CT 스캔 파생, 3D 프린팅 폐 모델을 튜닝 가능한 공기 흐름 프로파일을 사용하여 로브 수준에서 지역 폐 증착을 정량화하는 고처리량, 시험관 내 방법을 제시한다.
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이 논문에서
요약
초록
폐 질환에 대한 표적 치료법의 개발은 지역 에어로졸 전달을 예측할 수 있는 전임상 시험 방법의 가용성에 의해 제한됩니다. 3D 프린팅을 활용하여 환자 전용 폐 모델을 생성하여, 우리는 lobular 폐 증착을 정량화하기 위한 높은 처리량, 시험관 내 실험 설정의 설계를 간략하게 설명합니다. 이 시스템은 시판되는 3D 인쇄 성분의 조합으로 만들어졌으며 폐의 각 엽을 통한 유속이 독립적으로 제어될 수 있게 합니다. 각 엽에 형광 에어로졸의 전달은 형광 현미경 검사를 사용하여 측정된다. 이 프로토콜은 광범위한 환자 인구 통계 및 질병 상태를 모델링하는 능력을 통해 호흡기 질환에 대한 개인화 된 의학의 성장을 촉진 할 수있는 잠재력을 가지고 있습니다. 3D 프린팅 폐 모델의 기하학과 공기 흐름 프로파일 설정은 다양한 연령, 인종 및 성별을 가진 환자를 위한 임상 데이터를 반영하도록 쉽게 변조될 수 있다. 여기에 도시된 엔타락힐 튜브와 같은 임상적으로 관련된 약물 전달 장치는, 폐의 병들 영역으로 치료 전달을 표적으로 하는 장치의 용량을 보다 정확하게 예측하기 위해 시험 설정에 통합될 수 있다. 이 실험 용 설정의 다재다능함은 다양한 흡입 조건을 반영하도록 사용자 정의 할 수 있으며 전임상 치료 테스트의 엄격함을 향상시킵니다.
서론
폐암과 만성 폐쇄성 폐질환(COPD)과 같은 많은 폐질환은 질병 특성에 있어서 지역적 차이를 나타낸다. 그러나, 폐1의병들인 부위에만 약물 전달을 표적으로 하는 치료 기술의 부족이 있다. 다중 전산 유체 동적(CFD) 모델은 폐2,3에서특정 유선형을 식별하여 약물 증착 프로파일을 조절할 수 있음을 입증하였다. 지역 타겟팅 기능을 갖춘 흡입기및 엔노트라큐어(ET) 튜브 어댑터의 개발은 병든 폐 부위에 에어로졸 분포를 제어하기 위해 실험실에서 진행되고 있습니다. 임상 사용에 이러한 원칙의 확장은 현재 전임상 테스트 용량에 의해 제한됩니다. 정확한 위치는 폐 내의 약물 침전물이 효능의 가장 좋은 예측변수로 알려져 있습니다. 그러나, 현재 의약학적 평가는 입자 크기의 생체내 상관관계를 단지 근사적 증착4로이용하여 가장 자주 예측된다. 이 기술은 폐의 다양한 엽을 통해 지역 분포에 대한 다른 기도 형상의 효과를 결정하는 공간 분석을 허용하지 않습니다. 추가적으로, 이 시험은 해부학적으로 정확한 폐 기하학이 결여되어, 연구원은 증착 단면도5에중요한 영향을 미칠 수 있는 보....
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프로토콜
1. 3D 인쇄 실험 부품의 준비
참고: 프로토콜에 사용되는 모든 소프트웨어는 재료 표에표시됩니다. 또한 활용되는 슬라이싱 소프트웨어는 재료 표에나열된 3D 프린터에 특정합니다. 그러나 이 프로토콜은 광범위한 스테레오리소그래피(SLA) 3D 프린터로 확장할 수 있습니다.
- 환자 CT 스캔을 3D 개체(.stl 파일)로 변환합니다.
참고: 이러한 연구에서 사용되는 특정 폐 모델의 기하학적 특징에 대한 보다 자세한 설명은 Feng 외5를참조하십시오.- CT 스캔 소프트웨어를 사용하여 CT 스캔을 3D 개체로 렌더링합니다(재료 표참조). CT 스캔을 열고 -800에서 -1000 범위의 설정이 있는 임계값 도구를 사용하여 영공에서 마스크를 만듭니다. 3D 미리 보기 도구를 사용하여 3D 렌더링을 보고 개체(파일| 내보내기는.stl 파일로 내보냅니다.
- 파일을 메시 편집 소프트웨어로 가져오기(재료 표참조), 선택 도구를....
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결과
이 크기 범위(1-5 μm) 및 유량 조건(1-10 L/min)의 입자는 이론적 스토크스 수와 생체 내 데이터를 모두 기반으로 유체 스트림 라인을 따릅니다. 따라서 표적 전달 장치가 없는 경우 폐 모델로 방출되는 입자는 각 로브로 전환된 총 공기 흐름의 비율에 따라 예치될 것으로 예상됩니다. 각 로브에 대한 입자 전달의 상대적 양은 환자 특이적 고해상도 컴퓨터 단층 촬영(HRCT) 스캔10을분석하여 얻어진 임상 엽 유량 데이터와 비교될 수 있다. 검증된 실험 셋업은 임상 공기 흐름 프로파일과 통계적으로 유의한 차이가 없는 비표적 입자 증착 프로파일을 생성합니다. 검증 데이터는 건강한폐(도 4A)에서1 L/min과 COPD(도4B)에의해 영향을 받는 폐에서 1 L/min의 두 가지 뚜렷한 유동 조건에 대해 제시된다. 이 두 조건 하에서, 실험적으로 결정된 증착 프로파일은 임상 데이터.......
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토론
완전한 흡입 용량의 폐 약제학적 시험을 위한 현재의 최첨단 장치는 에어로졸4의공기역학적 직경을 측정하는 차세대 발전기 임펙터(NGI)이다. 이러한 크기 조정 데이터는 건강한 성인남성(11)을위해 개발된 상관관계에 기초하여 에어로졸이 입금되는 폐 생성을 예측하는 데 사용된다. 불행하게도, 이 방법은 지역 폐 증착의 차이를 평가하고, 약제학적 전달에 대한 질병 상태의 영향을 결정하고, 다양한 연령집단, 인종 및 성별에 대한 증착 프로파일을 예측하는 능력이 제한되어 있다12,13,14. 여기에 설명된 프로토콜은 연구원이 이전에 전산 모델3,5,15에.......
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공개 사항
저자는 공개 할 것이 없습니다.
감사의 글
저자들은 유펑 교수, 제나 브리델 박사, 이안 우드워드, 루카스 아티아 교수에게 도움이 되는 토론에 감사드립니다.
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재료
| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 1/4" 플라스틱 가시 튜브 피팅 | McMaster Carr | 5372K111 | |
| 10 um 여과지 | Fisher | 1093-110 | |
| 1um 형광 폴리스티렌 입자 | Polysciences | 15702-10 | |
| 1um 비형광 폴리스티렌 입자 | Polysciences | 8226 | |
| 2-프로판올 | Fisher | A516-4 | 참조 프로토콜에서 "IPA" |
| 3/8"로 플라스틱 가시 튜브 피팅 | McMaster Carr | 5372K117 | |
| 공기 유량계(1 - 280mL/분) | McMaster Carr | 41695K32 | 프로토콜에서 "유량계"라고 함 |
| 탄소 M1 3D 프린터 | 탄소 3D | https://www.carbon3d.com/, 프로토콜에서 "슬라이싱 소프트웨어"라고 하는 관련 소프트웨어 | |
| Collison Jet Nebulizer | CH Technologies | ARGCNB0008 (CN-25) | 6 Jet MRE 스타일 유리 항아리와의 수평 충돌, 프로토콜에서 "분무기"라고 함, |
| http://chtechusa.com/Manuals/MRE_Collison_Manual.pdf 대류 오븐 | Yamato | DKN602 | |
| Copley Critical Flow Controller TPK2000 Reve 120V | MSP Corp | 0001-01-9810 | 프로토콜에서 "흐름 컨트롤러" |
| 라고 함Copley 고용량 펌프 모델 HCP5 | MSP Corp | 0001-01-9982 | 프로토콜에서 "진공 펌프"라고 함 |
| Cytation | BioTek | CYT5MPV | 4x/20x/40x 대물렌즈 및 DAPI/GFP/TexasRed 레이저/필터 큐브가 장착된 다기능 분광 광도계/형광 이미저 |
| EPU40 Resin | Carbon 3D | https://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/, 프로토콜에서 "연질 수지"라고 함 | |
| 진공 펌프용 필터 | Whatman | 6722-5000 | |
| 유량계 모델 DFM 2000 | MSP Corp | 0001-01-8764 | 프로토콜에서 "전자 유량계"라고 함 |
| ImageJ 소프트웨어 | ImageJ | https://imagej.nih.gov/ij/download.html | |
| 인라인 공기 흐름 제어 밸브 (푸쉬 투 커넥트) | McMaster Carr | 62005K333 | 프로토콜에서 "밸브"라고 함 |
| 인라인 필터 장치 | Whatman | WHA67225000 | |
| 해양 등급 합판 시트 | McMaster Carr | 62005K333 | 프로토콜에서 "나무 판"이라고 함 |
| Materialise Mimics Software | Materialise | https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite, 프로토콜에서 "CT 스캔 소프트웨어"라고 함 | |
| Meshmixer 소프트웨어 | Autodesk | http://www.meshmixer.com/, 프로토콜에서 "메쉬 편집 소프트웨어"라고 함 | |
| 메탄올 | 피셔 | A454-4 | |
| 옵티큐어 LED 큐브 | APM 테크니카 | 102843 | 프로토콜에서 "UV 오븐"으로 언급 |
| PR25 수지 | 탄소 3D | https://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate, 프로토콜에서 "하드 레진"으로 언급 | |
| 화학 물질용 PVC 튜브 | McMaster Carr | 5231K161 | 1/4" ID |
| 나사 | |||
| SolidWorks 소프트웨어 | Dassault Systè 메스 SolidWorks Corporation | https://www.solidworks.com/, 프로토콜에서 "3D 모델링 소프트웨어"라고 함 | |
| 직선 흐름 직사각형 매니 폴 | McMaster Carr | 1125T31 | |
| 튜빙 - 플로우 컨트롤러 | McMaster Carr | 5233K65 | 3/8 "ID |
| 와이어 |
참고문헌
- 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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