Avaliação do depoimento pulmonar regional usando modelos pulmonares impressos 3D específicos do paciente
Summary
Apresentamos um método in vitro de alta produtividade para quantificar a deposição pulmonar regional no nível do lóbulo usando modelos pulmonares impressos em 3D derivados da tomografia computadorizada com perfis de fluxo de ar tunable.
Abstract
O desenvolvimento de terapias-alvo para doenças pulmonares é limitado pela disponibilidade de métodos de teste pré-clínicos com a capacidade de prever a entrega de aerossol regional. Aproveitando a impressão 3D para gerar modelos pulmonares específicos do paciente, descrevemos o design de uma configuração experimental in vitro de alta produtividade para quantificar a deposição pulmonar lobular. Este sistema é feito com uma combinação de componentes comercialmente disponíveis e impressos em 3D e permite que a taxa de fluxo através de cada lobo do pulmão seja controlada independentemente. A entrega de aerossóis fluorescentes em cada lobo é medida por meio de microscopia de fluorescência. Este protocolo tem o potencial de promover o crescimento da medicina personalizada para doenças respiratórias através de sua capacidade de modelar uma ampla gama de estados demográficos e doenças dos pacientes. Tanto a geometria do modelo pulmonar impresso em 3D quanto a configuração do perfil de fluxo de ar podem ser facilmente moduladas para refletir dados clínicos para pacientes com idade, raça e gênero variados. Dispositivos de entrega de medicamentos clinicamente relevantes, como o tubo endotraqueal mostrado aqui, podem ser incorporados à configuração de testes para prever com mais precisão a capacidade de um dispositivo de direcionar o parto terapêutico para uma região doente do pulmão. A versatilidade desta configuração experimental permite que ela seja personalizada para refletir uma infinidade de condições de inalação, aumentando o rigor dos testes terapêuticos pré-clínicos.
Introduction
Muitas doenças pulmonares, como câncer de pulmão e doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) apresentam diferenças regionais nas características da doença; no entanto, faltam técnicas terapêuticas disponíveis para direcionar o fornecimento de medicamentos apenas para regiões doentes do pulmão1. Múltiplos modelos de dinâmica de fluidos computacionais (CFD) demonstraram que é possível modular perfis de deposição de medicamentos identificando aerodinâmicas específicas no pulmão2,3. O desenvolvimento de inaladores e adaptadores de tubos endotraqueais (ET) com capacidades regionais de segmentação estão em andamento em nosso laboratório para controlar a distribuição de aerossol para regiões pulmonares doentes. A extensão desses princípios ao uso clínico é limitada pela capacidade atual de teste pré-clínico. A localização precisa que uma droga deposita dentro do pulmão é conhecida por ser o melhor preditor de eficácia; no entanto, as avaliações farmacêuticas atuais de terapêutica inalável são mais frequentemente previstas usando correlações in vitro-in vivo do tamanho das partículas para deposição meramente aproximada4. Esta técnica não permite que qualquer análise espacial determine os efeitos de diferentes geometrias das vias aéreas na distribuição regional através dos vários lóbulos do pulmão. Além disso, este teste carece de geometrias pulmonares anatomicamente precisas, que os pesquisadores mostraram que podem ter um impacto significativo nos perfis de depoimento5. Alguns esforços foram feitos para incorporar geometrias pulmonares específicas do paciente em protocolos de teste através da adição das vias aéreas superiores; no entanto, a maioria dessas abordagens amostra a entrega de aerossol para várias gerações do pulmão em vez de cada lobo pulmonar6,7,8. O protocolo a seguir apresenta um método de alta produtividade de geração de modelos pulmonares específicos do paciente com a capacidade de quantificar a deposição relativa de partículas em cada um dos cinco lóbulos do pulmão9.
Os pulmões modelo anatomicamente precisos são gerados por tomografia computadorizada (TC) computada pelo paciente de impressão 3D. Quando usado em conjunto com um sistema de fluxo facilmente montado, as taxas de fluxo relativo através de cada um dos lóbulos do pulmão modelo podem ser controladas independentemente e adaptadas para imitar as de diferentes estados demográficos e/ou doenças do paciente. Com este método, os pesquisadores podem testar a eficácia de métodos terapêuticos potenciais em uma geometria pulmonar relevante e correlacionar o desempenho de cada método com a progressão da morfologia doente. Aqui, dois projetos de dispositivos desenvolvidos em nosso laboratório são testados para sua capacidade de aumentar a deposição em um lobo pulmonar desejado, controlando a localização da liberação de aerossol na boca ou traqueia. Este protocolo também tem o potencial de impactar significativamente o desenvolvimento de procedimentos personalizados para os pacientes, facilitando a rápida previsão da eficácia do tratamento em um modelo pulmonar específico aos dados de tomografia computadorizada daquele paciente.
Protocol
Representative Results
Discussion
O dispositivo de última geração atual para testes farmacêuticos pulmonares de uma dose completa de inalação é o Next Generator Impactor (NGI), que mede o diâmetro aerodinâmico de um aerossol4. Esses dados de dimensionamento são então usados para prever a geração pulmonar na qual o aerossol será depositado com base em uma correlação desenvolvida para um homem adulto saudável11. Infelizmente, este método é limitado em sua capacidade de avaliar diferenças n…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Os autores agradecem ao Professor Yu Feng, Dr. Jenna Briddell, Ian Woodward e Lucas Attia por suas discussões úteis.
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 |
Referências
- 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. Bioengenharia. 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).
