Evaluación de la deposición pulmonar regional utilizando modelos pulmonares impresos en 3D específicos del paciente
Summary
Presentamos un método in vitro de alto rendimiento para cuantificar la deposición pulmonar regional a nivel del lóbulo utilizando modelos pulmonares impresos en 3D derivados de tomografía computarizada con perfiles de flujo de aire ajustable.
Abstract
El desarrollo de terapias específicas para enfermedades pulmonares está limitado por la disponibilidad de métodos de prueba preclínicos con la capacidad de predecir el suministro regional de aerosoles. Aprovechando la impresión 3D para generar modelos pulmonares específicos del paciente, delineamos el diseño de una configuración experimental in vitro de alto rendimiento para cuantificar la deposición pulmonar lobular. Este sistema está fabricado con una combinación de componentes impresos 3D y disponibles comercialmente y permite controlar de forma independiente el caudal a través de cada lóbulo del pulmón. La entrega de aerosoles fluorescentes a cada lóbulo se mide mediante microscopía de fluorescencia. Este protocolo tiene el potencial de promover el crecimiento de la medicina personalizada para enfermedades respiratorias a través de su capacidad para modelar una amplia gama de estados de demografía y enfermedades de los pacientes. Tanto la geometría del modelo pulmonar impreso en 3D como el ajuste del perfil de flujo de aire se pueden modular fácilmente para reflejar datos clínicos de pacientes con diferentes edades, raza y género. Los dispositivos de administración de fármacos clínicamente relevantes, como el tubo endotraqueal que se muestra aquí, se pueden incorporar a la configuración de pruebas para predecir con mayor precisión la capacidad de un dispositivo para dirigir el parto terapéutico a una región enferma del pulmón. La versatilidad de esta configuración experimental permite personalizarla para reflejar multitud de condiciones de inhalación, mejorando el rigor de las pruebas terapéuticas preclínicas.
Introduction
Muchas enfermedades pulmonares como el cáncer de pulmón y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) presentan diferencias regionales en las características de la enfermedad; sin embargo, hay una falta de técnicas terapéuticas disponibles para el tratamiento de fármacos dirigidos a sólo las regiones enfermas del pulmón1. Múltiples modelos dinámicos de fluido computacional (CFD) han demostrado que es posible modular los perfiles de deposición de fármacos mediante la identificación de agilizaciónes específicas en el pulmón2,3. El desarrollo tanto de inhaladores como de adaptadores de tubo endotraqueal (ET) con capacidades de segmentación regionales está en marcha en nuestro laboratorio para controlar la distribución de aerosoles a las regiones pulmonares enfermas. La extensión de estos principios al uso clínico está limitada por la capacidad actual de pruebas preclínicas. La ubicación precisa de un medicamento deposita dentro del pulmón se sabe que es el mejor predictor de eficacia; sin embargo, las evaluaciones farmacéuticas actuales de las terapias inhalables se predicen con mayor frecuencia utilizando correlaciones in vitro-in vivo del tamaño de las partículas para limitarse a aproximar la deposición4. Esta técnica no permite ningún análisis espacial para determinar los efectos de diferentes geometrías de las vías respiratorias en la distribución regional a través de los diversos lóbulos del pulmón. Además, esta prueba carece de geometrías pulmonares anatómicamente precisas, que los investigadores han demostrado que pueden tener un impacto significativo en los perfiles de deposición5. Se han hecho algunos esfuerzos para incorporar geometrías pulmonares específicas del paciente en los protocolos de prueba a través de la adición de las vías respiratorias superiores; sin embargo, la mayoría de estos enfoques muestra la entrega de aerosoles a varias generaciones del pulmón en lugar de cada lóbulo pulmonar6,7,8. El siguiente protocolo presenta un método de alto rendimiento para generar modelos pulmonares específicos del paciente con capacidad para cuantificar la deposición relativa de partículas en cada uno de los cinco lóbulos del pulmón9.
Los pulmones modelo anatómicamente precisos son generados por la impresión 3D de tomografía computarizada (TC) del paciente. Cuando se utiliza junto con un sistema de flujo fácilmente ensamblado, los caudales relativos a través de cada uno de los lóbulos del pulmón modelo se pueden controlar y adaptar de forma independiente para imitar los de diferentes estados de demografía y/o enfermedad de los pacientes. Con este método, los investigadores pueden probar la eficacia de los métodos terapéuticos potenciales en una geometría pulmonar relevante y correlacionar el rendimiento de cada método con la progresión de la morfología enferma. Aquí, dos diseños de dispositivos desarrollados en nuestro laboratorio son probados por su capacidad para aumentar la deposición en un lóbulo pulmonar deseado mediante el control de la ubicación de la liberación de aerosoles en la boca o la tráquea. Este protocolo también tiene el potencial de afectar significativamente el desarrollo de procedimientos personalizados para los pacientes facilitando la rápida predicción de la eficacia del tratamiento en un pulmón modelo específico de los datos de la tomografía computarizada de ese paciente.
Protocol
Representative Results
Discussion
El dispositivo actual de última generación para pruebas farmacéuticas pulmonares de una dosis completa de inhalación es el Next Generator Impactr (NGI), que mide el diámetro aerodinámico de un aerosol4. Estos datos de tamaño se utilizan entonces para predecir la generación pulmonar a la que el aerosol se depositará en función de una correlación desarrollada para un macho adulto sanode 11años. Desafortunadamente, este método es limitado en su capacidad para eval…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores agradecen al profesor Yu Feng, a la Dra. Jenna Briddell, Ian Woodward y Lucas Attia por sus útiles discusiones.
Materials
| 1/4" Plastic Barbed Tube Fitting | McMaster Carr | 5372K111 | |
| 10 um Filter Paper | Fisher | 1093-110 | |
| 1um Fluorescent Polystyrene Particles | Polysciences | 15702-10 | |
| 1um Non-Fluorescent Polystyrene Particles | Polysciences | 8226 | |
| 2-Propanol | Fisher | A516-4 | Referred to in protocol as "IPA" |
| 3/8" Plastic Barbed Tube Fitting | McMaster Carr | 5372K117 | |
| Air Flow Meter (1 – 280 mL/min) | McMaster Carr | 41695K32 | Referred to in protocol as "flow meter" |
| Carbon M1 3D Printer | Carbon 3D | https://www.carbon3d.com/, Associated software referred to in protocol as "slicing software" | |
| Collison Jet Nebulizer | CH Technologies | ARGCNB0008 (CN-25) | 6 Jet MRE style horizontal collision with glass jar, Referred to in protocol as "nebulizer", http://chtechusa.com/Manuals/MRE_Collison_Manual.pdf |
| Convection Oven | Yamato | DKN602 | |
| Copley Critical Flow Controller TPK2000 Reve 120V | MSP Corp | 0001-01-9810 | Referred to in protocol as "flow controller" |
| Copley High Capacity Pump Model HCP5 | MSP Corp | 0001-01-9982 | Referred to in protocol as "vacuum pump" |
| Cytation | BioTek | CYT5MPV | Multifunctional Spectrophotometer/Fluorescent imager equiped with 4x/20x/40x objectives and DAPI/GFP/TexasRed laser/filter cubes |
| EPU40 Resin | Carbon 3D | https://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/, Referred to in protocol as "soft resin" | |
| Filter for vacuum pump | Whatman | 6722-5000 | |
| Flow Meter Model DFM 2000 | MSP Corp | 0001-01-8764 | Referred to in protocol as "electronic flow meter" |
| ImageJ Software | ImageJ | https://imagej.nih.gov/ij/download.html | |
| Inline Air Flow Control Valve (Push-to-Connect) | McMaster Carr | 62005K333 | Referred to in protocol as "valve" |
| Inline Filter Devices | Whatman | WHA67225000 | |
| Marine-Grade Plywood Sheet | McMaster Carr | 62005K333 | Referred to in protocol as "wooden board" |
| Materialise Mimics Software | Materialise | https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite, Referred to in protocol as "CT scan software" | |
| Meshmixer Software | Autodesk | http://www.meshmixer.com/, Referred to in protocol as "mesh editing software" | |
| Methanol | Fisher | A454-4 | |
| Opticure LED Cube | APM Technica | 102843 | Referred to in protocol as "UV oven" |
| PR25 Resin | Carbon 3D | https://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate, /Referred to in protocol as "hard resin" | |
| PVC Tube for Chemicals | McMaster Carr | 5231K161 | 1/4" ID |
| Screws | |||
| SolidWorks Software | Dassault Systèmes SolidWorks Corporation | https://www.solidworks.com/, Referred to in protocol as "3D modeling software" | |
| Straight Flow Rectangular Manifold | McMaster Carr | 1125T31 | |
| Tubing to Flow Controller | McMaster Carr | 5233K65 | 3/8" ID |
| Wire |
References
- Goel, A., Baboota, S., Sahni, J. K., Ali, J. Exploring targeted pulmonary delivery for treatment of lung cancer. International Journal of Pharmaceutical Investigation. 3 (1), 8-14 (2013).
- Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Li, Z., Roberts, W. L., Rojas, C. A new methodology for targeting drug-aerosols in the human respiratory system. International Journal of Heat and Mass Transfer. 51 (23), 5578-5589 (2008).
- Feng, Y., Chen, X., Yang, M. An In Silico Investigation of a Lobe-Specific Targeted Pulmonary Drug Delivery Method. Design of Medical Devices Conference. , (2018).
- Marple, V. A., et al. Next generation pharmaceutical impactor (a new impactor for pharmaceutical inhaler testing). Part I: Design. Journal of Aerosol Medicine. 16 (3), 283-299 (2003).
- Feng, Y., Zhao, J., Chen, X., Lin, J. An In Silico Subject-Variability Study of Upper Airway Morphological Influence on the Airflow Regime in a Tracheobronchial Tree. Bio-ingénierie. 4 (4), 90 (2017).
- Huynh, B. K., et al. The Development and Validation of an In Vitro Airway Model to Assess Realistic Airway Deposition and Drug Permeation Behavior of Orally Inhaled Products Across Synthetic Membranes. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 103-108 (2018).
- Lizal, F., Elcner, J., Hopke, P. K., Jedelsky, J., Jicha, M. Development of a realistic human airway model. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 226 (3), 197-207 (2011).
- Wei, X., Hindle, M., Delvadia, R. R., Byron, P. R. In Vitro Tests for Aerosol Deposition. V: Using Realistic Testing to Estimate Variations in Aerosol Properties at the Trachea. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 30 (5), 339-348 (2017).
- Kolewe, E. L., Feng, Y., Fromen, C. A. Realizing Lobe-Specific Aerosol Targeting in a 3D-Printed In Vitro Lung Model. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. , (2020).
- Sul, B., et al. Assessing Airflow Sensitivity to Healthy and Diseased Lung Conditions in a Computational Fluid Dynamics Model Validated In Vitro. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), (2018).
- Martonen, T. B., Katz, I. Deposition Patterns of Polydisperse Aerosols Within Human Lungs. Journal of Aerosol Medicine. 6 (4), 251-274 (1993).
- Nahar, K., et al. In vitro, in vivo and ex vivo models for studying particle deposition and drug absorption of inhaled pharmaceuticals. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 49 (5), 805-818 (2013).
- Nichols, S. C., et al. A Multi-laboratory in Vitro Study to Compare Data from Abbreviated and Pharmacopeial Impactor Measurements for Orally Inhaled Products: a Report of the European Aerosol Group (EPAG). AAPS PharmSciTech. 17 (6), 1383-1392 (2016).
- Yoshida, H., Kuwana, A., Shibata, H., Izutsu, K. I., Goda, Y. Comparison of Aerodynamic Particle Size Distribution Between a Next Generation Impactor and a Cascade Impactor at a Range of Flow Rates. AAPS PharmSciTech. 18 (3), 646-653 (2017).
- Feng, Y., et al. An in silico inter-subject variability study of extra-thoracic morphology effects on inhaled particle transport and deposition. Journal of Aerosol Science. 123, 185-207 (2018).
- Kleinstreuer, C., Seelecke, S. Inhaler system for targeted maximum drug-aerosol delivery. United States patent. , (2005).
- . How Medical 3D Printing is Gaining Ground in Top Hospitals Available from: https://www.materialise.com/en/blog/3d-printing-hospitals (2019)
- Weber, P. W., Price, O. T., McClellan, G. E. Demographic Variability of Inhalation Mechanics: A Review. Defense Threat Reduction Agency. , (2016).
- Jiang, Y. Y., Xu, X., Su, H. L., Liu, D. X. Gender-related difference in the upper airway dimensions and hyoid bone position in Chinese Han children and adolescents aged 6-18 years using cone beam computed tomography. Acta Odontologica Scandinavica. 73 (5), 391-400 (2015).
- Martin, S. E., Mathur, R., Marshall, I., Douglas, N. J. The effect of age, sex, obesity and posture on upper airway size. European Respiratory Journal. 10 (9), 2087 (1997).
- Xi, J., Longest, P. W., Martonen, T. B. Effects of the laryngeal jet on nano- and microparticle transport and deposition in an approximate model of the upper tracheobronchial airways. Journal of Applied Physiology. 104 (6), 1761-1777 (2008).
- Zhao, J., Feng, Y., Fromen, C. A. Glottis motion effects on the particle transport and deposition in a subject-specific mouth-to-trachea model: A CFPD study. Computers in Biology and Medicine. 116, 103532 (2020).
- Kim, S. S., et al. Chronic obstructive pulmonary disease: lobe-based visual assessment of volumetric CT by Using standard images–comparison with quantitative CT and pulmonary function test in the COPDGene study. Radiology. 266 (2), 626-635 (2013).
- . The Cancer Imaging Archive Available from: https://www.cancerimagingarchive.net/ (2020)
- Li, A., Ahmadi, G. Computer Simulation of Deposition of Aerosols in a Turbulent Channel Flow with Rough Walls. Aerosol Science and Technology. 18 (1), 11-24 (1993).
- Khalili, S. F., Ghanbarzadeh, S., Nokhodchi, A., Hamishehkar, H. The effect of different coating materials on the prevention of powder bounce in the next generation impactor. Research in Pharmaceutical Sciences. 13 (3), 283-287 (2018).
- Galliger, Z., Vogt, C. D., Panoskaltsis-Mortari, A. 3D bioprinting for lungs and hollow organs. Translational Research. 211, 19-34 (2019).
- Schwarz, K., Biller, H., Windt, H., Koch, W., Hohlfeld, J. M. Characterization of exhaled particles from the healthy human lung–a systematic analysis in relation to pulmonary function variables. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 23 (6), 371-379 (2010).
- Patton, J. S., Byron, P. R. Inhaling medicines: delivering drugs to the body through the lungs. Nature Reviews Drug Discovery. 6 (1), 67-74 (2007).
- Zhang, Z., Kleinstreuer, C., Kim, C. S. Cyclic micron-size particle inhalation and deposition in a triple bifurcation lung airway model. Journal of Aerosol Science. 33 (2), 257-281 (2002).
- Ju, Y., et al. Engineering of Nebulized Metal-Phenolic Capsules for Controlled Pulmonary Deposition. Advanced Science. 7 (6), 1902650 (2020).
