Evaluatie van regionale longdepositie met patiëntspecifieke 3D-geprinte longmodellen
Summary
We presenteren een high-throughput, in vitro methode voor het kwantificeren van regionale longdepositie op kwabniveau met behulp van CT-scan-afgeleide, 3D-geprinte longmodellen met afstembare luchtstroomprofielen.
Abstract
De ontwikkeling van gerichte therapieën voor longziekten wordt beperkt door de beschikbaarheid van preklinische testmethoden met het vermogen om regionale aerosollevering te voorspellen. Met 3D-printen om patiëntspecifieke longmodellen te genereren, schetsen we het ontwerp van een in vitro experimentele opstelling met hoge doorvoer voor het kwantificeren van lobulaire longdepositie. Dit systeem is gemaakt met een combinatie van in de handel verkrijgbare en 3D-geprinte componenten en maakt het mogelijk om het debiet door elke longkwab onafhankelijk te regelen. Levering van fluorescerende aerosolen aan elke kwab wordt gemeten met behulp van fluorescentiemicroscopie. Dit protocol heeft het potentieel om de groei van gepersonaliseerde geneeskunde voor luchtwegaandoeningen te bevorderen door zijn vermogen om een breed scala aan demografische en ziektetoestanden van patiënten te modelleren. Zowel de geometrie van het 3D-geprinte longmodel als de instelling van het luchtstroomprofiel kunnen eenvoudig worden gemoduleerd om klinische gegevens weer te geven voor patiënten met verschillende leeftijd, ras en geslacht. Klinisch relevante hulpmiddelen voor de toediening van geneesmiddelen, zoals de hier getoonde endotracheale buis, kunnen in de testopstelling worden opgenomen om nauwkeuriger te voorspellen of een apparaat in staat is om therapeutische toediening aan een ziek gebied van de long te richten. De veelzijdigheid van deze experimentele opstelling maakt het mogelijk om het aan te passen aan een veelheid aan inhalatieomstandigheden, waardoor de strengheid van preklinische therapeutische tests wordt verbeterd.
Introduction
Veel longziekten zoals longkanker en chronische obstructieve longziekte (COPD) vertonen regionale verschillen in ziektekenmerken; er zijn echter een gebrek aan therapeutische technieken beschikbaar om de levering van geneesmiddelen aan alleen zieke gebieden van de longen te richten1. Meerdere computationele vloeistofdynamische (CFD)-modellen hebben aangetoond dat het mogelijk is om de depositieprofielen van geneesmiddelen te moduleren door specifieke stroomlijnen in delongen teidentificeren 2,3. De ontwikkeling van zowel inhalatoren als endotracheale (ET) buisadapters met regionale targetingmogelijkheden is in ons lab aan de gang om de aerosoldistributie naar zieke longregio’s te beheersen. De uitbreiding van deze beginselen tot klinisch gebruik wordt beperkt door de huidige preklinische testcapaciteit. De precieze locatie waar een geneesmiddel zich in de long afzettingen, is bekend als de beste voorspeller van werkzaamheid; de huidige farmaceutische beoordelingen van inhaleerbare therapieën worden echter meestal voorspeld met behulp van in vitro-in vivo correlaties van deeltjesgrootte om depositie slechts bij benadering te benaderen4. Deze techniek maakt geen ruimtelijke analyse mogelijk om de effecten van verschillende luchtweggeometrieën op de regionale verdeling door de verschillende longlobben te bepalen. Bovendien mist deze test anatomisch nauwkeurige longgeometrieën, waarvan onderzoekers hebben aangetoond dat ze een aanzienlijke impact kunnen hebben op depositieprofielen5. Er zijn enkele inspanningen geleverd om patiëntspecifieke longgeometrieën op te nemen in testprotocollen door toevoeging van de bovenste luchtwegen; de meeste van deze benaderingen bemonsteren echter de levering van aerosolen aan verschillende generaties van de long in plaats van elke longkwab6,7,8. Het volgende protocol presenteert een methode met hoge doorvoer om patiëntspecifieke longmodellen te genereren met de capaciteit om relatieve deeltjesdepositie in elk van de vijf kwabben van de long te kwantificeren9.
Anatomisch nauwkeurige modellongen worden gegenereerd door ct-scans (3D printing patient computed tomography). Bij gebruik in combinatie met een eenvoudig te monteren debietsysteem kunnen de relatieve debieten door elk van de longlobben van het model onafhankelijk worden gecontroleerd en aangepast om die van verschillende demografische en/of ziektetoestanden van de patiënt na te bootsen. Met deze methode kunnen onderzoekers de werkzaamheid van potentiële therapeutische methoden in een relevante longgeometrie testen en de prestaties van elke methode correleren met de progressie van zieke morfologie. Hier worden twee apparaatontwerpen die in ons lab zijn ontwikkeld, getest op hun vermogen om de afzetting in een gewenste longkwab te verhogen door de locatie van aerosolafgifte in de mond of luchtpijp te regelen. Dit protocol heeft ook het potentieel om de ontwikkeling van gepersonaliseerde procedures voor patiënten aanzienlijk te beïnvloeden door de snelle voorspelling van de werkzaamheid van de behandeling in een modellong te vergemakkelijken die specifiek is voor de CT-scangegevens van die patiënt.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het huidige state-of-the-art apparaat voor long farmaceutisch testen van een volledige inhalatiedosis is het Next Generator Impactor (NGI), dat de aerodynamische diameter van een aerosolmeet 4. Deze dimensioneringsgegevens worden vervolgens gebruikt om de longgeneratie te voorspellen waarbij de aerosol zich zal afzetten op basis van een correlatie die is ontwikkeld voor een gezonde volwassen man11. Helaas is deze methode beperkt in zijn vermogen om verschillen in regionale …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs danken professor Yu Feng, dr. Jenna Briddell, Ian Woodward en Lucas Attia voor hun nuttige discussies.
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. 생체공학. 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).
