Den inhalationsenhed beskrevet heri, kan generere, prøve til karakterisering og ensartet deponere en medikament aerosol i lungerne hos gnavere. Dette muliggør den prækliniske bestemmelse af effektiviteten og sikkerheden af lægemiddeldoser deponeret i lungerne; nøgledata muliggør klinisk inhaleret lægemiddeludvikling.
Obstruktive luftvejssygdomme såsom astma og kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL) for øjeblikket behandles ved inhalerede antiinflammatoriske og bronchodilatorlægemidler. På trods af tilgængeligheden af flere behandlinger, er begge sygdomme voksende bekymringer for folkesundheden. Størstedelen af astmapatienter er velkontrolleret på aktuelle inhalerede behandlinger men et betydeligt antal patienter med svær astma er ikke. Astma påvirker en anslået 300 millioner mennesker verden over, og cirka 20 procent har en alvorlig form af sygdommen. I modsætning til astma, er der kun få effektive behandlinger for KOL. Det anslås, at 10% af befolkningen har KOL og udviklingen i dødelighed er stigende for KOL mens faldende til andre alvorlige sygdomme. Selv om udformningen af lægemidler til inhaleret afgivelse er udfordrende, næse-kun inhalationsenhed muliggør direkte levering af nye lægemidler til lungen af gnavere til prækliniske effekt og sikkerhed / toksikologiske undersøgelser. Inhaleret lægemiddeladministrationhar flere fordele for luftvejssygdomme, hvor høj koncentration i lungen forbedrer virkningsfuldhed og minimerer systemiske bivirkninger. Inhalerede kortikosteroider og bronkodilatatorer drage fordel af disse fordele og inhaleret levering kan også holde potentialet for fremtidige biologiske behandlinger. Den inhalationsenhed beskrevet heri, kan generere, prøve til karakterisering og ensartet deponere en medikament aerosol i lungerne hos gnavere. Dette muliggør den prækliniske bestemmelse af effektiviteten og sikkerheden af lægemiddeldoser deponeret i lungerne hos gnavere, kræves nøgledata før initiering klinisk udvikling.
Der er mange fordele ved at inhaleret administration af lægemidler til behandling af luftvejssygdomme. Inhaleret levering gælder det terapeutiske middel direkte til stedet for handling, lungerne. En høj lokal koncentration af lægemidlet i lungerne giver en betydelig fordel, der minimerer dosis og systemisk eksponering, og maksimerer effektiviteten. Dette er en vigtig fordel, at i høj grad kan forøge det terapeutiske indeks (TI, forhold mellem dosis lægemiddel, der forårsager en bivirkning over dosis lægemiddel, der giver virkningsfuldhed) af et lægemiddel. Inhalerede β 2-adrenerge agonister, corticosteroider og anticholinerge lægemidler har vist sig effektiv til at forbedre lungefunktionen hos patienter med astma og KOL, samtidig minimere de systemiske bivirkninger (takykardi, immunosuppression og forstoppelse) observeret, når disse stoffer indtages oralt. Nye lægemiddelklasser (f.eks PDE4-inhibitorer 1 og BTK inhibitorer 2) har for nyligvist sig effektiv til forbedring af lungefunktionen i prækliniske dyremodeller men, svarende til p 2 -agonister, corticosteroider og anticholinerge lægemidler, lider systemiske bivirkninger, der kan minimeres ved inhaleret afgivelse. På grund af de ekstra omkostninger til udvikling af inhalerede vs. orale lægemidler, bør en inhaleret formulering kun overvejes for respiratoriske indikationer efter vellykket oral / systemisk indgivelse afslører dosisbegrænsende mekanisme-baserede systemisk bivirkninger.
Præ-klinisk, er inhalerede forbindelser optimeret for at øge TI, som kræver in vivo effektivitet og bivirkningsprofil målinger. Oprindelig blev disse målinger kan foretages i separate assays, sædvanligvis en topisk leveret effekt måling og en systemisk leveret bivirkning måling, men lige sammenlign forbindelser, bør effektivitet og bivirkninger måles i de samme dyr efter inhaleret administration. Dette kræver dosis / respons-undersøgelser, at achieve nok forbindelse indgivet til lungerne for at inducere en målbar bivirkning. Den eneste måde i øjeblikket til ensartet at fordele store doser af medikament i lungerne af multiple små dyr samtidigt er kun næsen inhalation 3, 4, 5. Styrker og svagheder ved forskellige eksponeringsniveauer inhalation teknikker er for nylig blevet revideret 6, 7, 8. Specialudstyr og en stor mængde af testforbindelse (gram-mængder) er påkrævet for kun næsen inhaleret lægemiddeladministration, men proof-of-concept undersøgelser kan være muligt på anden måde.
Når mængden af lægemiddel er begrænset (mg mængder), direkte administration metoder er en mulighed, men alle lider ikke-ensartet aflejring, med mere lægemiddel koncentreret langs de centrale luftveje og mindre godt repræsenteret i parenchymale / alveolæreregioner 3, 4, 5. Den effektive dosis leveres ved direkte instillation altid er højere og kan aldrig direkte sammenlignet med inhalerede doser 4. Direkte instillationsperioder metoder, herunder intranasal 9, intratrakeal væske 10, 11 og spray instillation 12, eller tør-pulver insufflation 13, kan 14 anvendes som et screeningsværktøj at bestemme den omtrentlige dosisområde for senere næse- kun inhalationsstudier, eller til at bestemme Vurderet af effekt / toksicitet for en række strukturelt tilsvarende lægemidler 15. På grund af den centrale luftveje deposition mønster, kan direkte administration metoder være mere nyttigt at bestemme virkningerne af forbindelser, der virker på de centrale luftveje (bronchodilatorer eller mastcelle inhibitorer) end in den perifere lunge (anti-inflammatoriske).
I modsætning til mennesker, som kan indånde en betydelig dosis af koncentreret aerosol fra en inhalator i en enkelt dyb indånding, kontinuerlig frembringelse af en respirabel (0,5-5 um aerodynamisk massemediandiameter, MMAD) aerosol, i op til en time, er forpligtet til at deponere en virkningsfuld lægemiddeldosis i en spontant vejrtrækning gnaver lunger i et kun næsen inhalationssystem 16. Aerosolgeneratorer (jet nebulizer eller Wright støv foder 17), der kontinuerligt kan producere den ønskede aerosol partikelstørrelse og koncentration til næse-kun inhalationsstudier er ikke meget effektive til frembringelse af høj kvalitet (respirable) aerosoler. Lægemiddelforrådshulrummet fødehastigheder af disse spraydåser til potent (IC50 pM til nM i funktionelle cellebaserede assays) forbindelser er almindeligvis i 1 til 10 mg / min rækkevidde og sædvanligvis mindre end 1% af dette lægemiddel aerosol gør det til åndedrætszonen af dyrene(Figur 1). Mange af partiklerne genererede er for store (> 5 um) for at komme ind i lungerne og fjernes ved en aerosol sigten (en præ-separator eller cyklon med en 5 um skærepunktet) for at undgå en stor dosis af lægemiddel i næsen. Tilføjelse til ineffektiviteten af næse- kun inhalationssystemer er den lille partikelstørrelsesområde (0,5 til 5 um MMAD) til respirable partikler. Mange af aerosolpartiklerne mindre end 0,5 um udåndes (ligesom cigaret røg) og ikke aflejret i lungerne 18. Også mange af de "større" aerosolpartikler (~ 5 um) deponering i næsen absorberes eller transporteres af mucociliær clearance mod bagsiden af halsen, når de synkes ind i maven 19. Når der anvendes kun næsen inhalation dosis deponeres i næsen er altid større end den dosis afgives i lungerne og den nasale dosis kan bidrage til systemisk eksponering og bivirkninger 20. Inherent, inhaleret drug doser er små (i mikrogram området) minimering enhver systemisk bivirkning potentiale af lægemiddel absorberes af nasale, lunge eller gastrointestinale væv. Selv når partikelstørrelsen af aerosolen leveres til dyrene er i det respirable område, et gennemsnit på kun 4% af aerosolpartiklerne, der gør det til åndedrætszonen af dyr deponering i lungerne. Mere effektive aerosolgeneratorer er til rådighed, men den jetforstøveren og Wright støv foder er uovertruffen for deres evne til at producere kontinuerlige aerosoler fra forskellige flydende og tørpulverformuleringer hhv.
Respirable aerosol fra præseparator passerer ind i kun næsen indånding enhed 21, som er baseret på en strøm-forbi næsen design 22. Inhalationen enhed har 3 metodetrin (kun to lag er vist i figur 1) og hvert lag indeholder 10 eksponering porte til dyr og aerosol prøveudtagning. Portene er placeret perifert omkring central aerosol plenum. Bevidste musene anbringes i glas fastholdende holdere (6 inches lang med 1,2 inch diameter) og indånde aerosolpartiklerne indholdet af inhalationsenhed. Musene er ikke akklimatiseret til fastholdelsesanordninger 23. Tidligere erfaringer har vist, at mus tolerere rør tilbageholdenhed på mindre end en time varighed på lignende med eller uden tilpasning 2.
Inhalationen enhed er designet til at levere lægemidler aerosoler direkte til lungerne af dyr samtidig undgå udsættelse for operatørerne. Styrken / toksicitet af disse stoffer er normalt ukendte og flere engineering sikkerhedskontrollen er vant til at undgå udsættelse for operatørerne. Operatørerne skal altid bære personlige værnemidler (handsker, kitler, åndedrætsværn, og sikkerhedsbriller). Den udvendige plenum af inhalationsenhed er under negativt tryk på alle tidspunkter under drift, hvilket muliggør sikker fjernelse af enkelt eller grupper af dyr without afspærring aerosolgeneratoren. Inhalationen enhed er også indeholdt i en sekundær indelukke holdes ved et negativt tryk ved en udstødningsport i loftet for at forhindre enhver udslip af aerosol ind i rummet i tilfælde af fejl. Alle udstrømmende luft fra Inhalationssystemet filtreres af et HEPA filter før udledning i miljøet. Næse-kun eksponering, der anvendes i dette manuskript blev indkøbt fra en enkelt leverandør (se supplerende tabel of Materials).
En kun næsen inhalation systemet og dets drift til at levere farmaceutiske aerosoler til lungerne hos gnavere er blevet beskrevet. Fastholde dyr i nose-only holdere er en almindeligt anvendt metode til eksponering dyr for luftbåret materiale. Et eksperiment blev udført demonstrerer det anticholinerge bronkodilatator ipratropiumbromid 34 kan kraftigt omvendt methacholin inducerede bronchokonstriktion ved levering af kun næsen inhalation til mus med en ED50 på 0,1 ug / kg deponerede dosis. En større end 10 gange stigning i effektiv dosis af ipratropium var påkrævet for bronkodilation efter intratrakeal levering (ED50 intratracheal = 1,3 ug / kg, data ikke vist) levering. Dette skyldes den ikke-ensartet aflejring mønster af lægemiddel i lungerne fremstillet ved intratracheal dosering 3, 5, 10. 10 gange og større effektiv dosisforskellene mellem inhalerede og intratracheale dosering teknikker til andre lægemidler er tidligere blevet observeret af andre 4.
Den ikke-ensartet aflejring mønster af lægemiddel i lungerne fremstillet ved intratracheal dosering også forsinker lægemiddelabsorption af lungen 35, begrænse den hastighed, hvormed lægemidlet kommer ind i den systemiske cirkulation og reducere chancerne for at se systemiske bivirkninger. Derfor, for at optimere sikkerhed / effekt (terapeutisk indeks) 36 af hidtil ukendte inhalerede lægemidler, bør anvendes kun næsen inhalation levering. Intratracheal aflejring vil give en unøjagtig estimat af TI ved at generere fejlagtigt høje effektive doser i lunge og lave doser til den systemiske cirkulation.
Som nye lægemidler leveret ved inhalering er udviklet, er det vigtigt at passende oversætte den effektive medicin dosis fra prækliniske undersøgelser af effekten til at forudsige en efficacious humane dosis for kliniske forsøg. Den berygtede død Tusko elefanten 37 er almindeligt citeret i litteraturen for at minde os om at bruge allometrisk skalering til at forudsige interspecies narkotika doser, og at mellem arter narkotika doser ikke bør lineært ekstrapoleret på grundlag af en simpel sammenligning af kroppens masserne. Det er almindeligt at anvende en allometrisk tilgang med en allometrisk eksponent b på 0,67 til at forudsige humane lægemiddeldoser fra præklinisk virkningsundersøgelser 38. Ved hjælp af musen inhaleret ED90 på 0,9 ug / kg til ipratropium, en allometrisk eksponent på 0,67, en mus kropsvægt på 0,03 kg og en human kropsvægt på 60 kg; en anslået humant ED 90 på 0,07 ug / kg ((0,9 * (0,03 / 60 ) (1-0.67) = 0,07) kan beregnes som den forudsagte humane deponerede dosis fra vores muse data. Dette forudsagte værdi kan sammenlignes med den faktiske menneske virkningsfuld deponerede dosis på 0,26 ug / kg, som kan beregnes ud fra den leverede dose af 40 ug 39 divideret med det menneskelige legeme masse på 60 kg ganget med en human oral inhalation pulmonal aflejring fraktion 16 på 0,4 ((40/60) * 0.4 = 0,26). Et skøn over den effektive humane inhaleret deponerede dosis hjælper også til at planlægge de leverede anvendte doser i inhalation toksikologiske undersøgelser er nødvendige for kliniske forsøg 40.
Det specialiserede udstyr og stor mængde af testforbindelse (gram-mængder), der kræves for kun næsen inhaleret lægemiddeltilførsel kan være betydelige begrænsninger ved udviklingen af kun næsen inhalation teknik. En kalibreringskørsel uden tilstedeværende dyr er nødvendigt, hvis en specifik dosis er nødvendig for en (sædvanligvis toksikologi og ikke en effektivitet dosis / respons) studie, og denne kalibrering sigt vil kræve mere lægemiddel til rådighed. Denne kalibreringskørsel er nødvendigt, fordi de fysisk-kemiske egenskaber af hvert lægemiddel / formulering kan variere nok til i høj grad påvirke den deponerede dosisaf lægemiddel i lungerne. Optimering af luft og lægemiddel fødehastigheder til aerosolgeneratoren under kalibreringen kræves for at opnå en aerosol partikelstørrelse og koncentration til den specifikke dosis, der kræves. Mens aerosolgeneratoren luft og medikament fødehastigheder foreslået i fremgangsmåderne er et fornuftigt udgangspunkt, der er potentiale, at for et specifikt lægemiddel formulering vil blive genereret en ikke-respirerbar (partikelstørrelse> 5 mm) aerosol. På den prækliniske fase, er der ofte ikke nok stof til rådighed til at gøre en kalibrering køre, og det er umuligt at vide på forhånd, hvad doser (hvis nogen) får ned i lungerne. Også, statisk elektricitet frembragt under aerosoldannelse proces og kan påvirke den nødvendige tid for aerosolkoncentrationen at ækvilibrere. Det er vigtigt, at en god jordforbindelse udstyr til at minimere statisk elektricitet. En anden mulighed for at minimere statisk elektricitet er at tilføje fugt til luften tilføres til inhalation enhed, for at forøge ledningsevnen ogsprede elektrostatiske ladninger på partiklerne 25. Luftbefugtning tilføres til aerosolgeneratoren er ikke påkrævet til dyr komfort under korte (<1 h) dosering sessioner, men bør overvejes, hvis der anvendes længere dosering gange.
Lægemidler kan leveres til lungerne hos dyr ved passiv kun næsen inhalation eller direkte intratracheale administration metoder, der omgår nasopharyngeal aflejring. Kun næsen levering inhalation er almindeligt anvendt inden for inhalation toksikologi 41, men er sparsomt anvendes tidligt i lægemiddelopdagelsesprocessen. er behov for en tværfaglig forskergruppe for udførelse af næse-kun inhalationsstudier grund af: behovet for store mængder af narkotika, specialiseret viden, der kræves for at formulere, generere, og karakterisere aerosoler; betjene komplekse udstyr, og måle lægemiddelvirkningsfuldhed i dyremodeller på luftvejssygdom. Leveringen teknikker beskrevet heri anvendes til at udvikle small molekyle inhaleret lægemidler, men i fremtiden kan anvendes til at udvikle inhalerede Biologics 42, 43. Forhåbentlig procedurerne og tips dokumenteret i dette manuskript vil lette nye prækliniske lægemiddelforskning og toksikologi forskere til at erhverve de nødvendige for at levere medicin til gnavere ved aerosol indånding færdigheder.
The authors have nothing to disclose.
Vi anerkender: Dr. Thomas Budiman på TSE Systems GmbH for sin tekniske ekspertise og udstyr tilpasning. John Fry (Battelle Inc.) og Dr. Rudy Jaeger (CH Technologies Inc.) for deres nyttige diskussioner. Tian Wu, Sam Mboggo, April Miller, og Sean Davis (Amgen) som hjælp til forsøgene.
Nose-only exposure inhalation unit | TSE systems | 700100-KNES-040-ss | Custom configurations available |
DACO data acquisition system | TSE systems | 700400-PRO-C-D/1 | |
MC One Jet Mill | Jetpharma | DEC MicroJet 10 | |
Turbula Mixer | GlenMills Inc | T2F | |
Micronized Lactose | DFE Pharma | Lactohale 200 | |
Hydraulic press | Specac | GS15011 | |
Cascade impactor filters | Pall Life Sciences | 7219 | Emfab filter |
Absolute filters | Whatman | 10370302 | 5 cm diameter |
Real time aerosol monitor Microdust Pro Monitor |
Casella | CEL-712 | |
Ipratropium bromide | Spectrum Chemical | I1178 | pre-micronized |
flexiVent FX1 system | scireq | FV-FXCS |