患者固有の3Dプリント肺モデルを用いた局所肺堆積の評価
Summary
我々は、CTスキャン由来の3Dプリントされた肺モデルを調整可能な空気流れプロファイルを用いて、ローブレベルで局所肺堆積を定量化するための高スループットのin vitro方法を提示する。
Abstract
肺疾患に対する標的療法の開発は、局所エアロゾルの送達を予測する能力を有する前臨床試験方法の利用可能性によって制限される。3Dプリンティングを活用して患者固有の肺モデルを生成し、小葉肺沈着を定量化するための高スループットのインビトロ実験セットアップの設計を概説する。このシステムは、市販のコンポーネントと3Dプリントされたコンポーネントの組み合わせで作られており、肺の各ローブを通る流量を独立して制御することができます。蛍光エアロゾルを各ローブに送達し、蛍光顕微鏡を用いて測定する。このプロトコルは、患者の人口統計および疾患状態の広い範囲をモデル化する能力を通じて呼吸器疾患のための個別化医療の成長を促進する可能性を有する。3Dプリントされた肺モデルの幾何学と空気流れプロファイル設定の両方を容易に変調し、年齢、人種、性別の変化を有する患者の臨床データを反映することができる。ここに示す気管内チューブのような臨床的に関連する薬物送達装置は、肺の疾患領域への治療的送達を標的とする装置の能力をより正確に予測するために、試験セットアップに組み込むことができる。この実験的なセットアップの多様性は、それが吸入状態の多数を反映するようにカスタマイズすることができ、前臨床治療試験の厳しさを高める。
Introduction
肺がんや慢性閉塞性肺疾患(COPD)などの多くの肺疾患は、疾患特性の地域差を示す。しかし、肺の病気の領域にのみ薬物送達を標的にするために利用可能な治療技術の欠如がある 1.複数の計算流体動的(CFD)モデルは、肺2,3の特定の流線を特定することによって薬物堆積プロファイルを調節することができることを実証した。地域ターゲティング機能を備えた吸入器と気管内炎(ET)チューブアダプターの開発は、病気の肺領域へのエアロゾル分布を制御するために、当社の研究室で進めています。臨床使用にこれらの原則の延長は、現在の前臨床試験能力によって制限される。肺内の薬物沈着物の正確な位置は、有効性の最良の予測値であることが知られている;しかし、吸入可能な治療薬の現在の医薬品評価は、単に近似堆積物に粒子サイズのin vitro-in vivo相関を使用して最も頻繁に予測される。この手法では、空間解析を行って、肺の各種ローブを通る地域分布に対する異なる気道ジオメトリの影響を判断することはできません。さらに、このテストは解剖学的に正確な肺の幾何学を欠いている、研究者が示している堆積プロファイル5に大きな影響を与えることができる。上気道の追加を通じて、患者固有の肺形状を試験プロトコルに組み込むためのいくつかの努力がなされている。しかし、これらのアプローチのほとんどは、各肺の葉6、7、8ではなく、肺の様々な世代へのエアロゾルの送達をサンプリングする。以下のプロトコルは、肺9の5つのローブのそれぞれで相対粒子堆積を定量化する能力を有する患者固有の肺モデルを生成するハイスループット方法を提示する。
解剖学的に正確なモデルの肺は3D印刷の患者コンピュータ断層撮影(CT)スキャンによって生成される。容易に組み立てられる流動システムと組み合わせて使用する場合、各モデル肺のローブを通る相対的な流量は、独立して制御され、異なる患者の人口統計および/または疾患状態のものを模倣するように調整することができる。この方法により、研究者は、関連する肺幾何学における潜在的な治療方法の有効性をテストし、各方法の性能を疾患形態の進行と相関させることができる。ここでは、私たちの研究室で開発された2つのデバイス設計は、口や気管内のエアロゾル放出の位置を制御することによって、所望の肺ローブの堆積物を増加させる能力についてテストされています。このプロトコルはまた、患者のCTスキャンデータに特異的なモデル肺における治療有効性の迅速な予測を促進することによって、患者のためのパーソナライズされた手順の開発に大きな影響を与える可能性を有する。
Protocol
1. 3Dプリント実験部品の製造 注: プロトコルで使用されるすべてのソフトウェアは、 資料表に示されています。さらに、使用されるスライスソフトウェアは、 資料一覧に記載されている3Dプリンタに固有のものです。ただし、このプロトコルは、ステレオリソグラフィ (SLA) 3D プリンタの広い範囲に拡張することができます。 患者CTスキャ…
Representative Results
このサイズ範囲(1~5 μm)および流れ条件(1-10 L/min)の粒子は、理論上のストークス数とインビボデータの両方に基づいて流体流れ線に従います。したがって、標的送達装置がない場合、肺モデルに放出された粒子は、各ローブに流用された全気流の割合に従って沈着することが予想される。各ローブへの粒子送達量の相対的量は、患者固有の高解像度コンピュータ断層撮影(HRCT)スキャン<sup class="x…
Discussion
完全吸入量の肺薬学的検査のための現在の最新式装置は、次の発電機インコンクター(NGI)であり、エアロゾル4の空気力学的直径を測定する。このサイジングデータは、健康な成人男性11のために開発された相関関係に基づいてエアロゾルが堆積する肺の生成を予測するために使用されます。残念ながら、この方法は、地域肺堆積の違いを評価し、医薬品の?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
著者らは、ユー・フェン教授、ジェナ・ブリデル博士、イアン・ウッドワード教授、ルーカス・アティア教授の有益な議論に感謝している。
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 |
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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).