Bewertung der regionalen Lungenabscheidung mit patientenspezifischen 3D-gedruckten Lungenmodellen

Dieses Protokoll hat das Potenzial, die Entwicklung neuer zielgerichteter Lungentherapeutika voranzutreiben, indem es die präklinische Vorhersage der regionalen Ablagerung ermöglicht. Diese Technik umfasst anatomisch genaue Lungenmodelle, die aus den CT-Scans der Patienten in 3D gedruckt werden, um schnell personalisierte prädiktive Ergebnisse zur Wirksamkeit potenzieller Behandlungen zu erhalten. Diese Technik kann verwendet werden, um zielgerichtete Therapien zu entwickeln, die Off-Target-Effekte bei Krankheiten minimieren, die durch regionale Flächenobstruktionen gekennzeichnet sind, wie Lungenkrebs oder COPD.

Nach dem Drucken der experimentellen Komponenten und dem Abschluss der Nachbearbeitung gemäß den Anweisungen des Herstellers waschen Sie die gedruckten Teile vorsichtig in weichem Harz mit Isopropylalkohol mit einer Reinheit von mindestens 99 %, um überschüssiges nicht ausgehärtetes Harz zu entfernen, bevor Sie die Teile acht Stunden lang in einem Konvektionsofen gemäß den Herstellerangaben thermisch aushärten. Waschen Sie dann die in hartem Harz gedruckten Teile mit dem Alkohol, um überschüssiges, nicht ausgehärtetes Harz zu entfernen, und härten Sie die Teile eine Minute pro Seite in einem UV-Ofen aus. Führen Sie für die Montage der Keulenauslasskappe ein Ende der ovalen Verbindungsbasis für den Stachelschlauch in die Kappe ein, bevor Sie die flexible Kappe vorsichtig über das andere Ende der ovalen Basis spannen, wobei Sie besonders darauf achten, dass die dünne Basis nicht reißt und die Düse durch die Öffnung im Kappenboden herausragt.

Schneiden Sie dann 10 Mikroliter Filterpapier auf eine Größe zu, die etwas größer als der Auslassbereich ist, und falten Sie das Filterpapier über den Düsenauslass, wobei Sie das Papier mit einer Hand festhalten. Ziehen Sie dann mit einer Pinzette in der anderen Hand die Kappe mit dem Stachelschlauchanschluss über den Auslass und drücken Sie die Kappe nach unten, bis die Kerbe mit der entsprechenden Kerbe am Keulenauslass übereinstimmt. Verbinden Sie vor jedem Versuchslauf jeden Lungenkeulenausgang mit den Schläuchen des entsprechenden Durchflussmessers und Ventils und achten Sie darauf, nicht zu viel seitlichen Druck auf den Anschluss des Stachelschlauchs auszuüben.

Befestigen Sie den elektronischen Durchflussmesser am Mundeinlass des Lungenmodells, um den Gesamtluftstrom zum Lungenmodell zu messen, und schalten Sie den Durchflussregler und die Vakuumpumpe ein. Wählen Sie im Durchflussregler die Einstellung für den Versuchsaufbau und erhöhen Sie die Durchflussmenge langsam, bis der elektronische Durchflussmesser die gewünschte Gesamtdurchflussmenge anzeigt. Verwenden Sie die Ventile, um die Flussrate durch den rechten oberen, rechten, mittleren, rechten, unteren, linken oberen und linken unteren Lungenlappen einzustellen.

Sobald die auf den Durchflussmessern angezeigten Lastdurchflüsse konstant auf dem gewünschten Wert liegen, überprüfen Sie die Gesamtdurchflussrate erneut am elektronischen Durchflussmesser, um sicherzustellen, dass das System keine Lecks aufweist. Verlassen Sie dann den Testaufbau im Durchflussregler und lassen Sie die Vakuumpumpe eingeschaltet. Für die Aerosolabgabe an das Lungenmodell füllen Sie einen Vernebler mit einer Lösung der gewünschten fluoreszierenden Partikel und verbinden Sie den Vernebler mit dem Einlass des Lungenmodells.

Um die Wirksamkeit des Zielgeräts zu messen, setzen Sie das Gerät in das Lungenmodell ein und verbinden Sie den Vernebler mit dem Gerät. Verbinden Sie die komprimierte Luftleitung mit dem Vernebler. Stellen Sie den Durchflussregler auf einen zehnsekündigen Versuch ein und öffnen Sie das Druckluftventil leicht, um mit der Erzeugung eines Aerosols im Vernebler zu beginnen.

Drücken Sie Start am Durchflussregler und öffnen Sie das Druckluftventil sofort vollständig. Wenn der Durchflussregler etwa neun Sekunden erreicht hat, schließen Sie das Druckluftventil und schließen Sie den Abzugsflügel so weit wie möglich. Sobald das Ventil vollständig geschlossen ist, trennen Sie den Vernebler von der komprimierten Luftleitung.

Schließen Sie den Abzugsflügel vollständig, schalten Sie die Vakuumpumpe aus und lassen Sie alle Aerosole aus dem Abzug austreten. Trennen Sie nach etwa 10 Minuten das Lungenmodell vom Schlauchsystem, achten Sie darauf, dass die Widerhakenschlauchverbindungen nicht reißen, und führen Sie eine Pinzette unter den Rand jeder Ohrläppchenauslasskappe, um die Kappen von den Auslässen zu entfernen. Übertragen Sie dann das Filterpapier von jeder Kappe in einzelne Vertiefungen einer 24-Well-Platte, die Partikel mit der Vorderseite nach unten abscheiden.

Wenn das gesamte Filterpapier aufgefangen ist, stellen Sie die Platte auf den Tisch eines digitalen Fluoreszenzmikroskops und stellen Sie das Mikroskop auf eine 4-fache Vergrößerung und den entsprechenden Fluoreszenzkanal ein. Nehmen Sie dann mindestens drei Bilder des Filterpapiers von jeder Keule an zufälligen Stellen und speichern Sie die Bilder als TIF-Dateien. Unter Entnahmebedingungen von einem Liter pro Minute in einer gesunden Lunge, die durch COPD beendet wurde, unterscheidet sich das experimentell ermittelte Ablagerungsprofil statistisch nicht von den klinischen Daten, die zeigen, dass der Aufbau die Verteilung des Luftstroms zu jedem der Lungenlappen genau nachahmt.

Im Vergleich zum nicht zielgerichteten Partikelabscheidungsprofil führt die Verwendung eines modifizierten Endotrachealtubus zu einer fast vierfachen Steigerung der Abgabe des linken Unterlappens. Zusätzlich zur Umleitung von über 96% der abgegebenen Partikel in die linke Lunge. Durch die Änderung der Einstellung des Freisetzungsortes, um auf den rechten unteren Lappen abzuzielen, erzeugt dieses Gerät mehr als die doppelte Partikelabgabe an den rechten Lappen und leitet 94 % der abgegebenen Partikel in die rechte Lunge um.

Im Vergleich zum nicht zielgerichteten Partikelabscheidungsprofil bewirkt die konzentrische Zylindervorrichtung eine fast dreifache Erhöhung der Abgabe im linken Oberlappen und leitet über 87 % der abgegebenen Partikel in die linke Lunge um. Die Targeting-Effizienz kann auch qualitativ beobachtet werden, indem die Bilder des Zielkeulenfilters mit den anderen Auslassfiltern verglichen werden. Wie dargestellt, führt die effektivste Targeting-Methode zu einer hohen Partikelabscheidung an der beabsichtigten Keule von Interesse und zu einer geringen Abscheidung an den verbleibenden Keulenauslässen.

Es ist wichtig, sicherzustellen, dass die Komponenten ordnungsgemäß angeschlossen sind, um Lecks im System zu vermeiden, da Lecks die Abscheidungsergebnisse beeinträchtigen. Dieses Protokoll ermöglicht es Forschern, potenzielle Wirkstoffverabreichungsgeräte für bestimmte Regionen der Lunge vor klinischen Studien zu testen, wodurch die Kosten für die Arzneimittelentwicklung und die Wirksamkeitssteigerung bei menschlichen Patienten gesenkt werden.