用于将干粉输送给小鼠的一次性给药器
Summary
药物干粉开发需要可靠的 体内 测试，通常使用小鼠模型。用于准确和可重复地将干粉气溶胶输送给小鼠的设备技术受到限制。本研究介绍了用于小鼠相关剂量的肺部药物递送的一次性给药器，有助于初步的概念验证研究。
Abstract
干粉吸入器在将药物输送到肺部方面具有许多优势，包括稳定的固态药物制剂、设备便携性、推注计量和剂量以及无推进剂的扩散机制。为了开发药用干粉气雾剂产品，稳健 的体内 测试至关重要。通常，初步研究涉及在对大型动物物种进行正式研究之前使用小鼠模型进行初步评估。然而，这种方法的一个重大局限性是缺乏合适的设备技术来准确和可重复地将干粉输送给小动物，从而阻碍了此类模型的实用性。为了应对这些挑战，一次性注射器给药器专门用于肺内给药，剂量适合小鼠。这些加料器装载并输送从均匀堆积密度粉末床中获得的预定量的粉末。这种离散控制是通过将钝针插入固定深度（夯实）到粉末床中来实现的，每次去除固定数量。值得注意的是，这种计量模式已被证明对一系列喷雾干燥粉末有效。在涉及四种不同型号喷雾干燥粉末的实验中，加药器证明了能够达到 30 至 1100 μg 范围内的剂量。达到的剂量受夯实剂数量、给药针头尺寸和所用特定配方等因素的影响。这些给药器的主要优点之一是易于制造，使其易于获得且具有成本效益，可在初始概念验证研究期间将干粉输送给小鼠。加料器的一次性特性便于在动物手术室中使用，在这些手术室中，清洁和重新填充可重复使用的系统和称重材料不方便。因此，开发一次性注射器给药器解决了小鼠干粉递送概念验证研究的重大障碍，使研究人员能够在用于肺部药物递送的小动物模型中进行更准确和可重复的初步研究。
Introduction
在过去三十年中，由于全球逐步淘汰氯氟烃推进剂1,2，使用干粉吸入器（DPI）进行肺部给药引起了人们的极大兴趣。与其他肺输送系统（如定量吸入器和雾化器）相比，DPI 具有许多优势，包括配方稳定性、便携性、易用性和无推进剂分散机制2。然而，在将DPI产品推向临床转化之前，必须进行几项临床前研究，其中许多研究最初是使用小鼠模型完成的。然而，用于准确和可重复地向小动物输送干粉的技术是有限的。
将干粉输送给小动物（如小鼠）的常用方法包括被动吸入3,4,5,6,7和直接给药8,9,10,11,12,13。被动吸入通常需要一个定制的腔室，该腔室利用大剂量的喷雾干燥粉末来制备足够的气溶胶云。由于小鼠是专性鼻呼吸器14，通过被动吸入输送需要粉末通过鼻子和喉咙到达肺部，因此需要维持具有足够颗粒空气动力学特性的气溶胶云7,8。虽然这是一种有用的技术，在生理上比正常呼吸导致的吸入直接给药更具生理相关性14，但它可能不适合粉末质量有限的初始研究。
或者，已经报道了许多用于直接干粉输送的气管内输送装置8、9、10、11、12、13。气管内装置绕过鼻子和喉咙，将粉末直接输送到肺部，并允许对输送的剂量进行更精细的控制14.此外，一些设备，特别是那些使用夯实加载程序9制备的器械，可以制备较少的量，这是初始概念验证研究的重要考虑因素。缺乏普遍可用的气管内给药装置阻碍了其使用潜力，限制了可用性并导致实验室间差异14.在这项研究中，我们提出了一种简单、廉价、一次性的气管内给药器，可用于开发干粉气溶胶的概念验证小鼠研究。
Protocol
Representative Results
Discussion
由于小鼠是专性鼻呼吸器，通过被动吸入进行初步概念验证研究使效率和剂量估计具有挑战性，因为粉末必须以取决于颗粒特性和粉末分散效率的方式通过鼻子和喉咙7,8,14。本文开发的给药器的使用绕过鼻子和喉咙，将给药器插入第一支气管分叉处9，并将全剂量直接输送到小鼠的肺部，从而为初步研?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
作者希望感谢美国国立卫生研究院（R01AI155922）的资助。显微镜在教堂山分析和纳米制造实验室 （CHANL） 进行，该实验室是北卡罗来纳州三角研究纳米技术网络 RTNN 的成员，该网络由美国国家科学基金会 Grant ECCS-1542015 支持，作为国家纳米技术协调基础设施 NNCI 的一部分。
Materials
| 0.6 mL microcentrifuge tubes | Fisher Scientific | 05-408-120 | |
| Analytical balance | Mettler Toledo | AR1140 | Any analytical balance with sufficient range can be used |
| Blunt stainless-steel needle, 1 inch, 21 G | McMaster-Carr | 75165A681 | |
| Blunt stainless-steel needle, 1 inch, 22 G | McMaster-Carr | 75165A683 | |
| Blunt stainless-steel needle, 1 inch, 25 G | McMaster-Carr | 75165A687 | |
| Disposable syringe with luer lock (1 mL) | Fisher Scientific | 14-823-30 | 3-mL syringes can also be used |
| Female BALB/c mice | Charles River, Wilmington, MA, USA | ||
| High-performance cascade impactor | Next Generation Impactor | Apparatus 5 | |
| Lab film (e.g., Parafilm) | Fisher Scientific | S37440 | |
| Low-lint wiper (e.g., Kimwipes) | Kimberly-Clark Professional | 34133 | |
| Low-resistance dry powder inhaler | RS01 mod 7 | ||
| Polypropylene needle, 1.5 inch, 16 G | McMaster-Carr | 6934A111 | |
| Polypropylene needle, 1.5 inch, 18 G | McMaster-Carr | 6934A53 | |
| Polypropylene needle, 1.5 inch, 20 G | McMaster-Carr | 6934A55 | |
| Precision sectioning saw | TedPella | 812-300 | Belt sander can be used as an alternative |
| PTFE needle, 2 inch, 20 G | McMaster-Carr | 75175A694 | |
| USP General Chapter <601> | http://www.uspbpep.com/usp31/v31261/usp31nf26s1_c601.asp |
References
- Wu, X., Li, X., Mansour, H. M. Surface analytical techniques in solid-state particle characterization for predicting performance in dry powder inhalers. KONA Powder and Particle Journal. 28, 3-18 (2010).
- Maloney, S. E., Mecham, J. B., Hickey, A. J. Performance testing for dry powder inhaler products: towards clinical relevance. KONA Powder and Particle Journal. 40, 172-185 (2023).
- Maloney, S. E., et al. Spray dried tigecycline dry powder aerosols for the treatment of nontuberculous mycobacterial pulmonary infections. Tuberculosis. 139, 102306 (2023).
- Kaur, J., et al. A hand-held apparatus for "nose-only" exposure of mice to inhalable microparticles as a dry powder inhalation targeting lung and airway macrophages. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 34 (1), 56-65 (2008).
- Yi, J., et al. Whole-body nanoparticle aerosol inhalation exposures. Journal of Visualized Experiments. (75), e50263 (2013).
- Chung, Y. H., Han, J. H., Lee, Y. -. H. A study on subchronic inhalation toxicology of 1-chloropropane. Toxicological Research. 31 (4), 393-402 (2015).
- Kuehl, P. J., et al. Regional particle size dependent deposition of inhaled aerosols in rats and mice. Inhalation Toxicology. 24 (1), 27-35 (2012).
- Manser, M., et al. Design considerations for intratracheal delivery devices to achieve proof-of-concept dry powder biopharmaceutical delivery in mice. Pharmaceutical Research. 40, 1165-1176 (2023).
- Stewart, I. E., et al. Development and characterization of a dry powder formulation for anti-tuberculosis drug spectinamide 1599. Pharmaceutical Research. 36 (9), 136 (2019).
- Durham, P. G., et al. Disposable dosators for pulmonary insufflation of therapeutic agents to small animals. Journal of Visualized Experiments. (121), e55356 (2017).
- Miwata, K., et al. Intratracheal administration of siRNA dry powder targeting vascular endothelial growth factor inhibits lung tumor growth in mice. Molecular Therapy: Nucleic Acids. 12, 698-706 (2018).
- Duret, C., et al. Pharmacokinetic evaulation in mice of amorphous itraconazole-based dry powder formulations for inhalation with high bioavailability and extended lung retention. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 86 (1), 46-54 (2014).
- Maloney, S. E., et al. Preparation strategies of the anti-mycobacterial drug bedaquiline for intrapulmonary routes of administration. Pharmaceuticals. 16 (5), 729 (2023).
- Price, D. N., Kunda, N. K., Muttil, P. Challenges associated with the pulmonary delivery of therapeutic dry powders for preclinical testing. KONA Powder and Particle Journal. 36, 129-144 (2019).
- Qiu, Y., Liao, Q., Chow, M. Y. T., Lam, J. K. W. Intratracheal administration of dry powder formulation in mice. Journal of Visualized Experiments. (161), e61469 (2020).
- Fiegel, J., et al. Preparation and in vivo evaluation of a dry powder for inhalation of capreomycin. Pharmaceutical Research. 25 (4), 805-811 (2008).
