النمذجة والمحاكاة من الشم توصيل الدواء مع عناصر تحكم سلبية ونشطة من أنفيا استنشاق الأدوية الهباء

الهدف العام لهذه المنهجية هو تطوير بروتوكولات مختلفة لتوصيل الأدوية إلى المنطقة الشمية في نماذج مجرى الهواء الأنفي القائمة على الصور. يمكن أن تساعد هذه الطريقة في الإجابة على الأسئلة الرئيسية في مهاجمة توصيل الأدوية العصبية مثل: ما إذا كان من الممكن توصيل جرعة كافية إلى المنطقة الشمية. كيفية التحكم في حركات الجسيمات في الأنف.

ما هي أفضل الممارسات لاستهداف حاسة الشم؟ الميزة الرئيسية لهذه التقنية هي أنه يمكن تحقيق جرعة حاسة الشم المحسنة بشكل كبير. هذه خطوة حاسمة لتوصيل الأدوية من الأنف إلى الدماغ.

يمتد تأثير هذه التقنية إلى علاج أورام الدماغ. نظرا لأن جزيئات الدواء المترسبة في المنطقة الشمية يمكن أن تدخل الدماغ مباشرة. ابدأ بالحصول على الرنين المغناطيسي ، أو صور التصوير بالرنين المغناطيسي ، لرجل سليم غير مدخن يبلغ من العمر 53 عاما ، والتي تتكون من 72 مقطعا عرضيا إكليليا متباعدة بمقدار 1.5 ملم تمتد من الخياشيم إلى البلعوم الأنفي.

افتح برنامج التصوير واستورد صور التصوير بالرنين المغناطيسي بالنقر فوق ملف، استيراد الصور. حدد صور MR وانقر فوق OK.To إنشاء نموذج 3D ، انقر فوق Segmentation ، ثم Threshold. لتعيين نطاق التدرج الرمادي بين سالب 1024 وسالب 419.

انقر فوق تجزئة وحساب 3D. بعد ذلك ، انقر فوق تجزئة وحساب خطوط متعددة. حدد الجسم ثلاثي الأبعاد وانقر فوق OK لإنشاء الخطوط المتعددة التي تحدد الهندسة الصلبة.

تصدير الخطوط المتعددة كملف IGES. الآن ، افتح برنامج تطوير النموذج ، وانقر فوق ملف واستيراد و IGES لاستيراد ملف IGES إلى البرنامج. ثم انقر فوق الزر Edge Command في اللوحة اليمنى ، وانقر فوق Create Edge ، وحدد NURBS لإعادة بناء الخطوط السلسة.

انقر فوق الزر Face Command ، ثم Form Face. حدد إطار سلكي لبناء سطح من الحواف. استمر في بناء جميع الأسطح التي تغطي مجرى الهواء بالكامل.

احتفظ بالتفاصيل التشريحية للأنف مثل اللهاة والطية لسان المزمار والجيب الحنجري. انقر فوق ملف ، تصدير ، IGES لتصدير نموذج مجرى الهواء الأنفي. بعد ذلك ، افتح برنامج الشبكة.

انقر فوق ملف واستيراد الهندسة والإرث وSTEPIES لاستيراد نموذج مجرى الهواء الأنفي. انقر فوق إنشاء أجزاء لتقسيم أسطح مجرى الهواء إلى خمس مناطق مختلفة: دهليز الأنف ، وصمام الأنف ، ومنطقة المحارة ، والشم ، والبلعوم الأنفي. قم بإنشاء شبكة حسابية داخل مجرى الهواء بالنقر فوق شبكة وإعداد الشبكة العالمية.

حدد الحد الأقصى لحجم الشبكة على أنه 0.1 ملليمتر وانقر فوق تطبيق. أخيرا ، أضف شبكة مجهزة بالجسم في منطقة الجدار القريب بالنقر فوق حساب شبكة ، شبكة منشور. حدد عدد الطبقات على أنه خمسة، ونسبة التوسيع على أنها 1.25 وانقر فوق تطبيق.

ابدأ بفتح برنامج تطوير النموذج لتطوير نموذج الأنف مع التنبيب الدهليزي الأمامي. انقر فوق مستوى الصوت، ثم نقل النسخ لتغيير موقع قسطرة البخاخات على بعد خمسة ملليمترات في الدهليز من طرف فتحة الأنف. انقر فوق الحقن لإطلاق 150 نانومتر من الجسيمات في فتحة الأنف.

بعد ذلك ، افتح برنامج محاكاة السوائل لحساب معدلات ترسب الجسيمات داخل الأنف. لحساب مجال تدفق الهواء داخل مجرى الهواء، حدد نموذج التدفق الصفحي بالنقر فوق تعريف، ونماذج، ولزج، ثم اختر رقائقي ضمن نموذج لزج. لتتبع حركات الجسيمات ، حدد نموذج المرحلة المنفصلة.

تحقق من قوة رفع سافمان ضمن نموذج المرحلة المنفصلة، وانقر فوق تقرير، ثم اختر نماذج المسارات. للعثور على عدد الجسيمات المترسبة في المنطقة الشمية المحددة مسبقا، حدد Nasal ضمن Boundaries وانقر فوق Compute. احسب معدل الترسيب كنسبة كمية الجسيمات المترسبة إلى كمية الجسيمات التي تدخل الخياشيم.

بعد ذلك ، قم بتطوير نموذج الأنف مع التنبيب الدهليزي الخلفي. قم بنفس الإجراء المتبع مع الجبهة. انقر فوق مستوى الصوت، ثم نقل النسخ لتغيير موقع قسطرة البخاخات على بعد خمسة ملليمترات في الدهليز من فتحة الأنف الخلفية.

انقر فوق الحقن لإطلاق 150 نانومتر من الجسيمات في فتحة الأنف. استمر في التنبيب العميق عن طريق إدخال قسطرة البخاخات أسفل المنطقة الشمية مباشرة. حرر 150 نانومتر من الجسيمات من البخاخات.

استخدم برامج السوائل والمحاكاة لحساب معدلات ترسب الجسيمات داخل الأنف على كل من القواعد الكلية والمحلية باتباع إجراءات مماثلة كما هو الحال مع التنبيب الدهليزي. أخيرا ، كرر التنبيب العميق أثناء ممارسة حبس النفس والزفير على التوالي. انقر فوق تعريف، ثم على شروط الحدود لفتح لوحة شرط الحدود.

حدد سرعة الصفر عند فتحتي الأنف لحبس النفس. حدد ضغط الفراغ البالغ 200 باسكال عند فتحتي الأنف ، والضغط الصفري عند المخرج للزفير. ابدأ بفتح برنامج تتبع الجسيمات المغناطيسية.

انقر فوق Geometry، وRectangle لإنشاء قناة اللوحة. انقر فوق مستطيل لبناء المغناطيس حول قناة اللوحة. احسب مسارات الجسيمات ومعدل الترسيب بالنقر فوق الطراز 1 والتدفق الرقائقي والمدخل 1.

ثم حدد سرعة المدخل على أنها 0.5 متر في الثانية. انقر فوق النموذج 1 والمجالات المغناطيسية والحفاظ على التدفق المغناطيسي وحدد قوة المغناطيسات الثلاثة. انقر فوق Model 1 وتتبع الجسيمات لتدفق السوائل وخصائص الجسيمات.

حدد قطر الجسيمات وكثافتها، ثم انقر فوق مدخل لتحرير 3,000 جسيم، ولتحديد النفاذية النسبية للجسيم، انقر فوق القوة المغناطيسية والحساب. للعثور على عدد الجسيمات التي تترسب في المنطقة المحددة، انقر فوق النتائج ومجموعة المخطط 1D والمؤامرة. احسب معدل الترسيب كنسبة كمية الجسيمات المودعة في منطقة معينة إلى كمية الجسيمات التي تدخل الهندسة.

بعد ذلك، لضبط قوة المغناطيس، انقر فوق Model 1، ثم Magnetic Fields. اختر الحفاظ على التدفق المغناطيسي وقم بتغيير قوة المغناطيس تحت المغنطة. قم بزيادة قوة المغناطيس بزيادة واحدة في عشرة إلى أربعة أمبير لكل متر وانقر فوق حساب.

ابدأ بتطبيق القوى المغناطيسية التي تم الحصول عليها مؤخرا في نموذج أنف ثنائي الأبعاد عن طريق وضع ثلاثة مغناطيسات ملليمتر واحد فوق الأنف. انقر فوق Model 1, Geometry 1 لتحديد حجم المغناطيس وموضعه. ثم انقر فوق Model 1 و Particle Tracking for Fluid Flow و Inlet لإطلاق 3,000 جسيم في فتحة الأنف اليسرى.

انقر فوق خصائص الجسيمات لتحديد حجم الجسيم على أنه 15 ميكرومتر. قم بمحاكاة مسارات الجسيمات وكفاءات التوصيل الشمي اللاحقة بالنقر فوق الطراز 1 والتدفق الرقائقي والمدخل 1. حدد سرعة المدخل على أنها 0.5 متر في الثانية.

انقر فوق النموذج 1 والمجالات المغناطيسية والحفاظ على التدفق المغناطيسي وحدد قوة المغناطيسات الثلاثة. أخيرا ، اضبط تخطيط المغناطيس وقوته لتحسين كفاءة توصيل حاسة الشم. لضبط حجم المغناطيس وموضعه، انقر على Model 1، ثم Geometry 1، ثم اختر المغناطيس محل الاهتمام وقم بتغيير قيم العرض والعمق والارتفاع أو X وY وZ.اضبط قوة المغناطيس بالنقر فوق Model 1، ثم Magnetic Fields (المجالات المغناطيسية).

اختر الحفاظ على التدفق المغناطيسي وقم بتغيير قوة المغناطيس تحت المغنطة. قم بزيادة قوة المغناطيس بزيادة واحدة في عشرة إلى أربعة أمبير لكل متر، وانقر فوق حساب. بعد الانتهاء من الاختبار في النموذج ثنائي الأبعاد ، قم باستيراد نموذج مجرى الهواء الأنفي ثلاثي الأبعاد إلى برنامج تتبع الجسيمات المغناطيسية.

تماما كما هو الحال بالنسبة لنموذج الأنف ثنائي الأبعاد ، ضع أربعة مغناطيسات ملليمتر واحد فوق الأنف ، وأطلق 3000 جسيمات بقطر 15 ميكرومتر من نقطة واحدة محددة. استخدم برنامج تتبع الجسيمات المغناطيسية لتتبع مسارات الجسيمات وحساب كفاءات توصيل حاسة الشم باتباع إجراءات مماثلة ذكرناها سابقا. باتباع نفس الإجراء كما كان من قبل ، اضبط تخطيط المغناطيس وقوته في النموذج ثلاثي الأبعاد لتحسين التسليم المستهدف إلى المنطقة الشمية.

أخيرا ، اختبر حجم الجسيمات الذي يتراوح من واحد إلى 30 ميكرومتر للعثور على حجم الجسيمات المناسب للحصول على التوجيه المغناطيسي الأمثل للمنطقة الشمي. غالبا ما توفر أجهزة الأنف التقليدية جرعات منخفضة جدا من الأدوية إلى المنطقة الشمية بسبب بنية الأنف المعقدة. بالنسبة للتنبيب الدهليزي ، هناك مادة قوية لإطلاق الجسيمات مباشرة في اتجاه مجرى الأنف.

كما هو متوقع ، يتم تسليم المزيد من جزيئات الدواء إلى المنطقة الشمية مع التنبيب الأمامي أكثر من الخلف ، لكل من جزيئات 150 نانومتر وميكرومتر واحد. لتقييم أداء التوجيه المغناطيسي ، تم استخدام قناة من صفيحتين للعثور على قوة مغناطيس العمل ، متبوعا بنموذج أنف ثنائي الأبعاد مثالي للعثور على تخطيط مغناطيسي أساسي ، ثم نموذج أنف ثلاثي الأبعاد قائم على الصورة لاختبار الأداء. تأتي الجرعة الشمية المثلى من الهباء الجوي في حدود 13 إلى 17 ميكرومتر.

بمجرد إتقانها ، يمكن القيام بهذه التقنية بشكل جيد في غضون يومين ، إذا تم إجراؤها بشكل صحيح. أثناء محاولة هذا الإجراء ، من المهم أن تتذكر أن الإجراءات يمكن أن تستغرق وقتا أطول للأشكال الهندسية المعقدة. باتباع هذا الإجراء ، يمكن أيضا اختبار طرق أخرى مثل التوجيه الكهربائي للجسيمات المشحونة من أجل الإجابة عما إذا كان يمكن استخدام الجسيمات المشحونة لتوصيل الأدوية الشمية الفعالة.

بعد هذا التطور ، مهدت هذه التقنية الطريق للباحثين في مجال توصيل الأدوية المستهدفة لاستكشاف استخدام المجال المغناطيسي في الرئتين أو الأعضاء الأخرى. بعد مشاهدة هذا الفيديو ، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية تحسين توصيل الأدوية وإجراء عمليات المحاكاة باستخدام Fluent و Comsol.