Summary

Evaluering af regional lungeaflejring ved hjælp af patientspecifikke 3D-printede lungemodeller

Published: November 11, 2020
doi:

Summary

Vi præsenterer en high-throughput, in vitro metode til kvantificering regionale lungeaflejring på lobe niveau ved hjælp af CT-scanning-afledte, 3D trykte lunge modeller med tunable luftstrøm profiler.

Abstract

Udviklingen af målrettede behandlingsformer for lungesygdomme er begrænset af tilgængeligheden af prækliniske testmetoder med evnen til at forudsige regional aerosollevering. Ved at udnytte 3D-udskrivning til at generere patientspecifikke lungemodeller skitserer vi designet af en høj gennemløbshastighed, in vitro eksperimentel opsætning til kvantificering af lobulær lungeaflejring. Dette system er lavet med en kombination af kommercielt tilgængelige og 3D-trykte komponenter og gør det muligt at styre strømningshastigheden gennem hver lap af lungen uafhængigt. Levering af fluorescerende aerosoler til hver lap måles ved hjælp af fluorescensmikroskopi. Denne protokol har potentiale til at fremme væksten af personlig medicin til luftvejssygdomme gennem sin evne til at modellere en bred vifte af patientdemografi og sygdomstilstande. Både geometrien i den 3D-printede lungemodel og indstillingen for luftstrømsprofilen kan let moduleres for at afspejle kliniske data for patienter med forskellig alder, race og køn. Klinisk relevante lægemiddelleveringsenheder, såsom det endotrachealrør, der vises her, kan indarbejdes i testopsætningen for mere præcist at forudsige en enheds evne til at målrette terapeutisk levering til en syg region i lungerne. Alsidigheden i denne eksperimentelle opsætning gør det muligt at tilpasse den til at afspejle et væld af indåndingsforhold, hvilket forbedrer strengheden af præklinisk terapeutisk testning.

Introduction

Mange lungesygdomme som lungekræft og kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL) udviser regionale forskelle i sygdomskarakteristika; der er dog mangel på terapeutiske teknikker til rådighed til at målrette lægemiddellevering til kun syge regioner i lungerne1. Flere CFD-modeller (Computational Fluid Dynamic) har vist , at det er muligt at modulere narkotikadepositionsprofiler ved at identificere specifikke strømlinjer i lungerne2,3. Udvikling af både inhalatorer og endotracheal (ET) røradaptere med regionale målretningskapaciteter er i gang i vores laboratorium for at kontrollere aerosolfordeling til syge lungeregioner. Udvidelsen af disse principper til klinisk brug er begrænset af den nuværende prækliniske testkapacitet. Den nøjagtige placering et lægemiddel indskud i lungerne er kendt for at være den bedste prædiktor for effekt; de nuværende lægemiddelvurderinger af inhalerbar behandling forudsiges dog oftest ved hjælp af in vitro-in vivo-korrelationer af partikelstørrelse til blot omtrentlig deposition4. Denne teknik giver ikke mulighed for nogen rumlig analyse for at bestemme virkningerne af forskellige luftvejsgeometrier på den regionale fordeling gennem de forskellige lapper i lungerne. Derudover mangler denne test anatomisk nøjagtige lungegeometrier, som forskere har vist kan have en betydelig indvirkning på depositionsprofiler5. Der er gjort en vis indsats for at indarbejde patientspecifikke lungegeometrier i testprotokollerne gennem tilsætning af de øvre luftveje; men de fleste af disse metoder prøve aerosol levering til forskellige generationer af lungerne i stedet for hver lunge lap6,7,8. Følgende protokol præsenterer en høj gennemløbsmetode til generering af patientspecifikke lungemodeller med kapacitet til at kvantificere relativ partikelaflejring i hver af de fem lapper i lungerne9.

Anatomisk nøjagtige model lunger er genereret af 3D-udskrivning patient computertomografi (CT) scanninger. Når det bruges sammen med en let samlet flow system, den relative strømningshastigheder gennem hver af modellen lunges lapper kan uafhængigt kontrolleres og skræddersyet til at efterligne dem af forskellige patient demografi og / eller sygdomstilstande. Med denne metode kan forskere teste effekten af potentielle terapeutiske metoder i en relevant lungegeometri og korrelere hver metodes ydeevne med udviklingen af syge morfologi. Her testes to enhedsdesign udviklet i vores laboratorium for deres evne til at øge depositionen i en ønsket lungelap ved at kontrollere placeringen af aerosoludslip i munden eller luftrøret. Denne protokol har også potentiale til at påvirke udviklingen af personlige procedurer for patienter betydeligt ved at lette den hurtige forudsigelse af behandlingseffektiviteten i en model lunge, der er specifik for den pågældende patients CT-scanningsdata.

Protocol

1. Fremstilling af 3D-printede forsøgskomponenter BEMÆRK: Al software, der bruges i protokollen, er angivet i materialeoversigten. Derudover er den anvendte udskæringssoftware specifik for den 3D-printer, der er anført i materialeoversigten; Denne protokol kan dog udvides til en lang række SLA-3D-printere (Stereolithography). Konverter patient-CT-scanninger til 3D-objekter (.stl-filer).BEMÆRK: For en mere detaljeret diskussion af de geometr…

Representative Results

Partikler i dette størrelsesområde (1-5 μm) og strømningsforhold (1-10 L/min) følger væskestrømslinjerne baseret på både deres teoretiske Stokes-nummer og in vivo-data. I mangel af en målrettet leveringsanordning forventes partikler, der frigives i lungemodellen, derfor at deponere i henhold til procentdelen af den samlede luftstrøm, der omdirigeres til hver lap. De relative mængder partikellevering til hver lap kan derefter sammenlignes med kliniske lobe flow rate data opnået ved at analysere patientspecifi…

Discussion

Den nuværende state-of-the-art enhed til lungelægetest af en komplet indåndingsdosis er Next Generator Impactor (NGI), som måler den aerodynamiske diameter af en aerosol4. Denne dimensionering data bruges derefter til at forudsige lunge generation, hvor aerosolen vil deponere baseret på en korrelation udviklet til en sund voksen mand11. Desværre er denne metode begrænset i sin evne til at vurdere forskelle i regionale lungeaflejring, bestemme virkningerne af sygdomst…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne takker professor Yu Feng, Dr. Jenna Briddell, Ian Woodward, og Lucas Attia for deres nyttige diskussioner.

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

  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Martonen, T. B., Katz, I. Deposition Patterns of Polydisperse Aerosols Within Human Lungs. Journal of Aerosol Medicine. 6 (4), 251-274 (1993).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Kleinstreuer, C., Seelecke, S. Inhaler system for targeted maximum drug-aerosol delivery. United States patent. , (2005).
  17. . How Medical 3D Printing is Gaining Ground in Top Hospitals Available from: https://www.materialise.com/en/blog/3d-printing-hospitals (2019)
  18. Weber, P. W., Price, O. T., McClellan, G. E. Demographic Variability of Inhalation Mechanics: A Review. Defense Threat Reduction Agency. , (2016).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. . The Cancer Imaging Archive Available from: https://www.cancerimagingarchive.net/ (2020)
  25. 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).
  26. 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).
  27. Galliger, Z., Vogt, C. D., Panoskaltsis-Mortari, A. 3D bioprinting for lungs and hollow organs. Translational Research. 211, 19-34 (2019).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Ju, Y., et al. Engineering of Nebulized Metal-Phenolic Capsules for Controlled Pulmonary Deposition. Advanced Science. 7 (6), 1902650 (2020).
check_url/kr/61706?article_type=t

Play Video

Cite This Article
Peterman, E. L., Kolewe, E. L., Fromen, C. A. Evaluating Regional Pulmonary Deposition using Patient-Specific 3D Printed Lung Models. J. Vis. Exp. (165), e61706, doi:10.3791/61706 (2020).

View Video