Modellering en simulaties van olfactorische Drug Delivery met passieve en actieve controles van nasaal inhalatie medische aërosolen

Summary

This manuscript reviews the modeling and simulations of different protocols to deliver medications to the olfactory region in image-based nasal airway models. Multiple software modules are used to develop the anatomically accurate nose model, generate computational mesh, simulate nasal airflows, and predict particle deposition at the olfactory region.

Abstract

Er zijn vele voordelen van directe geneesmiddelafgifte neus naar de hersenen bij de behandeling van neurologische aandoeningen. Echter, wordt de toepassing beperkt door de extreem lage levering efficiëntie (<1%) tot de olfactorische mucosa die rechtstreeks verbindt de hersenen. Het is essentieel om nieuwe technieken ontwikkelen om neurologische geneesmiddelen efficiënter kan worden uitgevoerd om de olfactorische gebied. Het doel van deze studie is een numerieke platform te simuleren en intranasale olfactorische geneesmiddelafgifte verbeteren. Een beeld per-CFD methode werd voorgesteld dat de image-based model ontwikkeling, de kwaliteit meshing, vloeiende simulatie, en magnetische deeltjes volgen gesynthetiseerd. Met deze werkwijze werden drie uitvoeringen intranasale leveringsprotocollen numeriek geëvalueerd en vergeleken. Invloeden van de ademhaling manoeuvres, magneet lay-out, magnetische veldsterkte, geneesmiddelafgifte positie en deeltjesgrootte op de olfactorische dosering werden ook numeriek bestudeerd.

Van de simulations, vonden we dat klinisch significante olfactorische dosering (tot 45%) waren mogelijk met behulp van de combinatie van magneet lay-out en selectieve geneesmiddelafgifte. Een 64-voudige hogere afgifte van dosering werd voorspeld in het geval magnetophoretic begeleiding vergelijking met het geval zonder. Echter, de exacte geleiding van nasaal geïnhaleerde aerosolen het olfactorische gebied blijft moeilijk vanwege de instabiliteit van magnetophoresis, alsmede de hoge gevoeligheid van olfactorische dosering patiënt-, apparaat- en deeltjes factoren.

Introduction

Geneesmiddelen die aan het olfactorische gebied kan de bloed-hersenbarrière omzeilen en direct in de hersenen, wat leidt tot een efficiënte opname en snelle actie begin van de drugs ^1,2. Echter, conventionele nasale inrichtingen, zoals nasale sprays en pompen leveren zeer lage doses aan het olfactorische gebied (<1%) via de nasale route ^3,4. Het is vooral door de gecompliceerde structuur van de menselijke neus die bestaat uit smalle, kronkelige doorgangen (Figuur 1). De olfactorische gebied lokaliseert boven de superieure gehoorgang, waar slechts een zeer klein deel van de ingeademde lucht kan bereiken ^5,6. Voorts geb....

Protocol

De MRI-beelden werden door de Hamner Institutes for Health Sciences en het gebruik van deze beelden werd goedgekeurd door de Virginia Commonwealth University institutionele review board.

1. Beeld-Based Neus Airway Voorbereiding

1. Acquire magnetische resonantie (MR) beelden van een gezonde niet-rokers 53-jarige man (gewicht 73 kg en een lengte 173 cm), die bestaan ​​uit 72 coronale doorsneden afstand van 1,5 mm van elkaar verspreid over de neusgaten naar de nasopharynx ^4.
2. Open Imaging Program (bijvoorbeeld nabootst)
   1. Om afbeeldingen te importeren, klikt u op "File", "Beelden i....

Results

Controle Case:
Figuur 3 toont het veld luchtstroom en depositie van deeltjes in de nasale luchtweg met standaard nasale apparaten. Hieruit blijkt duidelijk dat de luchtstroom vanaf de voorzijde neusgat geventileerd naar de bovenste doorgang en de luchtstroom van achter neusgat is gericht op de nasale vloer (Figuur 3A). Aërosoldeeltjes worden waargenomen sneller middendoor passages en langzamer bij de muren bewegen, die een aerosol.......

Discussion

Een beeld per-CFD-methode werd in deze studie dat opgenomen de image-based model ontwikkeling, de kwaliteit meshing, luchtstroming simulatie, en magnetische deeltjes tracking. Meerdere softwaremodules zijn uitgevoerd om dit doel worden de functies van segmentatie van medische beelden, reconstructie / weven van anatomisch correcte modellen luchtwegen en stroom-deeltjes simulaties inbegrepen. Met deze numerieke methode, prestaties van drie intranasale afgifte protocollen werden getest en vergeleken. Vergeleken met in .......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
MIMICS 13	Materialise Inc, Ann Arbor, MI	MR image segmentation
Gambit	ANSYS Inc, Canonsburg, PA	Model development
ANSYS ICEMCFD	ANSYS Inc, Canonsburg, PA	Meshing
ANSYS Fluent	ANSYS Inc, Canonsburg, PA	Fluid and particle simulation
COMSOL Multiphsics	COMSOL Inc, Burlington, MA	Magnetic particle tracing