مقالة منهجية

تقييم الترسب الرئوي الإقليمي باستخدام نماذج الرئة المطبوعة ثلاثية الأبعاد الخاصة بالمرضى

DOI:

10.3791/61706

⸱

نوفمبر 11, 2020

 ,  , 
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Delaware

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نقدم طريقة عالية الإنتاجية في المختبر لتحديد ترسب الرئة الإقليمي على مستوى الفص باستخدام نماذج الرئة المطبوعة ثلاثية الأبعاد المشتقة من الأشعة المقطعية مع ملامح تدفق الهواء غير القادرة.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يحد من تطوير العلاجات المستهدفة للأمراض الرئوية توافر طرق الاختبار قبل السريرية مع القدرة على التنبؤ بتسليم الهباء الجوي الإقليمي. الاستفادة من الطباعة ثلاثية الأبعاد لتوليد نماذج الرئة المريض محددة، ونحن الخطوط العريضة لتصميم عالية الإنتاجية، والإعداد التجريبي في المختبر لتحديد ترسب رئوي كروي. يتم إجراء هذا النظام مع مزيج من المكونات المطبوعة المتاحة تجاريا و3D ويسمح لمعدل التدفق من خلال كل فص من الرئة إلى أن تسيطر بشكل مستقل. يتم قياس تسليم الهباء الجوي الفلوري إلى كل فص باستخدام المجهر الفلوري. هذا البروتوكول لديه القدرة على تعزيز نمو الطب الشخصي لأمراض الجهاز التنفسي من خلال قدرته على نموذج مجموعة واسعة من التركيبة السكانية للمرضى وحالات المرض. يمكن تعديل كل من هندسة نموذج الرئة المطبوع ثلاثي الأبعاد وإعداد ملف تعريف تدفق الهواء بسهولة لتعكس البيانات السريرية للمرضى الذين يعانون من اختلاف العمر والعرق والجنس. يمكن دمج أجهزة توصيل الأدوية ذات الصلة سريريا ، مثل أنبوب القصبة الهوائية الموضح هنا ، في إعداد الاختبار للتنبؤ بشكل أكثر دقة بقدرة الجهاز على استهداف التسليم العلاجي لمنطقة مريضة من الرئة. تسمح براعة هذا الإعداد التجريبي بتخصيصه ليعكس العديد من ظروف الاستنشاق ، مما يعزز صرامة الاختبار العلاجي قبل السريري.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

العديد من الأمراض الرئوية مثل سرطان الرئة ومرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) تظهر اختلافات إقليمية في خصائص المرض؛ ومع ذلك ، هناك نقص في التقنيات العلاجية المتاحة لاستهداف تسليم الأدوية إلى المناطق المريضة فقط من الرئة1. وقد أظهرت نماذج متعددة ديناميكية السوائل الحسابية (CFD) أنه من الممكن تعديل ملامح ترسب المخدرات عن طريق تحديد يبسط محددة في الرئة2,3. يجري تطوير كل من أجهزة الاستنشاق ومحولات أنبوب الرغامى (ET) ذات قدرات الاستهداف الإقليمية في مختبرنا للسيطرة على توزيع الهباء الجوي على مناطق الرئة المريضة. توسيع نطاق هذه المبادئ للاستخدام السريري محدود بقدرة الاختبار الحالية قبل السريرية. ومن المعروف أن الموقع الدقيق لرواسب الدواء داخل الرئة هو أفضل مؤشر على الفعالية. ومع ذلك ، فإن التقييمات الصيدلانية الحالية للعلاجات القابلة للاستنشاق يتم التنبؤ بها في معظم الأحيان باستخدام الارتباطات في الجسم الحي في المختبر لحجم الجسيمات إلى مجرد ترسب تقريبي4. لا تسمح هذه التقنية بأي تحليل مكاني لتحديد آثار هندسة مجرى الهواء المختلفة على التوزيع الإقليمي من خلال الفصوص المختلفة للرئة. بالإضافة إلى ذلك ، يفتقر هذا الاختبار إلى هندسة الرئة الدقيقة تشريحيا ، والتي أظهر الباحثون أنها يمكن أن يكون لها تأثير كبير على ملامح الترسب5. وقد بذلت بعض الجهود لدمج هندسة الرئة الخاصة بالمرضى في بروتوكولات الاختبار من خلال إضافة الشعب الهوائية العليا؛ ومع ذلك، فإن معظم هذه النهج عينة تسليم الهباء الجوي إلى أجيال مختلفة من الرئة بدلا من كلفصالرئة 6،7،8. يقدم البروتوكول التالي طريقة عالية الإنتاجية لتوليد نماذج الرئة الخاصة بالمرضى مع القدرة على قياس ترسب الجسيمات النسبية في كل من الفصوص الخمسة للرئة9.

يتم إنشاء الرئتين نموذج دقيق تشريحيا من قبل 3D الطباعة المريض التصوير المقطعي المحوسب (CT) بمسح. عند استخدامها جنبا إلى جنب مع نظام تدفق تجميعها بسهولة، يمكن التحكم في معدلات التدفق النسبي من خلال كل من فصوص الرئة نموذج مستقل ومصممة لمحاكاة تلك التركيبة السكانية المريض مختلفة و / أو حالات المرض. مع هذه الطريقة، يمكن للباحثين اختبار فعالية الأساليب العلاجية المحتملة في هندسة الرئة ذات الصلة وربط أداء كل طريقة مع تطور مورفولوجيا المريضة. هنا، يتم اختبار تصميمين للأجهزة تم تطويرهما في مختبرنا لقدرتهما على زيادة الترسب في فص الرئة المطلوب من خلال التحكم في موقع إطلاق الهباء الجوي في الفم أو القصبة الهوائية. كما أن هذا البروتوكول لديه القدرة على التأثير بشكل كبير على تطوير إجراءات شخصية للمرضى من خلال تسهيل التنبؤ السريع بفعالية العلاج في الرئة النموذجية الخاصة ببيانات الأشعة المقطعية لهذا المريض.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. إعداد المكونات التجريبية المطبوعة ثلاثية الأبعاد

ملاحظة: يشار إلى جميع البرامج المستخدمة في البروتوكول في جدول المواد. بالإضافة إلى ذلك ، فإن برنامج التقطيع المستخدم خاص بالطابعة ثلاثية الأبعاد المدرجة في جدول المواد؛ ومع ذلك، يمكن توسيع هذا البروتوكول إلى مجموعة واسعة من الطابعات ثلاثية الأبعاد (SLA).

  1. تحويل الأشعة المقطعية المريض إلى كائنات 3D (.stl الملفات).
    ملاحظة: للحصول على مناقشة أكثر تفصيلا للسمات الهندسية لنموذج الرئة المحدد المستخدم في هذه الدراسات، راجع Feng et al.5.
    1. تقديم الأشعة المقطعية إلى كائن 3D باستخدام برنامج التصوير المقطعي (انظر جدول المواد). افتح الفحص المقطعي وإنشاء قناع على المجال الجوي باستخدام أداة Threshold مع إعداد في النطاق من -800 إلى -1000. باستخدام أداة المعاينة ثلاثية الأبعاد، قم بعرض العرض ثلاثي الأبعاد وتصدير الكائن (ملف | تصدير) كملف .stl.
    2. استيراد الملفات إلى شبكة برامج التحرير (انظر جدول المواد)،وإزالة أي ميزات خشنة باستخدام أداة تحديد (نحت | فرش: "يتقلص / على نحو سلس" | الخصائص: القوة (50)، الحجم (10)، العمق (0). تنعيم السطح (Ctrl + A | تشوه | | ناعم تنعيم (0.2)، مقياس تنعيم (1).
    3. في برامج تحرير الشبكة، قم بتوسيع جدار هذه الكائنات بمقدار 2 مم (Ctrl+ A | تحرير | إزاحة)، والسماح للكائن الداخلي أن تبقى جوفاء بحيث يبقى فقط الجدار. شريحة الكائن (حدد | تحرير | قطع الطائرة) في القصبة الهوائية لتشكيل مدخل وعلى الأجيال 2 أو 3 حيث فروع الكائن قبالة إلى كل فص لإنشاء منافذ(الشكل 1A).
      ملاحظة: تم اختيار سمك 2 مم استنادا إلى أحجام الميزة المقبولة المحددة من قبل الشركة المصنعة للطابعة ثلاثية الأبعاد المدرجة في جدول المواد. ويمكن تعديل هذه السماكة على أساس مواصفات الطابعة ثلاثية الأبعاد المتاحة إذا تم الحفاظ على الهندسة الداخلية للنموذج.
  2. تعديل هندسة منفذ نموذج الرئة المريض لتكون متوافقة مع مكونات غطاء منفذ الفص المصممة سابقا (الشكل 1B, C) المدرجة في جدول المواد.
    1. استيراد الكائن 3D، الذي يكرر التصوير المقطعي المحوسب في الداخل، لديه سمك الجدار من 2 ملم، ومفتوحة في مدخل ومنافذ، في برنامج النمذجة 3D (انظر جدول المواد) كجسم صلب (فتح | | ملفات الشبكة خيارات | جسم صلب).
    2. إنشاء طائرة على أساس وجه في كل من منافذ (إدراج | | الهندسة المرجعية الطائرة). باستخدام أداة الربط، تتبع الجدار الداخلي والجدار الخارجي للمنفذ في رسم على متن الطائرة (رسم | سبلاين).
    3. دور علوي اسطوانة (OD 18.5 ملم، معرف 12.5 ملم، H 15.15 ملم) للاتصال بالجدار الداخلي والخارجي للنموذج، وبالتالي توسيع منفذ لتكون موحدة في كل فص (ميزات | علت بوس / قاعدة). إضافة درجة حول حافة منفذ لتتناسب مع الغطاء (ميزات | مقذوف قص | إزاحة).
      ملاحظة: الغطاء(الشكل 1D)هو اسطوانة مجوفة مطابقة لأبعاد منافذ وجود الرف الذي يربط مع درجة من منفذ النموذج. يتم حظر نهاية واحدة من الغطاء بحيث معرف أصغر من بقية الجزء، وهذا يضمن تناسب ضيق حول اتصال أنابيب شائكة(الشكل 1E). اتصال الأنابيب الشائكة هو مخروط الشائكة الشكل بحيث الشواء يناسب من خلال فتح الغطاء، ولكن بقية الجزء لا، مما يسمح للاتصال أنابيب لتناسب بشكل آمن في الغطاء. وهكذا، فإن الغطاء يناسب بإحكام حول كل من اتصال أنابيب شائكة ونموذج الرئة (الشكل 1F، G).
    4. تعديل مدخل نموذج الرئة اعتمادا على الظروف التجريبية المطلوبة. يمكن تضمين مناطق الحلق والجلوتال لمحاكاة المريض الذي يمكن أن يتنفس من تلقاء نفسه(الشكل 1B). يمكن إزالة المناطق فوق القصبة الهوائية باستخدام قطع مقذوف لمحاكاة المريض الذي تم تنبيبه على دعم جهاز التنفس الصناعي(ميزات | قص مقذوف) (الشكل 1C).
  3. توجيه ودعم المكونات التجريبية في تقطيع البرامج المقدمة من قبل الشركة المصنعة للطابعة 3D.
    1. استيراد ملفات جزء 3D في طابعة 3D تقطيع البرمجيات واختيار الراتنج المناسبة. استخدام الراتنج الثابت لطباعة نماذج الرئة وصلات أنابيب شائكة، والراتنج لينة لطباعة القبعات.
      ملاحظة: يجب أن يكون للراتنج المستخدم لطباعة القبعات خصائص مرنة للسماح له بالتمدد على منفذ الفص وإنشاء ختم محكم الإغلاق.
    2. تعيين اتجاه الجزء بحيث يتم تقليل أي "islands" و وحدات التخزين unvented. أفضل اتجاه لنماذج الرئة هو مع منافذ الفص التي تواجه بعيدا عن منصة الطباعة. تأكد من أن كل من وصلات الأنابيب الشائكة والقبعات تحتوي على الأجزاء الأوسع التي تواجه منصة الطباعة.
      ملاحظة: يمكن عرض الشرائح الفردية للتحقق من ظهور "الجزر"، وهي أجزاء من الجزء تظهر لأول مرة في شريحة دون أن تكون متصلة بالجسم الرئيسي للجزء. يمكن استخدام وظيفة المراجعة للتحقق من وجود شرائح ذات وحدات تخزين غير مفننة ، وهي مناطق يمكن أن يحاصر فيها الراتنج غير المسور داخل الجزء أثناء الطباعة. تقلل كل من "الجزر" ووحدات التخزين غير المنوعة من جودة الطباعة ويمكن أن تؤدي إلى فشل الطباعة.
    3. عرض كل شريحة على حدة، إضافة دعامات إلى أي "الجزر" المتبقية في الجزء، فضلا عن أي مناطق مع يتدلى كبيرة. تصدير وعرض شرائح للطباعة للتحقق من أن جميع المناطق معتمدة بشكل صحيح.
  4. طباعة المكونات التجريبية واستكمال مرحلة ما بعد المعالجة وفقا لتعليمات الشركة المصنعة.
    ملاحظة: جميع خطوات ما بعد المعالجة الموضحة أدناه خاصة بالطابعة ثلاثية الأبعاد المدرجة في جدول المواد. عند استخدام الطابعات أو المواد البديلة، اضبط هذه الخطوات لتعكس إرشادات الشركة المصنعة.
    1. بالنسبة للأجزاء المطبوعة في الراتنج الناعم، اغسلها بنقاء الكحول isopropyl ≥99٪ (IPA) لإزالة الراتنج غير المفرغ الزائد والعلاج الحراري في فرن الحمل الحراري لمدة 8 ساعة وفقا لمواصفات الشركة المصنعة.
      ملاحظة: الأجزاء المطبوعة في الراتنج الناعم يمكن أن تكون حساسة جدا مباشرة بعد الطباعة، لذلك ينبغي توخي الحذر الخاص أثناء خطوات التنظيف. وينبغي الإبقاء على التعرض ل IPA دون حد التعرض للمذيبات للمادة لمنع تدهور جزء.
    2. بالنسبة للأجزاء المطبوعة في الراتنج الصلب، اغسل مع IPA لإزالة الراتنج غير المفرغ الزائد وعلاجه في فرن الأشعة فوق البنفسجية (ضوء 365 نانومتر عند 5-10 كيلوواط/سم2)لمدة دقيقة واحدة لكل جانب.
      ملاحظة: لتقييم دقة النسخة المتماثلة المطبوعة ثلاثية الأبعاد، يوصى باستخدام المسح الضوئي μCT للجزء المطبوع وبرنامج التصوير المقطعي المحوسب لمقارنة الاختلافات بين التقديم ثلاثي الأبعاد الأصلي والنسخة المتماثلة المطبوعة ثلاثية الأبعاد.

2. تجميع نظام الأنابيب للتحكم في معدل التدفق

  1. المسمار 1/4 "أنابيب شائكة التجهيزات في جانب من متعددة مع 6 منافذ (الشكل 2A-6) و 3/8 " أنبوب شائك المناسب في الميناء المتبقي.
  2. قطع 1/4 "أنابيب إلى أطوال المطلوب وإدراجها في كل نهاية من صمامات الدفع إلى الاتصال (الشكل 2A-5). إرفاق كل صمام إلى واحدة من التجهيزات 1/4 "إدراجها في متعددة.
  3. توصيل عداد تدفق (الشكل 2A-4) إلى الطرف الآخر من كل صمام.
  4. وضع نظام الأنابيب على رأس لوحة خشبية بحيث متعددة واحد 3/8 "تركيب يمتد الماضي حافة المجلس. لتأمين في مكان، إضافة اثنين من مسامير إلى جانب لوحة خشبية وإرفاق متعددة إلى مسامير باستخدام الأسلاك.
  5. إضافة أربعة مسامير المتمركزة حول كل من الصمامات وتدفق متر واستخدام الأسلاك لتأمين كل واحد منهم إلى لوحة خشبية (الشكل 2E).
  6. مع ما يقرب من 6 "من 3/8" ID الأنابيب، وربط متعددة في خط 0.1 ميكرومتر حجم المسام فراغ الصف مرشح. قم بتوصيل الطرف الآخر من الفلتر بوحدة التحكم في التدفق باستخدام أنابيب ID أخرى 6 بوصات من 3/8 بوصة
    ملاحظة: نظام الأنابيب يحتاج فقط إلى تجميعها مرة واحدة.

3. تجميع قبعات منفذ الفص مع نموذج الرئة المريض

ملاحظة: يجب إكمال هذا الجزء من البروتوكول قبل كل تشغيل تجريبي.

  1. إدراج اتصال أنابيب شائكة في الغطاء مع فوهة جاحظ من خلال فتح في قاعدة الغطاء. أولا، أدخل أحد طرفي قاعدة اتصال الأنابيب الشائكة البيضاوية في الغطاء. ثم، تمتد بعناية الغطاء مرنة على الطرف الآخر من القاعدة البيضاوية، مع الحرص بشكل خاص على عدم كسر قاعدة رقيقة.
    ملاحظة: قد تكون القبعات المطبوعة حديثا أكثر صلابة من المطلوب ويمكن تمديدها عن طريق تشغيل إصبعين على طول الغطاء الداخلي.
  2. قطع ورقة مرشح 10 ميكرومتر بحيث يكون أكبر قليلا من منطقة منفذ. أضعاف ورقة تصفية على منفذ الفص وعقد في مكان بيد واحدة.
  3. من ناحية أخرى، استخدم الملاقط لتمديد الغطاء مع اتصال أنابيب شائكة على المنفذ. اضغط على الغطاء لأسفل حتى يطابق درجة الغطاء مع الشق المقابل على منفذ الفص(الشكل 2C).
    ملاحظة: يمكن أن يؤدي نسخ ورق التصفية في هذه الخطوة إلى إبطال النتائج، لذا يجب توخي الحذر لتجنب القوة المفرطة عند الضغط على الغطاء على المنفذ.
  4. كرر لجميع منافذ الفص المتبقية (الشكل 2D).

4. جيل من ملف تدفق الهواء ذات الصلة سريريا

ملاحظة: يجب إكمال هذا الجزء من البروتوكول قبل كل تشغيل تجريبي.

  1. ربط كل منفذ الفص نموذج الرئة إلى أنابيب متر تدفق المقابلة وصمام، مع الحرص على عدم تطبيق الكثير من الضغط الجانبي على اتصال أنابيب شائكة. إرفاق مقياس التدفق الإلكتروني إلى مدخل الفم نموذج الرئة لقياس إجمالي معدل تدفق الهواء إلى نموذج الرئة.
  2. بدوره على وحدة تحكم تدفق (الشكل 2A-7) ومضخة فراغ (الشكل 2A-8). حدد الإعداد"اختبار الإعداد"على وحدة تحكم التدفق وزيادة معدل التدفق ببطء حتى يعرض مقياس التدفق الإلكتروني معدل التدفق الإجمالي المطلوب.
  3. باستخدام الصمامات(الشكل 2E-5)،ضبط معدل التدفق من خلال كل من فصوص الرئة الخمسة: العلوي الأيمن (RU)، الوسط الأيمن (RM)، اليمين السفلي (RL)، العلوي الأيسر (LU)، واليسار السفلي (LL). مرة واحدة في معدلات تدفق الفص هو مبين على متر تدفق(الشكل 2E-4)ثابتة في القيمة المرجوة، والتحقق من معدل التدفق العام مرة أخرى على مقياس التدفق الإلكتروني للتحقق من عدم وجود تسرب في النظام.
    1. إذا كان هناك تباين في معدل التدفق الإجمالي، خفض معدل التدفق مع وحدة تحكم التدفق، تعيين جميع الصمامات إلى التكوين مفتوحة تماما، وكرر الخطوتين 4.2 و 4.3.
      ملاحظة: تم الحصول على النتائج المعروضة هنا باستخدام ملفات تعريف تدفق الهواء استنادا إلى البيانات التي أبلغ عنها Sul et al.10 تم حساب كسور تدفق الفص هذه باستخدام صور التصوير المقطعي المحوسبة لشريحة رقيقة لرئتي المريض بإلهام وانتهاء صلاحية كاملين ، مقارنة التغيرات النسبية في حجم كل فص رئوي. يتم عرض النتائج لاثنين من ظروف التدفق المتميزة، وكلاهما بمعدل تدفق مدخل عام قدره 1 لتر/دقيقة. يتم توزيع ملف تدفق منفذ فص الرئة الصحي على كل منفذ من خلال النسبة المئوية التالية لتدفق المدخل: LL-23.7٪، LU-23.7٪، RL-18.7٪، RM-14.0٪، RU-20.3٪. يتم توزيع ملف تدفق منفذ الفص COPD بين كل منفذ من خلال النسبة المئوية التالية لتدفق المدخل: LL-10.0٪، LU-29.0٪، RL-13.0٪، RM-5.0٪، RU-43.0٪9،10.
  4. الخروج من"الإعداد اختبار"وظيفة وحدة تحكم تدفق ولكن ترك مضخة فراغ على.
    ملاحظة: يمكن أن يؤدي تشغيل مضخة الفراغ بين تحديد معدلات التدفق وإجراء تجربة الترسب إلى عدم الدقة في ملف تعريف التدفق الذي تم إنشاؤه. فمن المستحسن أن تترك مضخة فراغ على معدلات التدفق المطلوب مرة واحدة يتم تعيين لإكمال اختبار ترسب الهباء الجوي.

5. تسليم الهباء الجوي لنموذج الرئة

ملاحظة: يجب إجراء التجارب في غطاء الدخان مع وشاح مغلق لتقليل التعرض لأي الهباء الجوي التي تولدها البخاخات.

  1. ملء البخاخات مع حل الجسيمات الفلورية المطلوبة (الشكل 2A-1) والاتصال مدخل نموذج الرئة(الشكل 2B).
    ملاحظة: تم الحصول على النتائج المعروضة هنا باستخدام 30 مل من تخفيف 1:100 من جزيئات البوليسترين الفلورية 1 ميكرومتر في الميثانول.
    1. للتحقق من صحة الإعداد التجريبي، قم بتوصيل البخاخات مباشرة بمدخل نموذج الرئة دون أي جهاز استهداف.
    2. لقياس فعالية جهاز الاستهداف، قم بتوصيل البخاخات بالجهاز وأدخل الجهاز في نموذج الرئة.
  2. ربط خط الهواء المضغوط إلى البخاخات وإغلاق وشاح غطاء الدخان قدر الإمكان.
  3. تعيين وحدة تحكم التدفق لتشغيل محاكمة واحدة 10 ق. قبل الضغط على البداية، افتح صمام الهواء المضغوط قليلا للبدء في توليد الهباء الجوي داخل البخاخات.
  4. اضغط على بدء تشغيل وحدة التحكم في التدفق وافتح صمام الهواء المضغوط بالكامل على الفور. بمجرد أن تصل وحدة التحكم في التدفق إلى حوالي 9 ق ، ابدأ في إغلاق صمام الهواء المضغوط.
  5. بمجرد إغلاق صمام الهواء المضغوط بالكامل ، افصل البخاخات عن خط الهواء المضغوط ، وأغلق وشاح غطاء الدخان بالكامل ، وأغلق مضخة الفراغ ، ودع أي هباء جوي واضحا من غطاء الدخان لمدة 10 دقائق تقريبا.
    ملاحظة : من المهم لاغلاق مضخة فراغ قبالة بعد الانتهاء من تشغيل لمنع فراغ من بناء داخل نظام الأنابيب.
  6. بعد الانتظار لفترة كافية من الوقت، وقطع نموذج الرئة من نظام الأنابيب، مع الحرص بشكل خاص على عدم كسر اتصالات الأنابيب الشائكة.
  7. إزالة قبعات منفذ الفص عن طريق تشغيل زوج من ملاقط تحت حافة الغطاء ورفع بلطف قبالة نموذج الرئة.
  8. إزالة ورقة مرشح من الغطاء ووضعه في لوحة بئر 24 مع الجانب الذي الجسيمات المودعة يجري في الجزء السفلي التي تواجه بئر لوحة. كرر للمنافذ المتبقية وتسمية البئر المقابلة لكل فص.
    ملاحظة: لمنع أي ترسب الجسيمات المتبقية من التأثير على التجارب اللاحقة، من المهم لشطف كل من نموذج الرئة ومكونات الغطاء مع IPA أو المذيبات المناسبة بين أشواط. ويمكن جمع ذلك وإدراجه في التحليل على النحو المطلوب. بالإضافة إلى ذلك، يتم الاحتفاظ بسجل للتأكد من تعرض كافة النسخ المتماثلة المستخدمة إلى IPA إلى الحد الأدنى للحفاظ على سلامة الجزء، ويوصى بفحص الجزء المرئي قبل الاستخدام.

6. مخرج تصفية ورقة التصوير

  1. ضع لوحة البئر في مجهر الفلورسينس الرقمي ووضع المجهر على التكبير 4x وقناة الفلورسينس المناسبة.
  2. تحديد بصريا ورقة مرشح الفص الذي لديه أكبر قدر من ترسب الجسيمات واستخدام"فضح السيارات"وظيفة. يحيط علما التعرض الناتجة وقيم الوقت التكامل.
  3. تطبيق هذا التعرض لجميع المرشحات لتشغيل وتقييم ما إذا كان الإعداد ينتج صورة مرضية لجميع المناطق ترسب عالية من المرشحات.
    ملاحظة: يمكن تغيير إعدادات التركيز من عامل تصفية إلى عامل تصفية; ومع ذلك، يجب تحليل كافة عوامل التصفية لتشغيل معين في نفس إعدادات التعريض الضوئي. فمن الممكن فقط أن يكون إطار واحد من التركيز في وقت واحد، لذلك الانحناءات أو الدموع في ورقة التصفية قد تمنع جميع الجسيمات المودعة في الرأي من أن تكون في التركيز. ويمكن تجنب ذلك عن طريق ضمان ورقة تصفية مسطحة ضد الجزء السفلي من لوحة البئر.
  4. التقاط ما لا يقل عن ثلاث صور من ورقة تصفية كل فص في مواقع عشوائية وحفظ الملفات .tiff.

7. القياس الكمي لترسب الجسيمات

  1. استيراد كافة صور ورق التصفية لتشغيل معين في جلسة عمل ImageJ.
  2. تغيير نوع كل صورة إلى 8 بت عن طريق تحديد صورة | اكتب | 8 بت.
  3. افتح الصورة بأعلى فلورة وحدد image | ضبط | عتبة لفتح إطار عتبة. ضبط قيم العتبة لتقليل إشارة الخلفية من ورقة التصفية وتحديد حواف الجسيمات بوضوح. انظر الشكل 3 للاطلاع على صور العتبات ذات النوعية الجيدة والنوعية الرديئة.
    ملاحظة: بالنسبة للمرشحات ذات المستويات العالية من الترسب، يمكن ملاحظة "هالة" من الفلورسينس، الناجمة عن حيود الضوء بواسطة ألياف الورق المرشحة، حول مجموعات كبيرة من الجسيمات. عند تحديد عتبة هذه الصور، يعرض نطاق كبير جدا نقاطا صغيرة أو أشكالا "شبيهة بالريش" حول هذه المجموعات، كما لوحظ في صور العتبة "الفقيرة" في الشكل 3. ويمكن تحسين ذلك عن طريق زيادة الحد الأدنى من العتبة تدريجيا حتى يتم تقليل الإشارة من ألياف الورق المرشح دون حجب الإشارة عن الجسيمات نفسها.
  4. نشر إعدادات العتبة للصورة الفلورية الأعلى إلى جميع الصور الأخرى.
  5. تحديد عدد الجسيمات وإجمالي مساحة الفلورسنت عن طريق اختيار تحليل | تحليل الجسيمات.
    ملاحظة: تتم مقارنة مجموعات البيانات باستخدام اختبار مقارنات متعددة Sidak و ANOVA ثنائي الاتجاه. بالإضافة إلى ذلك، تتم مقارنة الترسب في فص الاهتمام فقط باستخدام اختبار T للطالب على افتراض التباين المتساوي.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تتبع الجسيمات في نطاق الحجم هذا (1-5 ميكرومتر) وظروف التدفق (1-10 لتر / دقيقة) خطوط تيار السوائل استنادا إلى كل من عدد ستوكس النظري وبيانات الجسم الحي؛ لذلك ، في حالة عدم وجود جهاز تسليم مستهدف ، من المتوقع أن تترسب الجسيمات المنبعثة في نموذج الرئة وفقا للنسبة المئوية لإجمالي تدفق الهواء المحول إلى كل فص. يمكن بعد ذلك مقارنة الكميات النسبية لتوصيل الجسيمات إلى كل فص ببيانات معدل تدفق الفص السريري التي تم الحصول عليها من خلال تحليل التصوير المقطعي عالي الدقة (HRCT) للمريض بدقة عالية (HRCT) بمسح10. ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الجهاز الحالي للدولة من بين الفن لاختبار الأدوية الرئوية لجرعة استنشاق كاملة هو Impactor مولد المقبل (NGI)، الذي يقيس القطر الأيرودينامية من الهباء الجوي4. ثم يتم استخدام بيانات التحجيم هذه للتنبؤ بتوليد الرئة الذي سيودع فيه الهباء الجوي استنادا إلى ارتباط تم تطويره لذكر بالغ سليم11. لسوء الحظ ، هذه الطريقة محدودة في قدرتها على تقييم الاختلافات في ترسب الرئة الإقليمي ، وتحديد آثار حالات المرض على تسليم الأدوية ، والتنبؤ بملامح الترسب لمختلف الفئات العمرية والأعراق والجنسين<...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يشكر المؤلفون البروفيسور يو فنغ، والدكتورة جينا بريدل، وإيان وودوارد، ولوكاس عطية على مناقشاتهم المفيدة.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
1/4 "تركيب أنبوب شائكة بلاستيكيماكماستر كار5372K111
10 ميكرومتر ورق ترشيحفيشر1093-110
1um جزيئات البوليسترين الفلوريةPolysciences15702-10
1um جزيئات البوليسترين غير الفلوريةPolysciences8226
2-PropanolFisherA516-4المشار إليها إلى البروتوكول باسم "IPA"
3/8 "تركيب الأنبوب الشائك البلاستيكيماكماستر كار5372K117
مقياس تدفق الهواء (1 - 280 مل / دقيقة)ماكماستر كار41695K32يشار إليه في البروتوكول باسم "مقياس التدفق"
طابعة الكربون M1 ثلاثية الأبعادhttps://www.carbon3d.com/الكربون ثلاثي الأبعاد ، البرامج المرتبطة المشار إليها في البروتوكول باسم "برنامج التقطيع"
Collison البخاخات النفاثةCH TechnologiesARGCNB0008 (CN-25)6 تصادم أفقي على غرار Jet MRE مع جرة زجاجية ، يشار إليها في البروتوكول باسم "البخاخات" ، http://chtechusa.com/Manuals/MRE_Collison_Manual.pdf
فرن حراريYamatoDKN602
Copley Critical Flow Controller TPK2000 Reve 120VMSP Corp0001-01-9810يشار إليها في البروتوكول باسم "وحدة التحكم في التدفق"
مضخة كوبلي عالية السعة موديل HCP5MSP Corp0001-01-9982يشار إليها في البروتوكول باسم "مضخة التفريغ"
CytationBioTekCYT5MPVالطيف الضوئي متعدد الوظائف / جهاز تصوير الفلورسنت المجهز بأهداف 4x / 20x / 40x و DAPI / GFP / Texas مكعبات ليزر / مرشح
EPU40 راتنجالكربون 3Dhttps://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/ ، يشار إليه في البروتوكول باسم "الراتنج الناعم"
مرشح لمضخة التفريغWhatman6722-5000
مقياس التدفق نموذج DFM 2000MSP Corp0001-01-8764يشار إليه في البروتوكول باسم "مقياس التدفق الإلكتروني"
ImageJ SoftwareImageJhttps://imagej.nih.gov/ij/download.html
صمام التحكم في تدفق الهواء المضمن (الدفع للاتصال)McMaster Carr62005K333يشار إليه في البروتوكول باسم "الصمام"
أجهزة التصفية المضمنةWhatmanWHA67225000
ورقة الخشب الرقائقي البحريةMcMaster Carr62005K333يشار إليها في البروتوكول باسم "لوح خشبي"
Materialise Mimics SoftwareMaterialize Materializehttps://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite ، يشار إليه في البروتوكول باسم "برنامج الأشعة المقطعية"
برنامج MeshmixerAutodeskhttp://www.meshmixer.com/ ، يشار إليه في البروتوكول باسم "برنامج تحرير الشبكة"
MethanolFisherA454-4
Opticure LED CubeAPM Technica102843يشار إليه في البروتوكول باسم "فرن الأشعة فوق البنفسجية"
PR25 راتنجالكربون 3Dhttps://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate ، / يشار إليه في البروتوكول باسم "الراتنج الصلب"
أنبوب PVC للمواد الكيميائية McMasterCarr5231K1611/4 "مسامير معرف
SolidWorks
SoftwareDassault Syst & egrave ؛ mes  شركة SolidWorksCorporation https://www.solidworks.com/ ، يشار إليها في البروتوكول باسم "برنامج النمذجة ثلاثية الأبعاد"
مقياس مشعب مستطيل التدفق المستقيم McMaster Carr 1125T31 الأنابيب إلى وحدة التحكم في التدفق McMaster Carr 5233K65 3/8 "ID Wire

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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. Bioengineering. 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. Pietila, T. 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).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة