Presentiamo un metodo in vitro ad alta produttività per quantificare la deposizione polmonare regionale a livello di lobo utilizzando modelli polmonari stampati in 3D derivati dalla TAC con profili di flusso d'aria tonnibili.
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Articolo metodologico
Valutazione della deposizione polmonare regionale utilizzando modelli polmonari stampati in 3D specifici del paziente
In questo articolo
Sommario
Abstract
Lo sviluppo di terapie mirate per le malattie polmonari è limitato dalla disponibilità di metodi di test preclinici con la capacità di prevedere l'erogazione regionale di aerosol. Sfruttando la stampa 3D per generare modelli polmonari specifici del paziente, descriviamo la progettazione di una configurazione sperimentale in vitro ad alta produttività per quantificare la deposizione polmonare lobulare. Questo sistema è realizzato con una combinazione di componenti stampati in commercio e stampati in 3D e consente di controllare in modo indipendente la portata attraverso ogni lobo del polmone. La consegna di aerosol fluorescenti a ciascun lobo viene misurata utilizzando la microscopia a fluorescenza. Questo protocollo ha il potenziale per promuovere la crescita della medicina personalizzata per le malattie respiratorie attraverso la sua capacità di modellare una vasta gamma di dati demografici dei pazienti e stati di malattia. Sia la geometria del modello polmonare stampato in 3D che l'impostazione del profilo del flusso d'aria possono essere facilmente modulate per riflettere i dati clinici per pazienti con età, razza e sesso variabili. I dispositivi di somministrazione dei farmaci clinicamente rilevanti, come il tubo endotracheale mostrato qui, possono essere incorporati nella configurazione del test per prevedere in modo più accurato la capacità di un dispositivo di indirizzare l'erogazione terapeutica in una regione masabile del polmone. La versatilità di questa configurazione sperimentale permette di personalizzarla per riflettere una moltitudine di condizioni di inalazione, esaltando il rigore dei test terapeutici preclinici.
Introduzione
Molte malattie polmonari come il cancro ai polmoni e la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) presentano differenze regionali nelle caratteristiche della malattia; tuttavia, mancano tecniche terapeutiche disponibili per indirizzare la somministrazione di farmaci solo alle regioni masmato del polmone1. Molteplici modelli di fluidodinamica computazionale (CFD) hanno dimostrato che è possibile modulare i profili di deposizione dei farmaci identificando specifiche snellenel polmone 2,3. Nello stesso laboratorio sono in corso lo sviluppo di inalatori e adattatori per tubi endotracheali....
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Protocollo
1. Preparazione di componenti sperimentali stampati in 3D
NOTA: Tutti i software utilizzati nel protocollo sono indicati nella Tabella dei Materiali. Inoltre, il software di affezione utilizzato è specifico della stampante 3D elencata nella tabella dei materiali; tuttavia, questo protocollo può essere esteso a una vasta gamma di stampanti 3D stereolitografiche (SLA).
- Convertire le scansioni CT del paziente in oggetti 3D (file stl).
NOTA: Per una discussione più dettagliata delle caratteristiche geometriche del modello polmonare specifico utilizzato in questi studi, fare riferimento a Feng et
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Risultati
Particelle in questo intervallo di dimensioni (1-5 μm) e condizioni di flusso (1-10 L/min) seguono le linee del flusso fluido in base sia al loro numero teorico di Stokes che ai dati in vivo; pertanto, in assenza di un dispositivo di consegna mirato, le particelle rilasciate nel modello polmonare dovrebbero depositarsi in base alla percentuale del flusso d'aria totale dirottato su ciascun lobo. Le quantità relative di consegna di particelle a ciascun lobo possono quindi essere confrontate con i dati clinici sulla portata.......
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Discussione
L'attuale dispositivo all'avanguardia per il test farmaceutico polmonare di una dose completa di inalazione è il Next Generator Impactor (NGI), che misura il diametro aerodinamico di un aerosol4. Questi dati di dimensionamento vengono quindi utilizzati per prevedere la generazione polmonare in cui l'aerosol si depositerà sulla base di una correlazione sviluppata per un maschio adultosano 11. Sfortunatamente, questo metodo è limitato nella sua capacità di valutare le differe.......
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Dichiarazioni
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Ringraziamenti
Gli autori ringraziano il professor Yu Feng, la dott.ssa Jenna Briddell, Ian Woodward e Lucas Attia per le loro utili discussioni.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Raccordo per tubo spinato in plastica da 1/4" McMaster | Carr | 5372K111 | |
| 10 um Carta da filtro | Fisher | 1093-110 | |
| Particelle di polistirene fluorescente da 1um | Polysciences | 15702-10 | |
| Particelle di polistirene non fluorescente da 1um | Polysciences | 8226 | |
| 2-propanolo | Fisher | A516-4 | Riferito nel protocollo come "IPA" |
| 3/8" Raccordo per tubo spinato in plastica | McMaster Carr | 5372K117 | |
| Misuratore di portata d'aria (1 - 280 mL/min) | McMaster Carr | 41695K32 | Indicato nel protocollo come "flussometro" |
| Stampante 3D in carbonio M1 Carbon | 3D | https://www.carbon3d.com/, Software associato indicato nel protocollo come "software di affettatura" | |
| Collison Nebulizzatore a getto | CH Technologies | ARGCNB0008 (CN-25) | 6 Collisione orizzontale in stile Jet MRE con barattolo di vetro, indicato nel protocollo come "nebulizzatore", forno a |
| convezione | Yamato | DKN602 | |
| Controllore di flusso critico Copley TPK2000 Reve 120V | MSP Corp | 0001-01-9810 | Indicato nel protocollo come "regolatore di flusso" |
| Pompa ad alta capacità Copley Modello HCP5 | MSP Corp | 0001-01-9982 | Indicato nel protocollo come "pompa a vuoto" |
| Cytation | BioTek | CYT5MPV | Spettrofotometro multifunzionale/imager fluorescente dotato di obiettivi 4x/20x/40x e cubi laser/filtri DAPI/GFP/TexasRed |
| EPU40 Resina | Carbonio 3D | https://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/, indicato nel protocollo come "resina morbida" | |
| Filtro per pompa a vuoto | Whatman | 6722-5000 | |
| Misuratore di portata Modello DFM 2000 | MSP Corp | 0001-01-8764 | Indicato nel protocollo come "misuratore di portata elettronico" |
| Software ImageJ | ImageJ | https://imagej.nih.gov/ij/download.html | |
| Valvola di controllo del flusso d'aria in linea (Push-to-Connect) | McMaster Carr | 62005K333 | Indicato nel protocollo come "valvola" |
| Dispositivi di filtraggio in linea | Whatman | WHA67225000 | |
| Foglio di compensato marino | McMaster Carr | 62005K333 | Indicato nel protocollo come "tavola di legno" |
| Materialise Mimics Software | Materialise | https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite, indicato nel protocollo come "software di scansione TC" | |
| Software Meshmixer | Autodesk | http://www.meshmixer.com/, indicato nel protocollo come "software di modifica mesh" | |
| Metanolo | Fisher | A454-4 | |
| Opticure LED Cube | APM | Technica | 102843 indicato nel protocollo come "forno UV" |
| PR25 Resina | di carbonio 3D | https://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate, /Indicato nel protocollo come "resina dura" | |
| Tubo in PVC per prodotti chimici | McMaster Carr | 5231K161 | 1/4" |
| Viti | |||
| SolidWorks Software | Dassault Systè mes SolidWorks Corporation | https://www.solidworks.com/, indicato nel protocollo come "software di modellazione 3D" | |
| Collettore rettangolare a flusso dritto | McMaster Carr | 1125T31 | |
| Tubo al controller di flusso | McMaster Carr | 5233K65 | 3/8" |
| ID Wire |
Riferimenti
- 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).
- Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Li, Z., Roberts, W. L., Rojas, C.
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Ristampe e permessi
Tag
Modelli polmonari stampati in 3DModelli polmonari specifici per pazienteSomministrazione di aerosol fluorescenteControllo della portataMicroscopia a fluorescenzaTest di tubi endotrachealiAssemblaggio del tappo di uscita del loboGenerazione di aerosol tramite nebulizzatoreDeposizione su carta da filtro
