaisia ominaisuuksia. Liposomit ja kiinteät lipidinanohiukkaset ovat esimerkkejä lääkeaineiden kuljetusjärjestelmistä, jotka pohjautuvat rasva-aineisiin eli lipideihin. Siitä huolimatta, että kirjallisuudesta löytyy valtava määrä tieteellisiä julkaisuja, jotka liittyvät nanohiukkasten käyttöön lääkekuljetusjärjestelminä, hyväksyttyjen nanohiukkaspohjaisten lääkehoitomuotojen määrä on edelleen pieni. Tämä johtuu siitä, että valmisteet ovat monimutkaisia, vaikeasti optimoitavissa. Nanohiukkasia tulisi edelleen suunnitella ja optimoida, mutta tämä on osoittautunut haastavaksi mittalaitteiden rajoituksien vuoksi. Esimerkiksi on erittäin vaikeaa selvittää kokeellisesti, miksi monet nanohiukkaset ovat lupaavia in vitro mittauksissa, mutta epäonnistuvat in vivo kokeissa. Kokeellisia mittauksia, joissa nanohiukkasista saadaan mekanistista tietoa, voidaan kompensoida erilaisilla in silico molekyylimallinnustekniikoilla, jotka tarjoavat yksityiskohtaista tietoa lääkeaineiden ja kantajien molekyylivuorovaikutuksista. Väitöskirjassa esitettyjä tuloksia voidaan hyödyntää lääkeaineiden kuljetusjärjestelmien suunnittelussa. Tässä väitöskirjassa tutkittiin kahta polymeereistä (tutkimukset I ja IV) ja kahta lipideistä (tutkimukset II ja III) koostuvaa lääkekuljetusjärjestelmää hyödyntäen atomistisia molekyylidynamiikka simulaatioita. Jokaisessa tutkimuksessa lääkekuljetusjärjestelmän tietty ominaisuus arvioitiin yksityiskohtaisesti. Näitä ominaisuuksia olivat lääkeaineen vapautumisprofiili (tutkimus I), stabiilius (tutkimus II), pH-herkkyys (tutkimus III) ja koko (tutkimus IV). Arvioimme näitä ominaisuuksia tutkimalla kolmea erilaista vuorovaikutusta lääkekuljetusjärjestelmissä: matriisin vuorovaikutus ladatun lääkkeen kanssa, matriisin eri komponenttien vuorovaikutus keskenään sekä vuorovaikutus lääkekuljetusjärjestelmän ja väliaineen (vesi ja ionit) välillä. Siitä huolimatta, että kokeellisilla mittauksilla on erittäin vaikeaa tuottaa atomitason kuva näistä vuorovaikutuksista, voidaan näistä saada laskennallisia molekyylidynamiikkasimulaatioita hyödyntäen hyvä käsitys.