本文综述了在基于影像的鼻腔气道模型中，针对向嗅区递送药物的不同方案所进行的建模与模拟研究。通过多个软件模块构建解剖结构精确的鼻腔模型，生成计算网格，模拟鼻腔气流，并预测颗粒在嗅区的沉积情况。
方法文章
本文综述了在基于影像的鼻腔气道模型中，针对向嗅区递送药物的不同方案所进行的建模与模拟研究。通过多个软件模块构建解剖结构精确的鼻腔模型，生成计算网格，模拟鼻腔气流，并预测颗粒在嗅区的沉积情况。
直接经鼻入脑给药在治疗神经系统疾病方面具有诸多优势。然而，由于药物递送至与大脑直接相连的嗅黏膜的效率极低（< 1%），其应用受到限制。因此，开发能够更有效地将神经类药物递送至嗅区的新技术至关重要。本研究旨在建立一个数值模拟平台，用于仿真并优化经鼻嗅部药物递送过程。提出了一种结合影像与计算流体力学（CFD）的方法，整合了基于影像的模型构建、高质量网格划分、流体模拟以及磁性颗粒追踪。利用该方法，对三种经鼻给药方案的性能进行了数值评估与比较。同时，还通过数值模拟研究了呼吸方式、磁体布局、磁场强度、药物释放位置以及颗粒尺寸对嗅区药物剂量的影响。
通过模拟研究，我们发现利用磁体布局与选择性药物释放相结合的方式，可实现具有临床意义的嗅觉区给药剂量（最高达45%）。在磁泳引导条件下，预测的给药量相比无磁泳引导的情况提高了64倍。然而，由于磁泳现象本身具有不稳定性，且嗅觉区给药剂量对患者个体、装置设计及颗粒相关因素高度敏感，将经鼻吸入的气溶胶精确导向嗅觉区域仍具挑战性。
递送至嗅区的药物可绕过血脑屏障，直接进入大脑，从而实现药物的高效吸收和快速起效1,2。然而，传统的鼻腔给药装置（如鼻泵和喷雾器）通过鼻腔途径递送至嗅区的剂量极低（< 1%）3,4。这主要是由于人类鼻腔结构复杂，由狭窄且迂曲的通道组成（图1）。嗅区位于上鼻道上方，仅有极小部分吸入的气流能够到达该区域5,6。此外，传统吸入装置依赖空气动力学力将治疗剂输送到目标区域7，药物颗粒释放后对其运动过程无法进一步控制。因此，这些颗粒的输送和沉积主要取决于其初始速度和释放位置。由于鼻腔通道的迂曲性以及对颗粒运动缺乏控制，大多数药物颗粒被截留在鼻腔前部，无法到达嗅区8。
尽管鼻腔给药装置有多种选择，但专门针对嗅觉区域递送设计的装置却鲜有报道7,9。其中一项例外是Hoekman和Ho10开发了一种优先靶向嗅觉递送的装置，并在大鼠实验中证明，与滴鼻给药相比，该方法可实现更高的脑皮层与血液药物浓度比。然而，考虑到大鼠与人类在解剖结构和生理特性上存在巨大差异，将大鼠中的沉积结果外推至人类并不直接可行11。使用经改造的标准鼻腔装置进行嗅觉递送时存在诸多局限性。主要问题之一是仅有极小部分药物能够递送至嗅觉黏膜，而药物正是通过该区域进入大脑。数值模拟预测，经鼻腔给药的纳米颗粒中，沉积于嗅觉区域的比例不....
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磁共振成像图像由健康科学哈姆纳研究所提供，并已获得弗吉尼亚联邦大学机构审查委员会对这些图像使用的批准。
1. 基于图像的鼻腔气道制备
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对照案例：
图3展示了使用标准鼻腔装置时鼻腔气道内的气流场及颗粒沉积情况。图中清晰显示，前鼻孔进入的气流主要通向鼻腔上部通道，而后鼻孔进入的气流则导向鼻底（图3A）。气溶胶颗粒在中央通道移动较快，在靠近管壁处速度减慢，沿主流方向形成明显的气溶胶前沿。在正常呼吸条件（20 L/min）下，气溶胶颗粒进入鼻孔后约0.02至0.03秒即可到达嗅觉区域（图3B）。仅有极少量颗粒（0.22%）沉积于鼻腔上部（上鼻道）；更少的颗粒（0.007%）到达最上方的嗅觉黏膜区域（图3C）。预测结果显示颗粒沉积分布高度不均，如图3C中沉积增强因子（DEF）的较大变化范围所示。此处，DEF表示局部颗粒积聚程度，定义为鼻腔内局部沉积速率与区域平均沉积速率的比值24。本研究中的数值模型还通过在结构相似的鼻腔气道模型中获得的实验数据进行了验证，数值模拟结果与实验测量值之间.......
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本研究提出了一种耦合图像与计算流体动力学（CFD）的方法，该方法整合了基于图像的模型构建、高质量网格划分、气流模拟以及磁性颗粒追踪。为实现此目标，采用了多个软件模块，包括医学图像分割、解剖精确的气道模型重建与网格生成，以及流场-颗粒耦合模拟等功能。利用该数值方法，对三种经鼻给药方案的递送性能进行了测试与比较。相较于 体外 实验表明，该方法在成本和时间上更具效率，因此可进行大量数值测试以确定最佳递送方案25,26特别是，这种耦合的影像-CFD 方法能够生成关于药物颗粒行为与去向的详细信息，从而深入揭示如何减少药物在鼻腔前部的损失，并提高靶部位的药物剂量。此外，本研究中开发的耦合影像-CFD 方法可轻松修改，用于向鼻旁窦等其他区域的经鼻药物递送24. 可参照本方案中所述的类似步骤进行操作，但需修改以下两个步骤。（1）2.1.3 中预定义的兴趣区域应更改为鼻窦，可通过遵循方案 1.4 实现。（2）需调整磁体构型与磁场强度，以适应鼻窦给药。药物颗粒从鼻孔至鼻窦的路径与从鼻孔至嗅区的路径显著不同，因此应相应调整磁场，以引导颗粒沿预定义路径运动。此任务可通过遵循方案 3.2.1 实现。<.......
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作者在本研究中无任何利益冲突。
本研究由中密歇根大学创新研究基金P421071和早期职业基金P622911资助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| MIMICS 13 | Materialise Inc, Ann Arbor, MI | MR 图像分割 | |
| Gambit | ANSYS Inc, Canonsburg, PA | 模型开发 | |
| ANSYS ICEMCFD | ANSYS Inc, Canonsburg, PA | 网格划分 | |
| ANSYS Fluent | ANSYS Inc, Canonsburg, PA | 流体与颗粒模拟 | |
| COMSOL Multiphsics | COMSOL Inc, Burlington, MA | 磁性颗粒示踪 |
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