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Bioengineering

रोगी-विशिष्ट 3डी मुद्रित फेफड़े के मॉडल का उपयोग करके क्षेत्रीय फेफड़े के बयान का मूल्यांकन करना

Published: November 11, 2020 doi: 10.3791/61706
Automatic Translation
1, 1, 1
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Delaware

Summary

हम सीटी स्कैन-व्युत्पन्न, 3 डी मुद्रित फेफड़े के मॉडल का उपयोग करके लोब स्तर पर क्षेत्रीय फेफड़े के बयान की मात्रा निर्धारित करने के लिए एक उच्च-थ्रूपुट, इन विट्रो विधि प्रस्तुत करते हैं।

Abstract

फेफड़े की बीमारियों के लिए लक्षित चिकित्सा का विकास क्षेत्रीय एयरोसोल वितरण की भविष्यवाणी करने की क्षमता के साथ प्रीक्लिनिकल परीक्षण विधियों की उपलब्धता से सीमित है। रोगी-विशिष्ट फेफड़े के मॉडल उत्पन्न करने के लिए 3 डी प्रिंटिंग का लाभ उठाते हुए, हम लोबुलर पल्मोनरी जमाव की मात्रा के लिए एक उच्च-थ्रूपुट, इन विट्रो प्रायोगिक सेटअप के डिजाइन की रूपरेखा तैयार करते हैं। यह प्रणाली व्यावसायिक रूप से उपलब्ध और 3 डी मुद्रित घटकों के संयोजन के साथ बनाई गई है और फेफड़ों के प्रत्येक पालि के माध्यम से प्रवाह दर को स्वतंत्र रूप से नियंत्रित करने की अनुमति देती है। फ्लोरोसेंट एयरोसोल को प्रत्येक पालि में डिलीवरी फ्लोरेसेंस माइक्रोस्कोपी का उपयोग करके मापा जाता है। इस प्रोटोकॉल में रोगी जनसांख्यिकी और रोग राज्यों की एक विस्तृत श्रृंखला को मॉडल करने की क्षमता के माध्यम से श्वसन रोगों के लिए व्यक्तिगत चिकित्सा के विकास को बढ़ावा देने की क्षमता है। 3 डी मुद्रित फेफड़ों के मॉडल और वायु प्रवाह प्रोफ़ाइल सेटिंग की ज्यामिति दोनों को आसानी से अलग-अलग उम्र, दौड़ और लिंग वाले रोगियों के लिए नैदानिक डेटा को प्रतिबिंबित करने के लिए संग्राहक किया जा सकता है। चिकित्सकीय रूप से प्रासंगिक दवा वितरण उपकरणों, जैसे एंडोट्रेक्सील ट्यूब यहां दिखाया गया है, को परीक्षण सेटअप में शामिल किया जा सकता है ताकि फेफड़ों के रोगग्रस्त क्षेत्र में चिकित्सीय वितरण को लक्षित करने के लिए डिवाइस की क्षमता की अधिक सटीक भविष्यवाणी की जा सके। इस प्रयोगात्मक सेटअप की बहुमुखी प्रतिभा इसे साँस लेने की स्थिति की एक भीड़ को प्रतिबिंबित करने के लिए अनुकूलित करने के लिए अनुकूलित किया जा करने के लिए अनुमति देता है, पूर्व नैदानिक चिकित्सकीय परीक्षण की कठोरता को बढ़ाने ।

Introduction

फेफड़ों के कैंसर और क्रोनिक ऑब्सट्रक्टिव पल्मोनरी डिजीज (सीओपीडी) जैसे कई फेफड़े के रोग रोग विशेषताओं में क्षेत्रीय अंतर प्रदर्शित करते हैं; हालांकि, वहाँ चिकित्सकीय केवल फेफड़ों के रोगग्रस्त क्षेत्रों के लिए दवा वितरण लक्ष्य उपलब्ध तकनीकों की कमी कर रहे हैं1. मल्टीपल कम्प्यूटेशनल फ्लूइड डायनेमिक (सीएफडी) मॉडल्स ने दिखा दिया है कि फेफड़े2,3में विशिष्ट सुव्यवस्थित की पहचान करके दवा जमाव प्रोफाइल को मिलाना संभव है । रोगग्रस्त फेफड़ों के क्षेत्रों में एयरोसोल वितरण को नियंत्रित करने के लिए क्षेत्रीय लक्ष्यीकरण क्षमताओं के साथ इनहेलर और एंडोट्रेक्यासी (ईटी) ट्यूब एडाप्टर दोनों का विकास हमारी प्रयोगशाला में चल रहा है। नैदानिक उपयोग के लिए इन सिद्धांतों का विस्तार वर्तमान प्रीक्लिनिकल परीक्षण क्षमता द्वारा सीमित है। सटीक स्थान फेफड़ों के भीतर एक दवा जमा प्रभावकारिता का सबसे अच्छा कारक होने के लिए जाना जाता है; हालांकि, साँस लेने योग्य चिकित्सा विज्ञान के वर्तमान फार्मास्यूटिकल आकलन सबसे अधिक बार केवल अनुमानित जमाव4करने के लिए कण आकार के विट्रो में वीवो सहसंबंधों में उपयोग की भविष्यवाणी कर रहे हैं . यह तकनीक फेफड़ों के विभिन्न पालियों के माध्यम से क्षेत्रीय वितरण पर विभिन्न वायुमार्ग ज्यामिति के प्रभावों को निर्धारित करने के लिए किसी भी स्थानिक विश्लेषण की अनुमति नहीं देती है। इसके अतिरिक्त, इस परीक्षण में शारीरिक रूप से सटीक फेफड़ों की ज्यामिति का अभाव है, जो शोधकर्ताओं ने दिखाया है कि बयान प्रोफाइल5पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ सकता है। ऊपरी वायुमार्ग के अलावा के माध्यम से परीक्षण प्रोटोकॉल में रोगी-विशिष्ट फेफड़ों की ज्यामिति को शामिल करने के लिए कुछ प्रयास किए गए हैं; हालांकि, इन दृष्टिकोणों में से अधिकांश प्रत्येक फेफड़ों के पालि 6,7 ,8के बजाय फेफड़ों की विभिन्न पीढ़ियों के लिए एयरोसोल डिलीवरी नमूना . निम्नलिखित प्रोटोकॉल फेफड़ों के पांच पालि में से प्रत्येक में सापेक्ष कण जमाव की मात्रा निर्धारित करने की क्षमता के साथ रोगी-विशिष्टफेफड़ोंके मॉडल पैदा करने की एक उच्च थ्रूपुट विधि प्रस्तुत करता है।

शारीरिक रूप से सटीक मॉडल फेफड़े 3 डी प्रिंटिंग रोगी गणना टोमोग्राफी (सीटी) स्कैन द्वारा उत्पन्न होते हैं। जब एक आसानी से इकट्ठे प्रवाह प्रणाली के साथ संयोजन के रूप में इस्तेमाल किया, मॉडल फेफड़ों के lobes में से प्रत्येक के माध्यम से सापेक्ष प्रवाह दरों स्वतंत्र रूप से नियंत्रित किया जा सकता है और विभिंन रोगी जनसांख्यिकी और/ इस विधि के साथ, शोधकर्ता एक प्रासंगिक फेफड़ों की ज्यामिति में संभावित चिकित्सीय तरीकों की प्रभावकारिता का परीक्षण कर सकते हैं और रोगग्रस्त आकृति विज्ञान की प्रगति के साथ प्रत्येक विधि के प्रदर्शन को सहसंबंधित कर सकते हैं। यहां, हमारी प्रयोगशाला में विकसित दो डिवाइस डिजाइन मुंह या श्वासनली में एयरोसोल रिलीज के स्थान को नियंत्रित करके एक वांछित फेफड़ों के पालि में जमाव बढ़ाने की क्षमता के लिए परीक्षण कर रहे हैं । इस प्रोटोकॉल में उस रोगी के सीटी स्कैन डेटा के लिए विशिष्ट मॉडल फेफड़ों में उपचार प्रभावकारिता की तेजी से भविष्यवाणी को सुविधाजनक बनाकर रोगियों के लिए व्यक्तिगत प्रक्रियाओं के विकास को काफी प्रभावित करने की क्षमता है।

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Protocol

1. 3 डी मुद्रित प्रयोगात्मक घटकों की तैयारी

नोट: प्रोटोकॉल में उपयोग किए जाने वाले सभी सॉफ्टवेयर सामग्री की तालिका में इंगित किए जाते हैं। इसके अतिरिक्त, उपयोग किया जाने वाला स्लाइसिंग सॉफ्टवेयर सामग्री की तालिका में सूचीबद्ध 3डी प्रिंटर के लिए विशिष्ट है; हालांकि, इस प्रोटोकॉल को स्टीरियोलिथोग्राफी (एसएलए) 3डी प्रिंटर की एक विस्तृत श्रृंखला तक बढ़ाया जा सकता है।

  1. रोगी सीटी स्कैन को 3डी ऑब्जेक्ट्स (.stl फ़ाइलों) में परिवर्तित करें।
    नोट: इन अध्ययनों में उपयोग किए जाने वाले विशिष्ट फेफड़ों के मॉडल की ज्यामितीय विशेषताओं की अधिक विस्तृत चर्चा के लिए, फेंग एट अल5का उल्लेख करें।
    1. सीटी स्कैन सॉफ्टवेयर का उपयोग करके सीटी स्कैन को 3 डी ऑब्जेक्ट में प्रस्तुत करें (सामग्री की तालिकादेखें)। सीटी स्कैन खोलें और -800 से -1000 की सीमा में एक सेटिंग के साथ थ्रेसहोल्ड टूल का उपयोग करके हवाई क्षेत्र पर एक मुखौटा बनाएं। 3D पूर्वावलोकन टूल का उपयोग करके, 3D रेंडरिंग देखें और ऑब्जेक्ट का निर्यात करें(फाइल | निर्यात)एक .stl फ़ाइल के रूप में।
    2. फाइलों को जाल संपादन सॉफ्टवेयर (सामग्रियों की तालिकादेखें) में आयात करना, चुनिंदा उपकरण का उपयोग करके किसी भी दांतेदार सुविधाओं को हटा दें(मूर्तिकला | ब्रश: "हटना/चिकनी" | गुण: ताकत (50), आकार (10), गहराई (0) । सतह को चिकना करें(सीटीआरएल+ए | विरूपित | चिकनी | चौरसाई (0.2), चौरसाई स्केल (1) )।
    3. जाल संपादन सॉफ्टवेयर में, इन वस्तुओं की दीवार को 2 मिमी(सीटीआरएल + ए |) तक बढ़ाएं | संपादित करें ऑफसेट),और आंतरिक वस्तु को खोखले रहने की अनुमति दें जैसे कि केवल दीवार बनी हुई है। ऑब्जेक्ट को स्लाइस करें(| का चयन करें | संपादित करें विमान कट)श्वासनली में एक इनलेट बनाने के लिए और 2 या 3 पीढ़ियों में जहां वस्तु शाखाओं प्रत्येक पालि के लिए बंद दुकानों(चित्रा 1A)बनाने के लिए ।
      नोट: 2 मिमी की मोटाई सामग्री की तालिका में सूचीबद्ध 3 डी प्रिंटर के निर्माता द्वारा निर्दिष्ट स्वीकार्य सुविधा आकारों केआधार पर चुनी गई थी। यदि मॉडल की आंतरिक ज्यामिति बनाए रखी जाती है तो उपलब्ध 3डी प्रिंटर के विनिर्देशों के आधार पर इस मोटाई को समायोजित किया जा सकता है।
  2. रोगी फेफड़ों के मॉडल आउटलेट ज्यामिति को संशोधित करने के लिए पहले से डिजाइन पालि आउटलेट कैप घटकों(चित्रा 1बी, सी) सामग्री की तालिकामें सूचीबद्ध के साथ संगत हो ।
    1. आयात 3 डी वस्तु है, जो अंदर पर सीटी स्कैन प्रतिकृति, 2 मिमी की एक दीवार की मोटाई है, और प्रवेश और दुकानों पर खुला है, 3 डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर में (सामग्री की मेजदेखें) एक ठोस शरीर के रूप में(ओपन | जाल फ़ाइलें | विकल्प | ठोस शरीर)।
    2. दुकानों में से प्रत्येक पर एक चेहरे के आधार पर एक विमान बनाएं(| डालें संदर्भ ज्यामिति | विमान)। स्प्लिसिंग टूल का उपयोग करके, विमान पर एक स्केच में आउटलेट की भीतरी दीवार और बाहरी दीवार का पता लगाएं(स्केच | स्प्लीन)।
    3. मॉडल की भीतरी और बाहरी दीवार से जुड़ने के लिए एक सिलेंडर (ओडी 18.5 मिमी, आईडी 12.5 मिमी, एच 15.15 मिमी) को लॉफ्ट करें, इस प्रकार आउटलेट को प्रत्येक पालि में एक समान होने के लिए विस्तारित किया गया(सुविधाएं | लोफ्टेड बॉस/बेस)। टोपी के साथ मैच के लिए आउटलेट के किनारे के चारों ओर एक पायदान जोड़ें(| विशेषताएं एक्सट्रूडेड कट | ऑफसेट)।
      नोट: टोपी(चित्रा 1D)एक खोखला सिलेंडर है जो आउटलेट के आयामों से मेल खाती है और एक शेल्फ है जो मॉडल आउटलेट के पायदान के साथ इंटरकनेक्ट करती है। टोपी का एक छोर इस तरह अवरुद्ध है कि आईडी भाग के बाकी हिस्सों की तुलना में छोटा है, यह कंटीले टयूबिंग कनेक्शन(चित्रा 1E)के आसपास एक तंग फिट सुनिश्चित करता है । कंटीले ट्यूबिंग कनेक्शन एक कंटीले शंकु आकार है कि टोपी के उद्घाटन के माध्यम से कंटीले फिट बैठता है, लेकिन भाग के बाकी नहीं है, ट्यूबिंग कनेक्शन सुरक्षित रूप से टोपी में फिट करने के लिए अनुमति देता है । इस प्रकार, टोपी दोनों कंटीले ट्यूबिंग कनेक्शन और फेफड़ों के मॉडल(चित्रा 1एफ, जी)के आसपास कसकर फिट बैठता है ।
    4. वांछित प्रयोगात्मक स्थितियों के आधार पर फेफड़ों के मॉडल के इनलेट को संशोधित करें। गले और ग्लोटल क्षेत्रों को एक रोगी की नकल करने के लिए शामिल किया जा सकता है जो अपने दम पर सांस लेसकता है (चित्रा 1B)। ट्रेचिया के ऊपर के क्षेत्रों को वेंटिलेटर समर्थन पर एक intubated रोगी की नकल करने के लिए एक बाहरी कटौती का उपयोग करके हटाया जा सकताहै (विशेषताएं | एक्सट्रूडेड कट)(चित्रा 1C)।
  3. 3 डी प्रिंटर निर्माता द्वारा प्रदान किए गए स्लाइसिंग सॉफ्टवेयर में ओरिएंट और समर्थन प्रयोगात्मक घटक।
    1. 3डी पार्ट फाइल्स को 3डी प्रिंटर स्लाइसिंग सॉफ्टवेयर में इम्पोर्ट करें और उपयुक्त राल चुनें। फेफड़ों के मॉडल और कंटीले ट्यूबिंग कनेक्शन प्रिंट करने के लिए एक कठिन राल का उपयोग करें, और टोपियां मुद्रित करने के लिए एक नरम राल।
      नोट: टोपियां मुद्रण के लिए इस्तेमाल राल लोचदार गुण होना चाहिए यह पालि आउटलेट पर खिंचाव और एक एयरटाइट सील बनाने के लिए अनुमति देते हैं ।
    2. भाग अभिविन्यास ऐसे सेट करें कि किसी भी "द्वीप" और अनूचित वॉल्यूम को कम किया जाए। फेफड़ों के मॉडल के लिए सबसे अच्छा अभिविन्यास प्रिंट मंच से दूर का सामना करना पड़ पालि दुकानों के साथ है । सुनिश्चित करें कि कंटीले ट्यूबिंग कनेक्शन और टोपियां दोनों प्रिंट मंच का सामना कर रहे व्यापक भागों है ।
      नोट: व्यक्तिगत स्लाइस "द्वीपों" की उपस्थिति के लिए जांच करने के लिए देखा जा सकता है, भाग के वर्गों कि पहले भाग के मुख्य शरीर से जुड़े बिना एक टुकड़ा में दिखाई देते हैं । समीक्षा समारोह का उपयोग बिना किसी मात्रा के स्लाइस की जांच करने के लिए किया जा सकता है, ऐसे क्षेत्र जहां असुरक्षित राल मुद्रण के दौरान भाग के अंदर फंस सकते हैं। दोनों "द्वीप" और अनइवेंट वॉल्यूम प्रिंट गुणवत्ता को कम करते हैं और प्रिंट विफलता का कारण बन सकते हैं।
    3. प्रत्येक स्लाइस को व्यक्तिगत रूप से देखना, भाग में किसी भी शेष "द्वीपों" के साथ-साथ महत्वपूर्ण ओवरहैंग वाले किसी भी क्षेत्र में समर्थन जोड़ें। सभी क्षेत्रों को सत्यापित करने के लिए प्रिंट के लिए स्लाइस का निर्यात और दृश्य ठीक से समर्थित हैं।
  4. निर्माता निर्देशों के अनुसार प्रायोगिक घटकों को प्रिंट करें और पूर्ण पोस्ट-प्रोसेसिंग करें।
    नोट: नीचे वर्णित सभी पोस्ट-प्रोसेसिंग कदम सामग्री की तालिका में सूचीबद्ध 3डी प्रिंटर के लिए विशिष्ट हैं। वैकल्पिक प्रिंटर या सामग्री का उपयोग करते समय, निर्माता निर्देशों को प्रतिबिंबित करने के लिए इन चरणों को समायोजित करें।
    1. नरम राल में मुद्रित भागों के लिए, निर्माता विनिर्देशों के अनुसार 8 घंटे के लिए एक संवहन ओवन में अतिरिक्त असुरक्षित राल और थर्मल इलाज को हटाने के लिए ≥99% शुद्धता आइसोप्रोपिल अल्कोहल (आईपीए) के साथ धोएं।
      नोट: नरम राल में मुद्रित भागों मुद्रण के तुरंत बाद बहुत नाजुक हो सकता है, इसलिए सफाई चरणों के दौरान विशेष ध्यान रखा जाना चाहिए। आईपीए के संपर्क में भाग गिरावट को रोकने के लिए सामग्री के विलायक जोखिम सीमा से नीचे रखा जाना चाहिए ।
    2. हार्ड राल में मुद्रित भागों के लिए, आईपीए के साथ धोने के लिए अतिरिक्त ठीक राल को दूर करने और एक यूवी ओवन में इलाज (5-10 mW/सेमी 2 पर ३६५ एनएम प्रकाश) प्रति पक्ष1मिनट के लिए ।
      नोट: 3 डी मुद्रित प्रतिकृति की सटीकता का मूल्यांकन करने के लिए, मूल 3डी प्रतिपादन और 3 डी मुद्रित प्रतिकृति के बीच तुलना करने के लिए मुद्रित भाग और सीटी स्कैन सॉफ्टवेयर की μCT स्कैनिंग का उपयोग करने की सिफारिश की जाती है।

2. प्रवाह दर नियंत्रण के लिए ट्यूबिंग प्रणाली की विधानसभा

  1. पेंच 1/4 "कंटीले ट्यूब फिटिंग 6 बंदरगाहों के साथ कई गुना में(चित्रा 2ए-6)और एक 3/8 "कंटीले ट्यूब फिटिंग शेष बंदरगाह में ।
  2. 1/4 "वांछित लंबाई के लिए टयूबिंग कट और पुश-टू-कनेक्ट वाल्व(चित्रा 2ए-5)के प्रत्येक छोर में डालें । 1/4 "कई गुना में डाला फिटिंग में से एक के लिए प्रत्येक वाल्व संलग्न करें ।
  3. प्रत्येक वाल्व के दूसरे छोर से एक प्रवाह मीटर(चित्रा 2ए-4)कनेक्ट करें।
  4. लकड़ी के बोर्ड के शीर्ष पर ट्यूबिंग प्रणाली की स्थिति ऐसी है कि कई गुना एकल 3/8 "फिटिंग बोर्ड के किनारे पिछले फैली हुई है । जगह में सुरक्षित करने के लिए, लकड़ी के बोर्ड के पक्ष में दो शिकंजा जोड़ें और तार का उपयोग कर शिकंजा करने के लिए कई गुना देते हैं।
  5. प्रत्येक वाल्व और प्रवाह मीटर के चारों ओर तैनात चार शिकंजा जोड़ें और उनमें से प्रत्येक को लकड़ी के बोर्ड(चित्रा 2E)में सुरक्षित करने के लिए तार का उपयोग करें।
  6. लगभग 6 "3/8 आईडी टयूबिंग के साथ, एक में लाइन 0.1 μm पोर आकार वैक्यूम ग्रेड फिल्टर करने के लिए कई गुना कनेक्ट। 3/8 "आईडी ट्यूबिंग के एक और 6" का उपयोग कर प्रवाह नियंत्रक के लिए फिल्टर के दूसरे छोर कनेक्ट
    नोट: ट्यूबिंग प्रणाली केवल एक बार इकट्ठा करने की जरूरत है ।

3. रोगी फेफड़ों के मॉडल के साथ पालि आउटलेट टोपियां की विधानसभा

नोट: प्रोटोकॉल के इस हिस्से को हर प्रायोगिक रन से पहले पूरा किया जाना चाहिए ।

  1. कैप बेस में खोलने के माध्यम से फैला हुआ नोजल के साथ टोपी में कंटीले ट्यूबिंग कनेक्शन डालें। सबसे पहले, टोपी में अंडाकार कंटीले टयूबिंग कनेक्शन बेस के एक छोर डालें। फिर, ध्यान से अंडाकार आधार के दूसरे छोर पर लचीला टोपी खिंचाव, विशेष ध्यान रखने के लिए पतली आधार दरार नहीं है ।
    नोट: नई मुद्रित टोपियां वांछित से कठोर हो सकता है और टोपी इंटीरियर के साथ दो उंगलियों को चलाने से बाहर बढ़ाया जा सकता है ।
  2. 10 माइक्रोन फिल्टर पेपर को इस तरह से काटें कि यह आउटलेट क्षेत्र से थोड़ा बड़ा हो। लोब आउटलेट पर फिल्टर पेपर मोड़ें और एक हाथ से जगह में पकड़ें।
  3. दूसरी ओर, चिमटी का उपयोग करने के लिए आउटलेट पर कंटीले ट्यूबिंग कनेक्शन के साथ टोपी खिंचाव । कैप को तब तक दबा दें जब तक कैप का पायदान लोब आउटलेट(चित्रा 2C)पर इसी पायदान के साथ मेल नहीं खाता।
    नोट: इस कदम में फिल्टर पेपर तेजस्वी परिणाम अमान्य कर सकते हैं, तो विशेष ध्यान अत्यधिक बल से बचने के लिए जब आउटलेट पर टोपी दबाने लिया जाना चाहिए ।
  4. शेष सभी पालि आउटलेट्स(चित्रा 2D) केलिए दोहराएं।

4. चिकित्सकीय प्रासंगिक वायु प्रवाह प्रोफ़ाइल का उत्पादन

नोट: प्रोटोकॉल के इस हिस्से को हर प्रायोगिक रन से पहले पूरा किया जाना चाहिए ।

  1. प्रत्येक फेफड़े मॉडल पालि आउटलेट को संबंधित प्रवाह मीटर और वाल्व की ट्यूबिंग से कनेक्ट करें, इस बात का ध्यान रखें कि कंटीले ट्यूबिंग कनेक्शन के लिए बहुत अधिक पार्श्व दबाव लागू न करें। फेफड़ों के मॉडल के लिए कुल हवा प्रवाह दर को मापने के लिए फेफड़ों के मॉडल मुंह इनलेट करने के लिए इलेक्ट्रॉनिक प्रवाह मीटर संलग्न करें।
  2. फ्लो कंट्रोलर(चित्रा 2ए-7)और वैक्यूम पंप(चित्रा 2ए-8)चालू करें। प्रवाह नियंत्रक पर"परीक्षण सेटअप"सेटिंग का चयन करें और धीरे-धीरे प्रवाह दर में वृद्धि करें जब तक कि इलेक्ट्रॉनिक प्रवाह मीटर वांछित कुल प्रवाह दर प्रदर्शित नहीं करता है।
  3. वाल्व(चित्रा 2ई-5)का उपयोग करना, पांच फेफड़ों के पालि में से प्रत्येक के माध्यम से प्रवाह दर को समायोजित करें: दाएं ऊपरी (आरयू), दाएं मध्य (आरएम), राइट लोअर (आरएल), लेफ्ट अपर (एलयू), और लेफ्ट लोअर (एलएल)। एक बार जब प्रवाह मीटर(चित्रा 2ई-4)पर दिखाए गए लोब प्रवाह दर वांछित मूल्य पर स्थिर हो जाते हैं, तो इलेक्ट्रॉनिक प्रवाह मीटर पर फिर से समग्र प्रवाह दर की जांच करें ताकि यह सत्यापित किया जा सके कि सिस्टम में कोई लीक नहीं है।
    1. यदि कुल प्रवाह दर में विसंगति है, तो प्रवाह नियंत्रक के साथ प्रवाह दर को कम करें, सभी वाल्वों को पूरी तरह से खुले विन्यास में सेट करें, और चरण 4.2 और 4.3 दोहराएं।
      नोट: यहां प्रस्तुत परिणाम सुल एट अल द्वारा सूचित डेटा के आधार पर वायु प्रवाह प्रोफाइल का उपयोग करके प्राप्त किए गए थे ।10 इन लोबार प्रवाह अंशों की गणना पूरी प्रेरणा और समाप्ति पर रोगी फेफड़ों की पतली-स्लाइस गणना टोमोग्राफी छवियों का उपयोग करके की गई थी, जो प्रत्येक फेफड़े के पालि की मात्रा में सापेक्ष परिवर्तनों की तुलना करते थे । परिणाम दो अलग प्रवाह की स्थिति के लिए प्रस्तुत कर रहे हैं, दोनों 1 एल/मिनट की एक समग्र इनलेट प्रवाह दर पर । स्वस्थ फेफड़ों के पालि आउटलेट प्रवाह प्रोफ़ाइल इनलेट प्रवाह के निम्नलिखित प्रतिशत द्वारा प्रत्येक आउटलेट को वितरित किया जाता है: एलएल-23.7%, एलयू-23.7%, आरएल-18.7%, आरएम-14.0%, आरयू-20.3%। सीओपीडी लोब आउटलेट फ्लो प्रोफाइल प्रत्येक आउटलेट के बीच इनलेट फ्लो के निम्नलिखित प्रतिशत द्वारा वितरित किया जाता है: एलएल-10.0%, एलयू-29.0%, आरएल-13.0%, आरएम-5.0%, आरयू-43.0%9,10।
  4. प्रवाह नियंत्रक के"परीक्षण सेटअप"समारोह से बाहर निकलें, लेकिन वैक्यूम पंप पर छोड़ दें।
    नोट: प्रवाह दरों को निर्धारित करने और जमाव प्रयोग करने के बीच में वैक्यूम पंप को बंद करना उत्पन्न प्रवाह प्रोफ़ाइल में अशुद्धियों का कारण बन सकता है। एयरोसोल जमा परीक्षण को पूरा करने के लिए वांछित प्रवाह दरों को पूरा करने के लिए निर्धारित किए जाने के बाद वैक्यूम पंप छोड़ने की सिफारिश की जाती है।

5. फेफड़ों के मॉडल के लिए एयरोसोल की डिलीवरी

नोट: प्रयोग एक धूम हुड में किया जाना चाहिए जिसमें सैश बंद हो जाता है ताकि नेबुलाइजर द्वारा उत्पन्न किसी भी एयरोसोल के संपर्क को कम किया जा सके।

  1. वांछित फ्लोरोसेंट कणों(चित्रा 2ए-1)के समाधान के साथ नेबुलाइजर भरें और फेफड़ों के मॉडल इनलेट(चित्रा 2B)से कनेक्ट करें।
    नोट: यहां प्रस्तुत परिणाम मेथनॉल में 1 माइक्रोन फ्लोरोसेंट पॉलीस्टीरिन कणों के 1:100 कमजोर पड़ने के 30 एमएल का उपयोग करके प्राप्त किए गए थे।
    1. प्रायोगिक सेटअप को मान्य करने के लिए, नेबुलाइजर को सीधे फेफड़ों के मॉडल इनलेट से बिना किसी लक्ष्यीकरण डिवाइस के कनेक्ट करें।
    2. एक लक्ष्यीकरण डिवाइस की प्रभावकारिता को मापने के लिए, नेबुलाइजर को डिवाइस से कनेक्ट करें और डिवाइस को फेफड़ों के मॉडल में डालें।
  2. कंप्रेस्ड एयर लाइन को नेबुलाइजर से कनेक्ट करें और जितना हो सके धूम हुड सैश को बंद कर दें।
  3. एक 10 एस परीक्षण के लिए चलाने के लिए प्रवाह नियंत्रक सेट करें। शुरू दबाने से पहले, नेबुलाइजर के भीतर एक एयरोसोल उत्पन्न करने के लिए संकुचित हवा वाल्व को थोड़ा खोलें।
  4. प्रवाह नियंत्रक पर प्रेस शुरू और तुरंत संकुचित हवा वाल्व पूरी तरह से खोलें। एक बार जब प्रवाह नियंत्रक लगभग 9 एस तक पहुंच जाता है, तो संकुचित हवा वाल्व को बंद करना शुरू कर दें।
  5. एक बार संकुचित हवा वाल्व पूरी तरह से बंद हो जाने के बाद, संकुचित वायु रेखा से नेबुलाइजर को डिस्कनेक्ट करें, धुएं हुड सैश को पूरी तरह से बंद करें, वैक्यूम पंप को बंद करें, और किसी भी एयरोसोल को धुएं हुड से लगभग 10 मिनट तक साफ करें।
    नोट: टयूबिंग सिस्टम के भीतर निर्माण से वैक्यूम को रोकने के लिए एक रन पूरा करने के बाद वैक्यूम पंप को बंद करना महत्वपूर्ण है।
  6. पर्याप्त समय की प्रतीक्षा करने के बाद, ट्यूबिंग सिस्टम से फेफड़ों के मॉडल को डिस्कनेक्ट करें, कंटीले ट्यूबिंग कनेक्शन को क्रैक न करने का विशेष ध्यान रखें।
  7. टोपी के किनारे के नीचे चिमटी की एक जोड़ी चलाकर लोब आउटलेट टोपियां निकालें और धीरे से इसे फेफड़ों के मॉडल से उठाने ।
  8. टोपी से फिल्टर पेपर निकालें और यह पक्ष है जिस पर कणों जमा नीचे थाली की अच्छी तरह से सामना करना पड़ रहा है के साथ एक 24 अच्छी तरह से थाली में जगह है । शेष दुकानों के लिए दोहराएं और प्रत्येक पालि के अनुरूप अच्छी तरह से लेबल करें।
    नोट: बाद के प्रयोगों को प्रभावित करने से किसी भी अवशिष्ट कण बयान को रोकने के लिए, यह दोनों फेफड़ों के मॉडल और आईपीए या रन के बीच में उपयुक्त विलायक के साथ टोपी घटकों कुल्ला करने के लिए महत्वपूर्ण है । इसे एकत्र किया जा सकता है और वांछित विश्लेषण में शामिल किया जा सकता है। इसके अतिरिक्त, यह सुनिश्चित करने के लिए एक लॉग रखा जाता है कि उपयोग की जाने वाली सभी प्रतिकृतियों को भाग अखंडता बनाए रखने के लिए आईपीए के संपर्क में न्यूनतम रूप से उजागर किया गया है, और उपयोग से पहले दृश्य भाग निरीक्षण की सिफारिश की जाती है।

6. आउटलेट फिल्टर पेपर इमेजिंग

  1. अच्छी तरह से प्लेट को डिजिटल फ्लोरेसेंस माइक्रोस्कोप में रखें और माइक्रोस्कोप को 4x आवर्धन और उपयुक्त फ्लोरेसेंस चैनल पर सेट करें।
  2. नेत्रहीन पहचान जो पालि फिल्टर कागज कण जमाव की सबसे अधिक राशि है और"ऑटो बेनकाब"समारोह का उपयोग करें । परिणामस्वरूप एक्सपोजर और एकीकरण समय मूल्यों पर ध्यान दें।
  3. रन के लिए सभी फ़िल्टर के लिए इस जोखिम को लागू करें और आकलन करें कि सेटिंग फ़िल्टर के सभी उच्च जमाव क्षेत्रों के लिए एक संतोषजनक छवि पैदा करती है या नहीं।
    नोट: फ़िल्टर से फ़िल्टर में फ़फ़ू की सेटिंग बदली जा सकती है; हालांकि, किसी दिए गए रन के लिए सभी फ़िल्टर का विश्लेषण एक ही एक्सपोजर सेटिंग्स पर किया जाना चाहिए। एक समय में ध्यान का एक फ्रेम होना ही संभव है, इसलिए फिल्टर पेपर में झुकता या आंसू ध्यान में रहने से देखने में सभी जमा कणों को रोक सकते हैं। यह सुनिश्चित करके बचा जा सकता है कि फिल्टर पेपर अच्छी प्लेट के नीचे के खिलाफ सपाट है।
  4. यादृच्छिक स्थानों पर प्रत्येक पालि के फ़िल्टर पेपर की कम से कम तीन छवियां लें और फाइलों के रूप .tiff सहेजें।

7. कण जमाव का मात्राकरण

  1. इमेजजे सत्र में दिए गए रन के लिए सभी फ़िल्टर पेपर चित्रों का आयात करें।
  2. इमेज | का चयन करके प्रत्येक छवि के प्रकार को 8-बिट में बदलें | टाइप करें 8-बिट।
  3. उच्चतम फ्लोरेसेंस के साथ तस्वीर खोलें और इमेज | का चयन करें | समायोजित करें थ्रेसहोल्ड विंडो खोलने के लिए थ्रेसहोल्ड. फ़िल्टर पेपर से पृष्ठभूमि संकेत को कम करने और कणों के किनारों को स्पष्ट रूप से परिभाषित करने के लिए दहलीज मानों को समायोजित करें। अच्छी गुणवत्ता और खराब गुणवत्ता की दहलीज के चित्रण के लिए चित्र 3 देखें।
    नोट: जमाव के उच्च स्तर के साथ फिल्टर के लिए, फ्लोरेसेंस का एक "कोरोना", फिल्टर पेपर फाइबर द्वारा प्रकाश के विवर्तन के कारण, कणों के बड़े समूहों के आसपास देखा जा सकता है। इन छवियों को थ्रेसहोल्ड करते समय, एक सीमा जो बहुत बड़ी है, इन समूहों के चारों ओर छोटे डॉट्स या "पंख की तरह" आकार प्रदर्शित करती है, जैसा कि चित्र 3में "गरीब" दहलीज छवियों में देखा गया है। यह धीरे-धीरे सीमा की निचली सीमा को बढ़ाकर सुधारा जा सकता है जब तक कि फिल्टर पेपर फाइबर से सिग्नल को कणों से सिग्नल को अस्पष्ट किए बिना कम नहीं किया जाता है।
  4. अन्य सभी छवियों के लिए उच्चतम फ्लोरेसेंस छवि के लिए दहलीज सेटिंग्स का प्रचार करें।
  5. विश्लेषण | का चयन करके कणों की संख्या और कुल फ्लोरोसेंट क्षेत्र की मात्रा निर्धारित करें कणों का विश्लेषण करें।
    नोट: डेटा सेट सिडक के कई तुलना परीक्षण और एक दो तरह से ANOVA का उपयोग कर तुलना कर रहे हैं । इसके अतिरिक्त, ब्याज की सिर्फ पालि में बयान एक छात्र टी परीक्षण समान विचरण संभालने का उपयोग कर तुलना की है ।

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Representative Results

इस आकार सीमा (1-5 μm) और प्रवाह की स्थिति (1-10 एल/मिनट) में कण अपने सैद्धांतिक स्टोक्स संख्या और वीवो डेटा दोनों के आधार पर द्रव धारा लाइनों का पालन करें; इसलिए, एक लक्षित वितरण उपकरण के अभाव में, फेफड़ों के मॉडल में जारी कणों को प्रत्येक पालि में डायवर्ट किए गए कुल एयरफ्लो के प्रतिशत के अनुसार जमा होने की उम्मीद है। प्रत्येक पालि के लिए कण वितरण की सापेक्ष मात्रा तो रोगी विशिष्ट उच्च संकल्प गणना टोमोग्राफी (HRCT) स्कैन10का विश्लेषण के माध्यम से प्राप्त नैदानिक पालि प्रवाह दर डेटा की तुलना में किया जा सकता है । एक मान्य प्रायोगिक सेट-अप एक गैर-लक्षित कण जमाव प्रोफ़ाइल उत्पील्य करेगा जिसमें नैदानिक वायु प्रवाह प्रोफ़ाइल से कोई सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण अंतर नहीं है। सत्यापन डेटा दो अलग प्रवाह की स्थिति के लिए प्रस्तुत किया जाता है: 1 एल/एक स्वस्थ फेफड़ों में मिनट(चित्रा 4A)और सीओपीडी(चित्रा 4B)से प्रभावित फेफड़ों में 1 एल/मिन । इन दोनों स्थितियों के तहत, प्रायोगिक रूप से निर्धारित बयान प्रोफ़ाइल नैदानिक डेटा से सांख्यिकीय रूप से अलग नहीं था, यह प्रदर्शित करता है कि सेट-अप फेफड़ों के प्रत्येक पालि के लिए हवा के प्रवाह के वितरण की सटीक नकल करता है। इन बेसलाइन जमाव प्रोफाइल नियंत्रण के रूप में कार्य किया है जिसके खिलाफ लक्षित कण जमाव प्रोफाइल की तुलना में कर रहे हैं ।

क्षेत्रीय फेफड़े के बयान में परिवर्तन की मात्रा निर्धारित करने के लिए इस प्रोटोकॉल की क्षमता को समझाने के लिए, डेटा दो अलग लक्ष्यीकरण उपकरणों के परीक्षण के लिए शामिल थे: एक संशोधित एंडोट्रेशियल (ईटी) ट्यूब(चित्रा 5B)और एक गाढ़ा सिलेंडर डिवाइस(चित्रा 5E)। इन दोनों उपकरणों में लक्षित कण रिलीज के लिए ट्यूनेबल स्थान के साथ 2 मिमी आईडी आउटलेट शामिल था। संशोधित ईटी ट्यूब का मूल्यांकन बाएं निचले (एलएल) लोब और राइट लोअर (आरएल) लोब दोनों के कण जमाव को लक्षित करने की क्षमता के लिए intubated फेफड़ों के मॉडल के साथ किया गया था । गैर लक्षित कण जमाव प्रोफ़ाइल की तुलना में, इस डिवाइस ने बाएं फेफड़े (टी-टेस्ट पी = 0.001, एन = 3) में 96% से अधिक वितरित कणों को हटाने के अलावा एलएल लोब डिलीवरी (टी-टेस्ट पी = 0.0001, एन = 3)(चित्रा 5A)में लगभग चार गुना वृद्धि उत्पन्न की। आरएल लोब को लक्षित करने के लिए रिलीज स्थान सेटिंग में फेरबदल करते हुए, इस डिवाइस ने आरएल लोब (टी-टेस्ट पी = 0.02, एन = 3) में डबल्स कण वितरण से अधिक उत्पन्न किया और 94% वितरित कणों को सही फेफड़े (टी-टेस्ट पी = 0.0005, एन = 3)(चित्रा 5C)में डायवर्ट किया। यह इंगित करता है कि डिवाइस इच्छित जमाव प्रोफ़ाइल मॉड्यूलेशन का उत्पादन करने में अत्यधिक सफल है। गाढ़ा सिलेंडर डिवाइस वाम ऊपरी (एलयू) पालि के एक इच्छित लक्ष्य के साथ पूर्ण फेफड़ों के मॉडल में परीक्षण किया गया था । गैर लक्षित कण जमा प्रोफ़ाइल की तुलना में, इस डिवाइस लू लोब वितरण में लगभग तीन गुना वृद्धि हुई (टी परीक्षण पी = 0.0003, n= 3) बाएं फेफड़े के लिए दिया कणों के ८७% से अधिक हटाने के अलावा (टी परीक्षण पी = 0.002, n = 3)(चित्रा 5D)। लक्ष्य लोब फ़िल्टर की छवियों की तुलना अन्य आउटलेट फ़िल्टर से करके भी दक्षता को गुणात्मक रूप से देखा जा सकता है। जैसा कि चित्र 3में दर्शाया गया है, सबसे प्रभावी लक्ष्यीकरण विधि शेष पालि दुकानों पर ब्याज के इच्छित पालि और कम जमाव पर उच्च कण जमाव निकलेगी। इस प्रोटोकॉल की क्षमताओं के आगे प्रदर्शनों के लिए, कृपया कोलेवे एट अल9द्वारा किए गए प्रयोगों को देखें।

Figure 1
चित्रा 1: 3डी मुद्रित प्रयोगात्मक घटक। (A)मरीज सीटी स्कैन और मेश एडिटिंग सॉफ्टवेयर का इस्तेमाल करते हुए 3डी पार्ट फाइल में बदला जाता है । (ख)लंग मॉडल के साथ लोब आउटलेट में जाल संपादन और 3डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर में किए गए संशोधन। (ग)3डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर में इनलेट संशोधित के साथ फेफड़े मॉडल एक intubated रोगी को प्रतिबिंबित करने के लिए । (घ)बार्बेड ट्यूबिंग कनेक्शन और(ई)कैप 3डी मॉडलिंग सॉफ्टवेयर में डिजाइन किया गया है । (एफ)कैप और कंटीले ट्यूबिंग कनेक्शन के साथ फेफड़ों के मॉडल आउटलेट्स की इंटरलॉकिंग प्रकृति को दर्शाते हुए 3डी मॉडल का क्रॉस-सेक्शन । (जी) फेफड़ों के मॉडल आउटलेट कैप असेंबली का विस्फोट दृश्य । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 2
चित्रा 2: प्रायोगिक सेटअप की विधानसभा। (A)(1) नेबुलाइजर, (2) फेफड़ों के मॉडल, (3) आउटलेट कैप्स, (4) फ्लो मीटर, (5) वाल्व, (6) कई गुना, (7) प्रवाह नियंत्रक और (8) एक वैक्यूम पंप सहित प्रयोगात्मक सेटअप की योजनाबद्ध । (ख)पूरी तरह से इकट्ठे सेटअप । (ग)असेंबल कैप के साथ लोब आउटलेट का क्लोज-अप । (घ)सभी टोपियां के साथ फेफड़ों मॉडल जोड़ा । (ई)लोब आउटलेट प्रवाह दरों की स्थापना के लिए टयूबिंग नेटवर्क के बंद । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 3
चित्रा 3: फ़िल्टर पेपर इमेज प्रोसेसिंग। प्रस्तुत कच्चे चित्रों को एक प्रयोग के दौरान एकत्र करने के लिए एक स्वस्थ श्वास प्रोफ़ाइल के तहत 1 L/min पर 1 μm फ्लोरोसेंट पॉलीस्टीरिन कणों का उपयोग कर बाएं फेफड़ों को लक्षित किया गया । "उच्च" और "कम" बयान छवियों क्रमशः एलएल और आरयू लोब फिल्टर, चित्रण । "अच्छा" दहलीज, ४३ से २५५ की सीमा के साथ लागू, व्यक्तिगत कणों के बीच परिभाषित किनारों को बनाए रखता है और फिल्टर कागज फाइबर का पता लगाने से बचा जाता है । "गरीब" दहलीज, 17 से २५५ की सीमा के साथ लागू, व्यक्तिगत कण सीमाओं अस्पष्ट और फिल्टर के फ्लोरोसेंट क्षेत्र overestimates । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 4
चित्रा 4: प्रायोगिक सेटअप सत्यापन। (A)स्वस्थ रोगियों के लिए सत्यापन परिणाम और(ख)1 एल/मिनट पर एक सीओपीडी रोगी । प्रस्तुत किए गए सभी डेटा का मतलब है ± एसडी को तीन प्रतिकृति के साथ (नैदानिक सीओपीडी डेटा को छोड़कर, जहां केवल एक रोगी की सूचना दी गई थी)। स्वस्थ और सीओपीडी रोगियों के लिए नैदानिक संदर्भ डेटा सुल, एट अल10से प्राप्त किए गए थे। डेटा सेट की तुलना सिडक के मल्टीपल तुलना परीक्षण का उपयोग करके की गई थी, और सभी अंतर महत्वपूर्ण नहीं हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

Figure 5
चित्र 5: प्रयोगों को टार्गेट करने के लिए उदाहरण डेटा. (A)लेफ्ट लोअर लोब और(सी)राइट लोअर लोब लक्ष्यीकरण(बी)एक संशोधित ईटी ट्यूब डिलिवरी सिस्टम का उपयोग करके हासिल किया गया । (घ)लेफ्ट अपर लोब लक्ष्यीकरण(ई)एक गाढ़ा ट्यूब डिलीवरी सिस्टम का उपयोग करके हासिल किया गया । सभी तीन डेटा सेट के लिए, आंतरिक अंगूठी सेटअप सत्यापन के दौरान प्राप्त गैर-लक्षित बयान प्रोफ़ाइल का प्रतिनिधित्व करता है, और बाहरी अंगूठी इंगित लक्ष्यीकरण डिवाइस के अलावा उत्पादित जमाव प्रोफ़ाइल का प्रतिनिधित्व करता है। प्रत्येक सेटअप के लिए तीन प्रतिकृति के साधन दिखाए जाते हैं। डेटा सेट सिडक के कई तुलना परीक्षण और एक छात्र टी परीक्षण समान विचरण संभालने का उपयोग कर तुलना की गई । सभी तीन सेटअप ब्याज की पालि के लिए वितरण में एक महत्वपूर्ण वृद्धि का उत्पादन: एलएल लोब (टी परीक्षण पी = 0.004, एन = 3), आरएल लोब (टी टेस्ट पी = 0.02, एन = 3), और लू लोब (टी टेस्ट पी = 0.0003, n = 3) । कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें ।

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Discussion

एक पूर्ण साँस लेना खुराक के फेफड़े की दवा परीक्षण के लिए वर्तमान अत्याधुनिक उपकरण अगले जेनरेटर इम्पैक्टर (एनजीआई) है, जो एयरोसोल4के एयरोडायनामिक व्यास को मापता है। इस आकार के आंकड़ों का उपयोग फेफड़ों के उत्पादन की भविष्यवाणी करने के लिए किया जाता है जिस पर एयरोसोल एक स्वस्थ वयस्क पुरुष11के लिए विकसित सहसंबंध के आधार पर जमा होगा । दुर्भाग्य से, यह विधि क्षेत्रीय फेफड़ों के बयान में अंतर का आकलन करने, दवा वितरण पर रोग की स्थिति के प्रभावों को निर्धारित करने और विभिन्न आयु समूहों, दौड़और लिंग12, 13,14के लिए जमाव प्रोफाइल की भविष्यवाणी करने की क्षमता में सीमित है। यहां उल्लिखित प्रोटोकॉल में शोधकर्ताओं को लोब स्तर पर सापेक्ष जमाव की मात्रा निर्धारित करने की क्षमता के साथ ट्यूनेबल, शारीरिक रूप से सटीक फेफड़ों के मॉडल उत्पन्न करने की अनुमति देकर इन परीक्षण आवश्यकताओं को पूरा करने की क्षमता है, जो पहले कम्प्यूटेशनलमॉडल3,5, 15में प्रदर्शित तरल प्रवाह व्यवहार के आधार पर है। इस विधि का उपयोग करना, दवा की खुराक और वितरण बेहतर नैदानिक परीक्षणों में प्रवेश करने से पहले बाल चिकित्सा और रोगग्रस्त फेफड़ों ज्यामिति के लिए मूल्यांकन किया जा सकता है ।

जैसा कि आंकड़े 4 और चित्रा 5में दिखाया गया है, लोब-स्तर के बयान को लक्षित और गैर-लक्षित साँस लेने एयरोसोल दोनों के लिए सटीक और तेजी से मापा जा सकता है। एक लक्ष्यीकरण डिवाइस के अभाव में, इस आकार की सीमा (1-5 माइक्रोन) और प्रवाह की स्थिति (1-10 एल/मिनट) में कण द्रव सुव्यवस्थित और कुल एयरफ्लो प्रोफाइल को प्रत्येक लोब(चित्रा 4)में डायवर्ट करते हैं। विशेष रूप से, विभिन्न इनहेलर उपकरणों और ईटी ट्यूब अटैचमेंट को नियंत्रित पालि स्थानों पर साँस लेने वाली दवाओं को केंद्रित करने के लिए विकसित किया जा सकता है। जैसा कि हमारे हालिया काम और दूसरों के बारे में वर्णित है, इनहेलर डिवाइस, फ्लो प्रोफाइल और एयरवे ज्यामिति की कई विशेषताएं लक्षित जमाव व्यवहार2,3,9,16में योगदान देते हैं। सामान्य तौर पर, हमारे अद्वितीय इन विट्रो मॉडल द्वारा प्रदर्शित कुशल क्षेत्रीय लक्ष्यीकरण के लिए विशेष रूप से श्वासनली के भीतर पाए जाने वाले वायुमार्ग अशांति से बचने के लिए एक संकीर्ण एयरोसोल आकार वितरण और कम साँस लेने के प्रवाह दरों की आवश्यकता होती है। हमारे इन विट्रो मॉडल के भीतर पूर्ण ऊपरी वायुमार्ग को शामिल करना इन एयरफ्लो पैटर्न के सटीक मनोरंजन के लिए अनुमति देता है जो डाउनस्ट्रीम पालि-स्तर वितरण 9 को प्रभावित करने के लिए जानेजातेहैं। इन जटिल प्रवाहों के कारण, हाल के काम ने ग्लॉटिस9के नीचे से लक्ष्यीकरण में वृद्धि का प्रदर्शन किया है। चित्रा 5 में हमारे परिणाम विशेष रूप से ग्लॉटिस के नीचे रिलीज से क्षेत्रीय रूप से लक्षित व्यक्तिगत पालि के लिए एक ईटी ट्यूब एडाप्टर का उपयोग करने के लाभ को उजागर करते हैं, कुशल पालि-विशिष्ट लक्ष्यीकरण के साथ कुल खुराक के 62-74% के बीच की क्षमता पर दोनों दाएं और बाएं फेफड़ों के लोब्स के लिए दिखाया गया है। यह पहले से रिपोर्ट की गई माउथ-रिलीज क्षेत्रीय लक्ष्यीकरण क्षमताओं पर वृद्धि का प्रतिनिधित्व करता है और इस दृष्टिकोण9के नैदानिक कार्यान्वयन के लिए एक महत्वपूर्ण अवसर है। महत्वपूर्ण बात, प्रोटोकॉल यहां प्रदर्शित संभावित क्षेत्रीय लक्ष्यीकरण उपकरणों की एक विस्तृत श्रृंखला से एक पूर्ण दवा खुराक के प्रयोगात्मक पालि वितरण माप के लिए अनुमति देता है ।

केवल एक सीटी स्कैन के साथ, एक रोगी विशिष्ट फेफड़ों के मॉडल को संभावित चिकित्सीय वितरण विधि का परीक्षण करने के लिए जल्दी से 3 डी मुद्रित किया जा सकता है। यह प्रोटोकॉल न केवल नए इनहेलर उपकरणों के डिजाइन का समर्थन करने के लिए एक प्रयोगात्मक प्रयोगशाला-पैमाने पर दृष्टिकोण प्रदान करेगा, बल्कि नैदानिक अभ्यास में ऑन-डिमांड व्यक्तिगत साँस लेने वाले उपकरणों के लिए अवसर भी पैदा करेगा। इस प्रोटोकॉल में उपयोग किए जाने वाले कठिन राल की लागत ~ $ 0.12/ इसलिए, मौजूदा 3 डी प्रिंटिंग बुनियादी ढांचे वाले अस्पताल सामग्री17 में $ 15 के लिए फेफड़ों के मॉडल को प्रिंट कर सकते हैं और एक दिन के तहत एक व्यक्तिगत वायुमार्ग को इकट्ठा कर सकते हैं। विशेष रूप से, एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग में प्रिंटिंग टाइम और मैटेरियल कॉस्ट में तेजी से कमी जारी है, जिससे इस अप्रोच की ओवरऑल व्यवहार्यता बढ़ रही है । हमारे प्रयोगात्मक सेट-अप को आसानी से एक अलग फेफड़ों के मॉडल या वायु प्रवाह वितरण सेटिंग का उपयोग करके कई एयरफ्लो स्थितियों को प्रतिबिंबित करने के लिए संशोधित किया जा सकता है, जो चित्र 4में दिखाए गए प्रयोगात्मक सत्यापन के बाद है। उम्र, नस्ल और सेक्स जैसी विशेषताओं के कारण फेफड़ों के प्रवाह प्रोफाइल और ज्यामिति में अंतर साहित्य में अच्छी तरह से प्रलेखित हैं और हमारे मॉडलिंगदृष्टिकोण18, 19,20में आसानी से शामिल किए जा सकते हैं। विशेष रूप से, फेफड़ों के मॉडल के गला, फरीनेक्स और ट्रेकिया में ज्यामितीय विविधताओं का एयरफ्लो और बाद में क्षेत्रीय जमाव पैटर्न15, 21,22पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ सकता है, जिसे यह प्रोटोकॉल पता लगाने के लिए अच्छीतरहसे सुसज्जित है। इस प्रकार, इस व्यक्तिगत मॉडलिंग दृष्टिकोण के समावेश से अनुकूलित साँस लेना चिकित्सा के विकास पर महत्वपूर्ण प्रभाव पड़ने की उम्मीद है।

यहां, लोब प्रवाह दरों को कम लोबियों(चित्रा 4 बी)में कम हवा के प्रवाह की विशेषता वाले सीओपीडी रोग राज्य के उन लोगों को प्रतिबिंबित करने के लिए बदल दिया गया था, लेकिन सीओपीडी रोगी-व्युत्पन्न सीटी स्कैन का उपयोग रोगग्रस्त फेफड़ों की वास्तुकला और संभावित अवरोधों की अधिक सटीक नकल करने के लिए भी किया जा सकता है23। रोगी फेफड़ों के मॉडल और प्रवाह प्रोफाइल की एक पुस्तकालय के साथ, प्रसव दक्षता पर रोग प्रगति के प्रभाव की जांच की जा सकती है। राष्ट्रीय स्वास्थ्य संस्थान (एनआईएच) और कैंसर इमेजिंग आर्काइव (टीसीआईए)24जैसे संगठनों से उपलब्ध ओपन सोर्स स्कैन की एक विस्तृत श्रृंखला है। हालांकि इन मॉडलों को वर्तमान में केवल दूसरी या तीसरी पीढ़ी तक रोगी ज्यामिति को दोहराने के लिए पर्याप्त रूप से पालि स्तर के वितरण को मापने के लिए कर सकते हैं, काम संशोधनों कि अधिक विस्तृत विश्लेषण के लिए कम एयरवेज को शामिल कर सकते है विकसित करने के लिए चल रही है । इस प्रोटोकॉल में चिकित्सकीय रूप से प्रासंगिक दवा वितरण उपकरणों जैसे ईटी ट्यूब को भी शामिल किया जा सकता है जैसा कि चित्र 5बीमें दर्शाया गया है । शोधकर्ताओं ने कई वितरण उपकरणों का मूल्यांकन करने के लिए विशेषताओं है कि वृद्धि या उपचार दक्षता में कमी हो सकती है प्रकट कर सकते हैं । उदाहरण के लिए, पूर्ण फेफड़ों के मॉडल में प्रयास किए जाने पर प्रभावशीलता को लक्षित करना कम हो जाता है, जैसा कि intubated फेफड़ों के मॉडल(चित्रा 5)के विपरीत है। यह अंतर इंगित करता है कि ग्लोटल क्षेत्र को दरकिनार करने से अशांत मिश्रण के क्षेत्रों से बचा जाता है जो लक्ष्यीकरण क्षमता को कम करते हैं।

यह प्रोटोकॉल जैविक वायु-तरल इंटरफेस की सटीक नकल करने में असमर्थता से सीमित है। नतीजतन, एयरोसोल जो आम तौर पर जड़त्वीय प्रभाव से जमा होते हैं, इसके बजाय फेफड़ों के मॉडल25की कठोर दीवारों को उछाल सकते हैं। इसे सुधारने के लिए, भविष्य के दिशाओं में फेफड़ों के एपिथेलियम की म्यूकोसल परत की नकल करने के लिए सतह संशोधनों और कोटिंग्स की खोज शामिल है। एक एनजीआई में कणों की उछाल की रोकथाम के लिए सिलिकॉन तेल और ग्लिसरीन जैसे कोटिंग्स की जांच की गई है और इसे आसानी से 3 डी मुद्रित फेफड़ों के मॉडल26पर शामिल किया जा सकता है। 3डी प्रिंटेड मॉडलों पर बायोप्रिंटिंग और cultिंग कोशिकाओं जैसी अन्य तकनीकों की जांच की जा रही है ताकि प्रोटोकॉल27में सेलुलर प्रतिक्रिया को शामिल करने की क्षमता हो । इसके अतिरिक्त, यह प्रोटोकॉल 1-15 एल/मिनट की प्रवाह दरों के लिए अनुकूलित उपकरणों का उपयोग करता है; भविष्य में, 30-60 एल/मिनट की उच्च प्रवाह दर, पीक प्रेरणादायक प्रवाह दरों की सामान्य रेंज, वांछित प्रवाह दर सीमा28, 29के लिए उपयुक्त लोगों के लिए नियंत्रण वाल्व और प्रवाह मीटर को स्विच करके इस्तेमाल किया जा सकता है । प्रवाह नियंत्रक मॉडल का उपयोग किया के साथ, प्रणाली केवल एक पूर्ण चक्रीय श्वास चक्र के बजाय प्रेरणा मॉडलिंग करने में सक्षम है । वेंटिलेटर या अधिक जटिल प्रवाह प्रणाली के उपयोग के माध्यम से क्षणिक श्वास पैटर्न के समावेश से कण जमाव दक्षता30के संबंध में प्रयोगात्मक परिणामों की सटीकता में सुधार होगा । अंत में, जमाव प्रयोग केवल 1-5 माइक्रोन से आकार में मोनोडिस्पर्स फ्लोरोसेंट पॉलीस्टीरिन क्षेत्रों के साथ किए गए हैं। बयान क्वांटिफिकेशन एयरोसोल फ्लोरेसेंस पर निर्भर करता है, इसलिए गैर-फ्लोरोसेंट एयरोसोल के साथ इस प्रोटोकॉल के उपयोग के लिए विश्लेषण31के लिए फ्लोरोसेन आइसोथियोसायनेट (फिटसी) जैसे फ्लोरोसेंट लेबल के समावेश की आवश्यकता हो सकती है। हालांकि, एयरोसोल संरचना के आधार पर फिल्टर का विश्लेषण करने के लिए अतिरिक्त विश्लेषणात्मक तकनीकों को लागू किया जा सकता है, जैसे कि उच्च प्रदर्शन तरल क्रोमेटोग्राफी (एचपीएलसी) और या मास स्पेक्ट्रोमेट्री।

हमारा प्रोटोकॉल रोगी-विशिष्ट फेफड़ों की ज्यामिति में लोब्युलर पल्मोनरी जमाव की मात्रा निर्धारित करने की क्षमता के साथ पहली इन विट्रो प्रयोगात्मक सेटअप को दर्शाता है। नियंत्रित पालि स्तर के वितरण को प्राप्त करने से साँस लेने वाले चिकित्सीय चिकित्सीय की चिकित्सीय प्रभावकारिता में वृद्धि होने की उम्मीद है, जो केवल इन विट्रो संपूर्ण खुराक मापन में प्रगति के माध्यम से प्राप्त किया जाएगा । व्यक्तिगत चिकित्सा में बढ़ती रुचि के साथ, इस प्रोटोकॉल में संभावित उपचार प्रभावकारिता की अधिक सटीक भविष्यवाणियों के लिए अनुमति देकर नए लक्षित फेफड़ों के उपचारों के विकास को प्रेरित करने की क्षमता है।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखक प्रोफेसर यू फेंग, डॉ जेना ब्रिडेल, इयान वुडवर्ड और लुकास अटिया को उनकी उपयोगी चर्चाओं के लिए धन्यवाद देते हैं ।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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बायोइंजीनियरिंग अंक 165 दवा वितरण व्यक्तिगत चिकित्सा 3 डी प्रिंटिंग फेफड़े का बयान शारीरिक मॉडल इन विट्रो मॉडल लोब-विशिष्ट
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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).

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