Lo sviluppo di polveri secche farmaceutiche richiede test affidabili in vivo , spesso utilizzando un modello murino. La tecnologia dei dispositivi per erogare in modo accurato e riproducibile aerosol di polvere secca ai topi è limitata. Questo studio presenta dosatori monouso per la somministrazione polmonare di farmaci a dosi rilevanti per il topo, aiutando la ricerca iniziale proof-of-concept.
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Articolo metodologico
Dosatori monouso destinati alla somministrazione di polvere secca ai topi
In questo articolo
Sommario
Abstract
Gli inalatori a polvere secca offrono numerosi vantaggi per la somministrazione di farmaci ai polmoni, tra cui formulazioni stabili di farmaci allo stato solido, portabilità del dispositivo, dosaggio e dosaggio del bolo e un meccanismo di dispersione senza propellente. Per sviluppare prodotti aerosol farmaceutici in polvere secca, sono essenziali solidi test in vivo . In genere, gli studi iniziali prevedono l'utilizzo di un modello murino per la valutazione preliminare prima di condurre studi formali su specie animali più grandi. Tuttavia, un limite significativo in questo approccio è la mancanza di una tecnologia di dispositivi adatta per fornire in modo accurato e riproducibile polveri secche a piccoli animali, ostacolando l'utilità di tali modelli. Per affrontare queste sfide, sono stati sviluppati dosatori a siringa monouso specificamente per la somministrazione intrapolmonare di polveri secche in dosi appropriate per i topi. Questi dosatori caricano ed erogano una quantità predeterminata di polvere ottenuta da un letto di polvere a densità apparente uniforme. Questo controllo discreto si ottiene inserendo un ago smussato a una profondità fissa (pressatura) nel letto di polvere, rimuovendo ogni volta una quantità fissa. In particolare, questo modello di dosaggio si è dimostrato efficace per una gamma di polveri atomizzate. In esperimenti che hanno coinvolto quattro diversi modelli di polveri atomizzate, i dosatori hanno dimostrato la capacità di raggiungere dosi comprese tra 30 e 1100 μg. La dose raggiunta è stata influenzata da fattori quali il numero di press, la dimensione dell'ago dosatore e la formulazione specifica utilizzata. Uno dei principali vantaggi di questi dosatori è la loro facilità di produzione, che li rende accessibili ed economici per la somministrazione di polveri secche ai topi durante gli studi iniziali proof-of-concept. La natura monouso dei dosatori facilita l'uso nelle sale di procedura per animali, dove la pulizia e il riempimento dei sistemi riutilizzabili e dei materiali di pesatura sono scomodi. Pertanto, lo sviluppo di dosatori di siringhe monouso ha affrontato un ostacolo significativo nella somministrazione di polvere secca murina per studi proof-of-concept, consentendo ai ricercatori di condurre studi preliminari più accurati e riproducibili in piccoli modelli animali per la somministrazione polmonare di farmaci.
Introduzione
L'uso di inalatori a polvere secca (DPI) per la somministrazione polmonare di farmaci ha suscitato un notevole interesse negli ultimi tre decenni a causa dell'eliminazione graduale globale dei propellenti clorofluorocarburi 1,2. I DPI offrono numerosi vantaggi rispetto ad altri sistemi di somministrazione polmonare, come gli inalatori e i nebulizzatori dosati, tra cui la stabilità della formulazione, la portabilità, la facilità d'uso e i meccanismi di dispersione senza propellente2. Tuttavia, prima di passare ai prodotti DPI verso la traduzione clinica, è necessario condurre diversi studi preclinici, molti dei quali vengono inizialmente completati utilizzando un modello murino. Ciononostante, le tecnologie disponibili per fornire polveri secche in modo accurato e riproducibile ai piccoli animali sono limitate.
I metodi comuni per somministrare polveri secche a piccoli animali, come i topi, includono l'inalazione passiva 3,4,5,6,7 e la somministrazione diretta 8,9,10,11,12,13. L'inalazione passiva richiede in genere una camera personalizzata che utilizza grandi dosi di polvere atomizzata per preparare una nuvola di aerosol sufficiente. Poiché i topi sono obbligati a respirare il naso14, la somministrazione per inalazione passiva richiede che la polvere viaggi attraverso il naso e la gola per raggiungere i polmoni, rendendo necessario il mantenimento di una nuvola di aerosol con sufficienti proprietà aerodinamiche delle particelle 7,8. Sebbene sia una tecnica utile e fisiologicamente più rilevante rispetto alla somministrazione diretta dovuta all'inalazione a seguito di una normale respirazione14, potrebbe non essere adatta per studi iniziali in cui la massa di polvere è limitata.
In alternativa, sono stati segnalati un certo numero di dispositivi di rilascio intratracheale per la somministrazione diretta di polvere secca 8,9,10,11,12,13. I dispositivi intratracheali bypassano il naso e la gola, erogando la polvere direttamente ai polmoni e consentendo un controllo più preciso sulla dose erogata14. Inoltre, alcuni dispositivi, in particolare quelli preparati utilizzando una procedura di caricamento di pressatura9, possono essere preparati con quantità inferiori, il che è una considerazione importante per gli studi di prova iniziali di prova. La mancanza di dispositivi di somministrazione intratracheale universalmente disponibili ne ha ostacolato il potenziale d'uso, limitandone la disponibilità e portando a differenze interlaboratorio14. In questo studio, proponiamo un dosatore monouso semplice, economico e per la somministrazione intratracheale che può essere utilizzato per studi murini proof-of-concept nello sviluppo di aerosol in polvere secca.
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Protocollo
Tutti gli esperimenti sugli animali sono stati condotti in conformità con la legge sul benessere degli animali e la politica del servizio sanitario pubblico sulla cura umana e l'uso degli animali da laboratorio. Il protocollo di studio è stato approvato dall'Institutional Animal Care and Use Committee dell'Health Science Center dell'Università del Tennessee. A topi BALB/c femmine sane, di ~6-8 settimane, è stato somministrato il contenuto di polvere secca di un dosatore mediante somministrazione di aerosol intrapolmonare per uno studio di farmacocinetica utilizzando polveri secche di spectinamide 15999. Gli animali sono stati ottenuti da una fonte commerciale (vedi Tabella dei materiali).
1. Preparazione del dosatore e dei componenti di riempimento
- Tagliare la porzione di luer di plastica di un ago smussato in acciaio inossidabile da 2.54 cm (1 pollice) (21-25 G) utilizzando una sega sezionatrice di precisione (vedere la tabella dei materiali) o una levigatrice a nastro fino a quando rimangono 2-3 mm del luer di plastica (Figura 1A e Figura 2A).
NOTA: Se si utilizza una levigatrice a nastro, potrebbe essere necessario pulire l'ago in acciaio inossidabile utilizzando un ago o un filo più piccolo per rimuovere le possibili ostruzioni create. - Tagliare la punta (1-1,5 cm) di una provetta da centrifuga conica da 0,6 mL. Riempire la punta del tubo con 30-35 mg di polvere.
NOTA: Vedere i risultati rappresentativi per i dettagli delle polveri di esempio utilizzate per il presente studio. Le prestazioni dell'aerosol in polvere devono essere valutate prima dell'uso in questa applicazione seguendo la metodologia standard come descritto nel capitolo generale USP <601> (vedere la tabella dei materiali). - Se si conserva e/o si trasporta la polvere, utilizzare il tappo del tubo (tagliato) per chiudere il flaconcino. Sigillare con pellicola di paraffina per ridurre al minimo l'esposizione della polvere all'umidità ambientale durante lo stoccaggio e/o il trasporto.
2. Caricamento e assemblaggio dei dosatori
- Inserire l'ago in acciaio inossidabile tagliato nel letto di polvere nella punta della provetta da centrifuga conica da 0,6 mL tutte le volte necessarie per ottenere la dose desiderata (Figura 2B). Pulire delicatamente i lati dell'ago in acciaio inossidabile con un tergicristallo a basso contenuto di lanugine per rimuovere la polvere in eccesso (Figura 3).
- Inserire delicatamente l'ago in acciaio inossidabile caricato in un ago in polipropilene da 3,81 cm (1,5 pollici) o in un ago in politetrafluoroetilene (PTFE) da 5,08 cm (2 pollici) (16-20 G) (vedere la tabella dei materiali) per evitare che la polvere si sposti (Figura 1B, C e Figura 2C).
3. Dosatori di azionamento
- Riportare una siringa monouso al volume desiderato, che può variare in base all'applicazione.
NOTA: Per la somministrazione intrapolmonare nei topi, 0,15-0,6 mL è in genere appropriato 8,9. - Collegare la siringa al luer lock dell'ago in polipropilene o PTFE (Figura 2D).
- Inserire l'estremità dell'ago del dosatore nel target desiderato. Per analizzare il contenuto e la riproducibilità della polvere, inserire l'ago attraverso un setto di gomma perforato o un film di paraffina in una fiala contenente una piccola quantità (ad es. 1-5 mL) di acqua e/o solvente organico (ad es. etanolo), con identità e volume del solvente dipendenti dalle caratteristiche fisiche del principio farmaceutico attivo (API) e dal metodo di quantificazione.
- Per la somministrazione ai topi, inserire l'ago fino alla prima biforcazione bronchiale della trachea dei topi anestetizzati seguendo i protocolli stabiliti 9,15.
- Premere con forza la siringa, espellendo la polvere dal dispositivo nel flaconcino di raccolta (Figura 2E).
NOTA: La stessa tecnica deve essere seguita per la somministrazione della polvere ai polmoni del murina. - Per analizzare il contenuto e la riproducibilità del flaconcino di raccolta, utilizzare un metodo analitico appropriato per l'API specifico, come la spettrofotometria UV-visibile (UV-Vis) o la cromatografia liquida ad alte prestazioni (HPLC).
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Risultati
Le prestazioni dell'aerosol di varie polveri atomizzate sono state stabilite prima dell'uso in questo studio. La distribuzione granulometrica aerodinamica (APSD) è stata descritta dal diametro aerodinamico mediano di massa (MMAD), che rappresenta la dimensione che divide la distribuzione in due al 50° percentile (d50), e dalla deviazione standard geometrica (GSD), che riflette l'ampiezza della distribuzione. Il GSD è definito dalla radice quadrata del diametro aerodinamico all'80° percentile diviso ...
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Discussione
Poiché i topi sono obbligati a respirare con il naso, la somministrazione tramite inalazione passiva per gli studi iniziali proof-of-concept rende difficile l'efficienza e la stima della dose in quanto la polvere deve passare attraverso il naso e la gola in un modo che dipende dalle proprietà delle particelle e dall'efficienza di dispersione della polvere 7,8,14. L'uso dei dosatori qui sviluppati bypassa il naso e la go...
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Dichiarazioni
Gli autori dichiarano di non avere alcun conflitto di interessi.
Ringraziamenti
Gli autori desiderano riconoscere il finanziamento del National Institutes of Health (R01AI155922). La microscopia è stata eseguita presso il Chapel Hill Analytical and Nanofabrication Laboratory (CHANL), un membro della North Carolina Research Triangle Nanotechnology Network, RTNN, che è sostenuta dalla National Science Foundation, Grant ECCS-1542015, come componente della National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, NNCI.
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Materiali
| Nome | Azienda | Numero di catalogo | Commenti |
|---|---|---|---|
| Provette per microcentrifuga da 0,6 mL | Fisher Scientific | 05-408-120 | |
| Bilancia analitica | Mettler Toledo | AR1140 | È possibile utilizzare qualsiasi bilancia analitica con portata sufficiente |
| Ago smussato in acciaio inossidabile, 1 pollice, 21 G | McMaster-Carr | 75165A681 | |
| Ago smussato in acciaio inossidabile, 1 pollice, 22 G | McMaster-Carr | 75165A683 | |
| Ago smussato in acciaio inossidabile, 1 pollice, 25 G | McMaster-Carr | 75165A687 | |
| Siringa monouso con luer lock (1 mL) | possono usare anche siringhe | Fisher Scientific | 14-823-30 |
| Topi femmina BALB/c | Charles River, Wilmington, MA, USA | ||
| Impattatore a cascata ad alte prestazioni | Apparato di impattazione di nuova generazione | 5 | |
| Pellicola da laboratorio (ad es. Parafilm) | Fisher Scientific | S37440 | |
| Tergicristallo a basso contenuto di lanugine (ad es. Kimwipes) | Kimberly-Clark Professional | 34133 | |
| Inalatore di polvere secca a bassa resistenza | RS01 mod 7 | ||
| Ago in polipropilene, 1,5 pollici, 16 G | McMaster-Carr | 6934A111 | |
| Ago in polipropilene, 1,5 pollici, 18 G | McMaster-Carr | 6934A53 | |
| Ago in polipropilene, 1,5 pollici, 20 G | McMaster-Carr | 6934A55 | |
| Sezionatrice di precisione | TedPella | 812-300 | La levigatrice a nastro può essere utilizzata in alternativa |
| Ago PTFE, 2 pollici, 20 G | McMaster-Carr | 75175A694 | |
| USP Capitolo Generale < 601> | http://www.uspbpep.com/usp31/v31261/usp31nf26s1_c601.asp |
Riferimenti
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- Maloney, S. E., Mecham, J. B., Hickey, A. J. Performance testing for dry powder inhaler products: towards clinical relevance. KONA Powder and Particle Journal. 40, 172-185 (2023).
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- Fiegel, J., et al. Preparation and in vivo evaluation of a dry powder for inhalation of capreomycin. Pharmaceutical Research. 25 (4), 805-811 (2008).
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Ristampe e permessi
