我々は、CTスキャン由来の3Dプリントされた肺モデルを調整可能な空気流れプロファイルを用いて、ローブレベルで局所肺堆積を定量化するための高スループットのin vitro方法を提示する。
方法論記事
我々は、CTスキャン由来の3Dプリントされた肺モデルを調整可能な空気流れプロファイルを用いて、ローブレベルで局所肺堆積を定量化するための高スループットのin vitro方法を提示する。
肺疾患に対する標的療法の開発は、局所エアロゾルの送達を予測する能力を有する前臨床試験方法の利用可能性によって制限される。3Dプリンティングを活用して患者固有の肺モデルを生成し、小葉肺沈着を定量化するための高スループットのインビトロ実験セットアップの設計を概説する。このシステムは、市販のコンポーネントと3Dプリントされたコンポーネントの組み合わせで作られており、肺の各ローブを通る流量を独立して制御することができます。蛍光エアロゾルを各ローブに送達し、蛍光顕微鏡を用いて測定する。このプロトコルは、患者の人口統計および疾患状態の広い範囲をモデル化する能力を通じて呼吸器疾患のための個別化医療の成長を促進する可能性を有する。3Dプリントされた肺モデルの幾何学と空気流れプロファイル設定の両方を容易に変調し、年齢、人種、性別の変化を有する患者の臨床データを反映することができる。ここに示す気管内チューブのような臨床的に関連する薬物送達装置は、肺の疾患領域への治療的送達を標的とする装置の能力をより正確に予測するために、試験セットアップに組み込むことができる。この実験的なセットアップの多様性は、それが吸入状態の多数を反映するようにカスタマイズすることができ、前臨床治療試験の厳しさを高める。
肺がんや慢性閉塞性肺疾患(COPD)などの多くの肺疾患は、疾患特性の地域差を示す。しかし、肺の病気の領域にのみ薬物送達を標的にするために利用可能な治療技術の欠如がある 1.複数の計算流体動的(CFD)モデルは、肺2,3の特定の流線を特定することによって薬物堆積プロファイルを調節することができることを実証した。地域ターゲティング機能を備えた吸入器と気管内炎(ET)チューブアダプターの開発は、病気の肺領域へのエアロゾル分布を制御するために、当社の研究室で進めています。臨床使用にこれらの原則の延長は、現在の前臨床試験能力によって制限される。肺内の薬物沈着物の正確な位置は、有効性の最良の予測値であることが知られている;しかし、吸入可能な治療薬の現在の医薬品評価は、単に近似堆積物に粒子サイズのin vitro-in vivo相関を使用して最も頻繁に予測される。この手法では、空間解析を行って、肺の各種ローブを通る地域分布に対する異なる気道ジオメトリの影響を判断することはできません。さらに、このテストは解剖学的に正確な肺の幾何学を欠いている、研究者が示している堆積プロファイル5に大きな影響を与えることができる。上気道の追加を通じて、患者固有の肺形状を試験プロトコルに組み込むためのいくつかの努力がなされている。しかし、これらのアプローチのほとんどは、各肺の葉6、7、8ではなく、肺の様々な世代へのエアロゾルの送達をサンプリングする。以下のプロトコルは、肺9の5つのローブのそれぞれで相対粒子堆積を定量化する能力を有する患者固有の肺モデルを生成するハイスループット方法を提示する。
解剖学的に正確なモデルの肺は3D印刷の患者コンピュータ断層撮影(CT)スキャンによって生成される。容易に組み立てられる流動システムと組み合わせて使用する場合、各モデル肺のローブを通る相対的な流量は、独立して制御され、異なる患者の人口統計および/または疾患状態のものを模倣するように調整することができる。この方法により、研究者は、関連する肺幾何学における潜在的な治療方法の有効性をテストし、各方法の性能を疾患形態の進行と相関させることができる。ここでは、私たちの研究室で開発された2つのデバイス設計は、口や気管内のエアロゾル放出の位置を制御することによって、所望の肺ローブの堆積物を増加させる能力についてテストされています。このプロトコルはまた、患者のCTスキャンデータに特異的なモデル肺における治療有効性の迅速な予測を促進することによって、患者のためのパーソナライズされた手順の開発に大きな影響を与える可能性を有する。
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1. 3Dプリント実験部品の製造
注: プロトコルで使用されるすべてのソフトウェアは、 資料表に示されています。さらに、使用されるスライスソフトウェアは、 資料一覧に記載されている3Dプリンタに固有のものです。ただし、このプロトコルは、ステレオリソグラフィ (SLA) 3D プリンタの広い範囲に拡張することができます。
流量制御のための管システムの2.アセンブリ
患者の肺モデルが付いているローブ出口の帽子のアセンブリ
注: プロトコルのこの部分は、実験を行う前に完了する必要があります。
4. 臨床的に関連する空気流れプロファイルの生成
注: プロトコルのこの部分は、実験を行う前に完了する必要があります。
5. 肺モデルへのエアロゾルの送達
注:実験は、噴霧器によって生成されたエアロゾルへの暴露を最小限に抑えるために、サッシを閉じた状態でヒュームフードで行う必要があります。
6. アウトレットフィルターペーパーイメージング
7. 粒子蒸着の定量化
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このサイズ範囲(1~5 μm)および流れ条件(1-10 L/min)の粒子は、理論上のストークス数とインビボデータの両方に基づいて流体流れ線に従います。したがって、標的送達装置がない場合、肺モデルに放出された粒子は、各ローブに流用された全気流の割合に従って沈着することが予想される。各ローブへの粒子送達量の相対的量は、患者固有の高解像度コンピュータ断層撮影(HRCT)スキャン10を分析することによって得られた臨床ローブ流量データと比較することができる。検証された実験的セットアップは臨床空気流のプロフィールと統計的に有意な差がない非標的粒子の沈着プロフィールを生み出す。検証データは、正常な肺の1 L/分(図4A)とCOPDの影響を受ける肺の1 L/分の2つの異なるフロー条件に対して提示されます(図4B)。これらの条件の両方の下で、実験的に決定された堆積プロファイルは臨床データと統計的に異ならず、セットアップが各肺葉への空気流の分布を正確に模倣することを実証した。これらのベース...
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完全吸入量の肺薬学的検査のための現在の最新式装置は、次の発電機インコンクター(NGI)であり、エアロゾル4の空気力学的直径を測定する。このサイジングデータは、健康な成人男性11のために開発された相関関係に基づいてエアロゾルが堆積する肺の生成を予測するために使用されます。残念ながら、この方法は、地域肺堆積の違いを評価し、医薬品の送達に及ぼす疾患の影響を決定し、様々な年齢層、人種、および性別12、13、14の堆積プロファイルを予測する能力において制限される。ここで概説するプロトコルは、研究者が計算モデル3、5、15で以前に示された流体流れの挙動に基づいて、ローブレベルで相対堆積を定量化する能力を持つ調整可能で解剖学的に正確な...
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著者らは開示するものは何もない。
著者らは、ユー・フェン教授、ジェナ・ブリデル博士、イアン・ウッドワード教授、ルーカス・アティア教授の有益な議論に感謝している。
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| 名前 | 会社 | カタログ番号 | コメント |
|---|---|---|---|
| 1/4 "プラスチック有刺鉄線チューブ継手 | マクマスター | カー5372K111 | |
| 10 umフィルターペーパー | フィ | ッシャー1093-110 | |
| 1um蛍光ポリスチレン粒子 | Polysciences | 15702-10 | |
| 1um非蛍光ポリスチレン粒子 | Polysciences | 8226 | |
| 2-Propanol | Fisher | A516-4 | 参照「IPA」 |
| 3/8」プラスチック有刺鉄線管継手 | カー5372K117 | ||
| 空気流量計(1 - 280 mL /分) | マクマスターカー41695K32 | プロトコルで参照される「流量計」 | |
| カーボンM1 3Dプリンター | カーボン3D | https://www.carbon3d.com/、プロトコルで「スライスソフトウェア」 | |
| コリソンとして参照される関連ソフトウェアジェットネブライザー | CHテクノロジー | ARGCNB0008 (CN-25) | 6 ジェットMREスタイルのガラス瓶との水平衝突、プロトコルでは「ネブライザー」と呼ばれ、http://chtechusa.com/Manuals/MRE_Collison_Manual.pdf |
| 対流オーブン | ヤマト | DKN602 | |
| コプリークリティカルフローコントローラー TPK2000 Reve 120V | MSP Corp | 0001-01-9810 | プロトコルでは「フローコントローラー」と呼ばれる |
| コプリー高容量ポンプモデルHCP5 | MSPコーポレーション | 0001-01-9982 | プロトコルで「真空ポンプ」 |
| と呼ばれるCytation | BioTek | CYT5MPV | 4倍/20倍/40倍の対物レンズとDAPI/GFP/テキサスレッドレーザー/フィルターキューブEPU40樹脂カーボン3D |
| を装備した多機能分光光度計/蛍光イメージャーhttps://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/、プロトコルで「軟質樹脂」として参照 | |||
| ポンプ用 | フィルターWhatman | 6722-5000 | |
| 流量計モデルDFM 2000 | MSP Corp | 0001-01-8764 | で「電子流量計」 |
| ImageJソフトウェア | ImageJ | https://imagej.nih.gov/ij/download.html | |
| インラインエアフローコントロールバルブ(プッシュ・トゥ・コネクト) | McMaster Carr | 62005K333 | プロトコルでは「バルブ」 |
| インラインフィルターデバイス | Whatman | WHA67225000 | |
| Marine-Grade 合板シート | McMaster Carr | 62005K333 | プロトコルでは「木製ボード」と呼ばれ |
| Materialise Mimics Software | Materialise | https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite、プロトコルでは「CTスキャンソフトウェア」 | |
| Meshmixerソフトウェア | Autodesk | http://www.meshmixer.com/、プロトコルでは「メッシュ編集ソフトウェア」 | |
| メタノール | フィッシャーA454-4 | ||
| Opticure LED Cube | APM Technica | 102843 | プロトコルでは「UVオーブン」と呼ばれます |
| PR25レジン | カーボン3D | https://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate、/化学 | |
| 薬品用「 | マクマスターカー5231K161 | 1/4 "ID | |
| ネジSolidWorks | |||
| ソフトウェア | ダッソーシステムèmes SolidWorks Corporation | https://www.solidworks.com/ は、プロトコルで「3Dモデリングソフトウェア」 | |
| ストレートフロー長方形マニホールド | マクマスターカー1125T31 | ||
| チューブからフローコントローラー | マクマスターカー5233K65 | 3/8インチID | |
| ワイヤー |
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