Modélisation et simulations de Olfactive Drug Delivery avec les contrôles passifs et actifs de inhalés par voie nasale pharmaceutiques Aérosols

L’objectif global de cette méthodologie est de développer différents protocoles pour administrer des médicaments dans la région olfactive dans des modèles de voies respiratoires nasales basés sur l’image. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés dans l’attaque de l’administration neurologique de médicaments, telles que : Est-il possible d’administrer une dose adéquate à la région olfactive. Comment contrôler les mouvements des particules dans le nez.

Quelle est la bonne pratique pour le ciblage olfactif ? Le principal avantage de cette technique est qu’il est possible d’obtenir un dosage olfactif considérablement amélioré. Il s’agit d’une étape critique pour l’administration de médicaments du nez au cerveau.

L’implication de cette technique s’étend au traitement des tumeurs cérébrales. Étant donné que les particules de médicament déposées dans la région olfactive peuvent pénétrer directement dans le cerveau. Commencez par acquérir des images par résonance magnétique, ou IRM, d’un homme de 53 ans en bonne santé et non-fumeur, qui consistent en 72 sections efficaces coronales espacées de 1,5 millimètre allant des narines au nasopharynx.

Ouvrez le logiciel d’imagerie et importez les images MR en cliquant sur Fichier, Importer des images. Sélectionnez les images MR et cliquez OK.To construire le modèle 3D, cliquez sur Segmentation, puis sur Seuil. Pour définir la plage d’niveaux de gris entre moins 1024 et moins 419.

Cliquez sur Segmentation et calculer 3D. Ensuite, cliquez sur Segmentation et calculer les polylignes. Sélectionnez le corps 3D et cliquez sur OK pour générer les polylignes qui définissent la géométrie solide.

Exportez les polylignes sous forme de fichier IGES. Maintenant, ouvrez le logiciel de développement de modèles et cliquez sur Fichier, Importer et IGES pour importer le fichier IGES dans le programme. Ensuite, cliquez sur le bouton Commande d’arête dans le panneau de droite, cliquez sur Créer une arête et sélectionnez NURBS pour reconstruire des contours lisses.

Cliquez sur le bouton Commande du visage, puis sur Former le visage. Sélectionnez Filaire pour construire une surface à partir d’arêtes. Continuez à construire toutes les surfaces qui couvrent toutes les voies respiratoires.

Conservez les détails anatomiques nasaux tels que la luette, le pli épiglottal et le sinus laryngé. Cliquez sur Fichier, Exporter, IGES pour exporter le modèle des voies respiratoires nasales. Ensuite, ouvrez le logiciel de maillage.

Cliquez sur Fichier, Importer la géométrie, Hérité et STEPIES pour importer le modèle des voies respiratoires nasales. Cliquez sur Créer des pièces pour diviser les surfaces des voies respiratoires en cinq régions différentes : le vestibule nasal, la valve nasale, la région des cornets, l’olfactif et le nasopharynx. Générez un maillage de calcul à l’intérieur des voies respiratoires en cliquant sur Maillage et Configuration globale du maillage.

Spécifiez la taille de maille maximale de 0,1 millimètre et cliquez sur Appliquer. Enfin, ajoutez un maillage ajusté au corps dans la région proche du mur en cliquant sur Calculer le maillage, Maillage de prisme. Spécifiez le nombre de couches à cinq et le rapport d’expansion à 1,25, puis cliquez sur Appliquer.

Commencez par ouvrir le logiciel de développement de modèle pour développer le modèle nasal avec intubation vestibulaire avant. Cliquez sur Volume, puis sur Déplacer la copie pour modifier l’emplacement du cathéter du nébuliseur à cinq millimètres dans le vestibule à partir de l’extrémité de la narine. Cliquez sur Injection pour libérer 150 nanomètres de particules dans la narine.

Ensuite, ouvrez le logiciel de simulation de fluide pour calculer les taux de dépôt de particules à l’intérieur du nez. Pour calculer le champ d’écoulement d’air à l’intérieur des voies respiratoires, sélectionnez le modèle d’écoulement laminaire en cliquant sur Définir, Modèles, Viqueux, puis choisissez Laminaire sous Modèle visqueux. Pour suivre les mouvements des particules, sélectionnez le modèle de phase discrète.

Cochez la case Force de portance de Saffman sous Modèle de phase discrète, cliquez sur Rapport, puis choisissez Exemples de trajectoires. Pour trouver le nombre de particules déposées dans la région olfactive prédéfinie, sélectionnez Nasal sous Limites, puis cliquez sur Calculer. Calculez le taux de dépôt comme étant le rapport entre la quantité de particules déposées et la quantité de particules pénétrant dans les narines.

Ensuite, développez le modèle nasal avec intubation vestibulaire arrière. Effectuez la même procédure qu’avec l’avant. Cliquez sur Volume, puis sur Déplacer la copie pour modifier l’emplacement du cathéter de nébulisation à cinq millimètres dans le vestibule à partir de la narine arrière.

Cliquez sur Injection pour libérer 150 nanomètres de particules dans la narine. Procédez à l’intubation profonde en insérant le cathéter du nébuliseur juste sous la région olfactive. Libérez 150 nanomètres de particules du nébuliseur.

Utilisez un logiciel de fluide et de simulation pour calculer les taux de dépôt de particules à l’intérieur du nez sur des bases totales et locales en suivant des procédures similaires à celles utilisées pour l’intubation vestibulaire. Enfin, répétez l’intubation profonde tout en exerçant respectivement l’apnée et l’expiration. Cliquez sur Définir, puis sur Conditions aux limites pour ouvrir le panneau Condition aux limites.

Spécifiez une vitesse nulle aux deux narines pour retenir la respiration. Spécifiez une pression de vide de 200 pascals au niveau des narines et une pression nulle à la sortie de l’expiration. Commencez par ouvrir le logiciel de suivi par particules magnétiques.

Cliquez sur Géométrie et Rectangle pour construire le canal à deux plaques. Cliquez sur Rectangle pour construire les aimants autour du canal à deux plaques. Calculez les trajectoires des particules et le taux de dépôt en cliquant sur Modèle 1, Flux laminaire et Entrée 1.

Ensuite, spécifiez la vitesse d’entrée de 0,5 mètre par seconde. Cliquez sur Modèle 1, Champs magnétiques et Conservation du flux magnétique et spécifiez l’intensité des trois aimants. Cliquez sur Modèle 1, Suivi des particules pour l’écoulement des fluides et Propriétés des particules.

Spécifiez le diamètre et la densité des particules, puis cliquez sur Entrée pour libérer 3 000 particules et pour spécifier la perméabilité relative des particules, cliquez sur Force magnétophorétique et calcul. Pour savoir combien de particules se déposent dans la zone sélectionnée, cliquez sur Résultats, Groupe de tracé 1D et Parcelle. Calculez le taux de dépôt comme le rapport entre la quantité de particules déposées dans une certaine zone et la quantité de particules entrant dans la géométrie.

Ensuite, pour régler l’intensité de l’aimant, cliquez sur Modèle 1, puis sur Champs magnétiques. Choisissez Conservation du flux magnétique et modifiez la force de l’aimant sous Magnétisation. Augmentez la force de l’aimant d’un fois dix au quatrième ampères par mètre et cliquez sur Calculer.

Commencez par appliquer les forces magnétiques récemment obtenues dans un modèle de nez 2D en plaçant trois aimants à un millimètre au-dessus du nez. Cliquez sur Modèle 1, Géométrie 1, pour spécifier la taille et la position de l’aimant. Ensuite, cliquez sur Modèle 1, Suivi des particules pour l’écoulement des fluides et Entrée pour libérer 3 000 particules dans la narine gauche.

Cliquez sur Propriétés des particules pour spécifier la taille des particules de 15 micromètres. Simulez les trajectoires des particules et l’efficacité de la distribution olfactive en cliquant sur Modèle 1, Flux laminaire et Entrée 1. Spécifiez la vitesse d’entrée de 0,5 mètre par seconde.

Cliquez sur Modèle 1, Champs magnétiques et Conservation du flux magnétique et spécifiez l’intensité des trois aimants. Enfin, ajustez la disposition et la force de l’aimant pour améliorer l’efficacité de la diffusion olfactive. Pour ajuster la taille et la position de l’aimant, cliquez sur Modèle 1, puis sur Géométrie 1, puis sur l’aimant qui vous intéresse et sur les valeurs de largeur, de profondeur, de hauteur ou de X, Y et Z.Ajustez la force de l’aimant en cliquant sur Modèle 1, puis sur Champs magnétiques.

Choisissez Conservation du flux magnétique et modifiez la force de l’aimant sous Magnétisation. Augmentez la force de l’aimant d’un incrément d’un fois dix jusqu’au quatrième ampères par mètre, puis cliquez sur Calculer. Après avoir terminé les tests dans le modèle 2D, importez le modèle 3D des voies respiratoires nasales dans un logiciel de suivi des particules magnétiques.

Comme pour le modèle de nez 2D, placez quatre aimants à un millimètre au-dessus du nez et libérez 3 000 particules de 15 micromètres de diamètre à partir d’un point sélectionné. Utilisez un logiciel de suivi des particules magnétiques pour suivre les trajectoires des particules et calculer l’efficacité de la distribution olfactive en suivant des procédures similaires mentionnées précédemment. En suivant la même procédure que précédemment, ajustez la disposition et la force de l’aimant dans le modèle 3D pour améliorer la livraison de la cible à la région olfactive.

Enfin, testez la taille des particules allant d’un à 30 micromètres pour trouver la bonne taille de particule pour un guidage magnétophorétique optimal vers la région olfactive. Les dispositifs nasaux conventionnels délivrent souvent de très faibles doses de médicaments à la région olfactive en raison de la structure compliquée du nez. Pour l’intubation vestibulaire, il existe un fort jedifact de libération de particules immédiatement en aval du nasal.

Comme prévu, plus de particules de médicament sont délivrées dans la région olfactive avec l’intubation frontale que derrière, pour les particules de 150 nanomètres et d’un micromètre. Pour évaluer les performances du guidage magnétophorétique, un canal à deux plaques a été utilisé pour déterminer la force de l’aimant de travail, suivi d’un modèle de nez 2D idéalisé pour trouver une disposition d’aimant de base, puis d’un modèle de nez 3D basé sur une image pour tester les performances. Le dosage olfactif optimal provient d’aérosols de l’ordre de 13 à 17 micromètres.

Une fois maîtrisée, cette technique peut être bien réalisée en deux jours, si elle est menée correctement. Lors de la tentative de cette procédure, il est important de se rappeler que les procédures peuvent prendre plus de temps pour les géométries complexes. Suite à cette procédure, d’autres méthodes telles que l’électroguidage des particules chargées peuvent également être testées afin de déterminer si les particules chargées peuvent être utilisées pour une administration olfactive efficace de médicaments.

Après ce développement, cette technique a ouvert la voie aux chercheurs dans le domaine de l’administration ciblée de médicaments pour explorer l’utilisation du champ magnétique dans les poumons ou d’autres organes. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’améliorer l’administration de médicaments et de réaliser des simulations avec Fluent et Comsol.