Methodenartikel

Evaluatie van regionale longdepositie met patiëntspecifieke 3D-geprinte longmodellen

DOI:

10.3791/61706

⸱

11 november 2020

 ,  , 
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Delaware

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We presenteren een high-throughput, in vitro methode voor het kwantificeren van regionale longdepositie op kwabniveau met behulp van CT-scan-afgeleide, 3D-geprinte longmodellen met afstembare luchtstroomprofielen.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De ontwikkeling van gerichte therapieën voor longziekten wordt beperkt door de beschikbaarheid van preklinische testmethoden met het vermogen om regionale aerosollevering te voorspellen. Met 3D-printen om patiëntspecifieke longmodellen te genereren, schetsen we het ontwerp van een in vitro experimentele opstelling met hoge doorvoer voor het kwantificeren van lobulaire longdepositie. Dit systeem is gemaakt met een combinatie van in de handel verkrijgbare en 3D-geprinte componenten en maakt het mogelijk om het debiet door elke longkwab onafhankelijk te regelen. Levering van fluorescerende aerosolen aan elke kwab wordt gemeten met behulp van fluorescentiemicroscopie. Dit protocol heeft het potentieel om de groei van gepersonaliseerde geneeskunde voor luchtwegaandoeningen te bevorderen door zijn vermogen om een breed scala aan demografische en ziektetoestanden van patiënten te modelleren. Zowel de geometrie van het 3D-geprinte longmodel als de instelling van het luchtstroomprofiel kunnen eenvoudig worden gemoduleerd om klinische gegevens weer te geven voor patiënten met verschillende leeftijd, ras en geslacht. Klinisch relevante hulpmiddelen voor de toediening van geneesmiddelen, zoals de hier getoonde endotracheale buis, kunnen in de testopstelling worden opgenomen om nauwkeuriger te voorspellen of een apparaat in staat is om therapeutische toediening aan een ziek gebied van de long te richten. De veelzijdigheid van deze experimentele opstelling maakt het mogelijk om het aan te passen aan een veelheid aan inhalatieomstandigheden, waardoor de strengheid van preklinische therapeutische tests wordt verbeterd.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Veel longziekten zoals longkanker en chronische obstructieve longziekte (COPD) vertonen regionale verschillen in ziektekenmerken; er zijn echter een gebrek aan therapeutische technieken beschikbaar om de levering van geneesmiddelen aan alleen zieke gebieden van de longen te richten1. Meerdere computationele vloeistofdynamische (CFD)-modellen hebben aangetoond dat het mogelijk is om de depositieprofielen van geneesmiddelen te moduleren door specifieke stroomlijnen in delongen teidentificeren 2,3. De ontwikkeling van zowel inhalatoren als endotracheale (ET) buisadapters met regionale targetingmogelijkheden is in ons lab aan de gang om de aerosoldistributie naar zieke longregio's te beheersen. De uitbreiding van deze beginselen tot klinisch gebruik wordt beperkt door de huidige preklinische testcapaciteit. De precieze locatie waar een geneesmiddel zich in de long afzettingen, is bekend als de beste voorspeller van werkzaamheid; de huidige farmaceutische beoordelingen van inhaleerbare therapieën worden echter meestal voorspeld met behulp van in vitro-in vivo correlaties van deeltjesgrootte om depositie slechts bij benadering te benaderen4. Deze techniek maakt geen ruimtelijke analyse mogelijk om de effecten van verschillende luchtweggeometrieën op de regionale verdeling door de verschillende longlobben te bepalen. Bovendien mist deze test anatomisch nauwkeurige longgeometrieën, waarvan onderzoekers hebben aangetoond dat ze een aanzienlijke impact kunnen hebben op depositieprofielen5. Er zijn enkele inspanningen geleverd om patiëntspecifieke longgeometrieën op te nemen in testprotocollen door toevoeging van de bovenste luchtwegen; de meeste van deze benaderingen bemonsteren echter de levering van aerosolen aan verschillende generaties van de long in plaats van elke longkwab6,7,8. Het volgende protocol presenteert een methode met hoge doorvoer om patiëntspecifieke longmodellen te genereren met de capaciteit om relatieve deeltjesdepositie in elk van de vijf kwabben van de long te kwantificeren9.

Anatomisch nauwkeurige modellongen worden gegenereerd door ct-scans (3D printing patient computed tomography). Bij gebruik in combinatie met een eenvoudig te monteren debietsysteem kunnen de relatieve debieten door elk van de longlobben van het model onafhankelijk worden gecontroleerd en aangepast om die van verschillende demografische en/of ziektetoestanden van de patiënt na te bootsen. Met deze methode kunnen onderzoekers de werkzaamheid van potentiële therapeutische methoden in een relevante longgeometrie testen en de prestaties van elke methode correleren met de progressie van zieke morfologie. Hier worden twee apparaatontwerpen die in ons lab zijn ontwikkeld, getest op hun vermogen om de afzetting in een gewenste longkwab te verhogen door de locatie van aerosolafgifte in de mond of luchtpijp te regelen. Dit protocol heeft ook het potentieel om de ontwikkeling van gepersonaliseerde procedures voor patiënten aanzienlijk te beïnvloeden door de snelle voorspelling van de werkzaamheid van de behandeling in een modellong te vergemakkelijken die specifiek is voor de CT-scangegevens van die patiënt.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. Voorbereiding van 3D-geprinte experimentele componenten

OPMERKING: Alle software die in het protocol wordt gebruikt, wordt aangegeven in de tabel met materialen. Bovendien is de gebruikte snijsoftware specifiek voor de 3D-printer die wordt vermeld in de tabel met materialen; Dit protocol kan echter worden uitgebreid tot een breed scala aan stereolithografie (SLA) 3D-printers.

  1. Converteer CT-scans van patiënten naar 3D-objecten (.stl-bestanden).
    OPMERKING: Voor een meer gedetailleerde bespreking van de geometrische kenmerken van het specifieke longmodel dat in deze studies wordt gebruikt, raadpleegt u Feng et al.5.
    1. Render CT-scans in een 3D-object met behulp van CT-scansoftware (zie Tabel met materialen). Open de CT-scan en maak een masker op het luchtruim met behulp van het gereedschap Drempel met een instelling tussen -800 en -1000. Bekijk met het gereedschap 3D-voorbeeld de 3D-rendering en exporteer het object (File | Exporteren)als een .stl-bestand.
    2. Het importeren van de bestanden in mesh editing software (zie Tabel van materialen),verwijder eventuele gekartelde functies met behulp van de Select tool(Sculpt | Borstels: "Shrink/Smooth" | Eigenschappen: Sterkte (50), Grootte (10), Diepte(0)). Het oppervlak gladmaken (Ctrl+A | | vervormen Glad | Vloeiend maken (0,2), Afvlakte schaal (1)).
    3. In meshbewerkingssoftware verlengt u de wand van deze objecten met 2 mm(Ctrl+A | Bewerken | Offset), en laat het binnenste object hol blijven zodat alleen de muur overblijft. Segment het object (Selecteer | Bewerken | Plane Cut) aan de luchtpijp om een inlaat te vormen en bij generaties 2 of 3 waar het object naar elke kwab vertakt om uitlaten te creëren (Figuur 1A).
      OPMERKING: De dikte van 2 mm is gekozen op basis van de aanvaardbare functiegrootten die zijn opgegeven door de fabrikant van de 3D-printer die is vermeld in de tabel met materialen. Deze dikte kan worden aangepast op basis van de specificaties van de beschikbare 3D-printer als de binnengeometrie van het model behouden blijft.
  2. Wijzig de uitlaatgeometrieën van het patiëntlongmodel om compatibel te zijn met eerder ontworpen onderdelen van de lobbenuitlaatdop (figuur 1B,C) die in de tabel met materialenworden vermeld .
    1. Importeer het 3D-object, dat de CT-scan aan de binnenkant repliceert, een wanddikte van 2 mm heeft en open is bij de in- en uitgangen, in 3D-modelleringssoftware (zie tabel met materialen)als een solid body(Open | Mesh-bestanden | Opties | Solide lichaam).
    2. Een vlak maken op basis van een vlak op elk van de uitgangen (Invoegen | Referentiegeometrie | Vlak). Traceer met behulp van het splicing-gereedschap de binnenwand en buitenwand van de uitlaat in een schets op het vlak (Schets | Spline).
    3. Loft een cilinder (OD 18,5 mm, ID 12,5 mm, H 15,15 mm) om aan te sluiten op de binnen- en buitenwand van het model, waardoor de uitlaat uniform wordt bij elke kwab(Kenmerken | Verheven Baas/Basis). Voeg een inkeping toe rond de rand van de uitlaat die overeenkomt met de dop (Functies | Geëxtrudeerd gesneden | Verschuiving).
      OPMERKING: De dop (figuur 1D) is een holle cilinder die overeenkomt met de afmetingen van de uitgangen en een plank heeft die aansluit op de inkeping van de modeluitlaat. Het ene uiteinde van de dop is zodanig geblokkeerd dat de ID kleiner is dan de rest van het onderdeel, dit zorgt voor een strakke pasvorm rond de prikkeldraadaansluiting (figuur 1E). De prikkeldraadslangverbinding is een kegelvormige t prikkeldraadvorm, zodat de prikkeldraad door de opening van de dop past, maar de rest van het deel niet, waardoor de slangverbinding stevig in de dop past. Zo past de dop strak rond zowel de prikkeldraadverbinding als het longmodel(figuur 1F,G).
    4. Wijzig de inlaat van het longmodel afhankelijk van de gewenste experimentele omstandigheden. De keel- en vlekgebieden kunnen worden opgenomen om een patiënt na te bootsen die zelfstandig kan ademen (Figuur 1B). Gebieden boven de luchtpijp kunnen worden verwijderd met behulp van een geëxtrudeerde snede om een geïntubeerde patiënt na te bootsen op beademingsondersteuning(Kenmerken | Geëxtrudeerde snede) (figuur 1C).
  3. Oriënteer en ondersteun experimentele componenten in snijsoftware van de fabrikant van de 3D-printer.
    1. Importeer 3D-onderdeelbestanden in 3D-printerlicentiesoftware en kies de juiste hars. Gebruik een harde hars om de longmodellen en prikkeldraadslangverbindingen af te drukken en een zachte hars om de doppen af te drukken.
      OPMERKING: De hars die wordt gebruikt voor het afdrukken van de doppen moet elastische eigenschappen hebben om deze over de lobbenuitlaat te kunnen strekken en een luchtdichte afdichting te creëren.
    2. Stel de oriëntatie van het onderdeel zo in dat alle "eilanden" en niet-geventileerde volumes worden geminimaliseerd. De beste oriëntatie voor de longmodellen is met de lobbenuitlaten weg van het printplatform. Zorg ervoor dat zowel de prikkeldraadaansluitingen als de doppen de bredere delen naar het afdrukplatform hebben gericht.
      OPMERKING: Afzonderlijke segmenten kunnen worden bekeken om te controleren op het uiterlijk van "eilanden", secties van het onderdeel die voor het eerst in een segment verschijnen zonder te zijn verbonden met de hoofdtekst van het onderdeel. De beoordelingsfunctie kan worden gebruikt om te controleren op plakjes met niet-geventileerde volumes, gebieden waar niet-uitgeharde hars tijdens het afdrukken in het onderdeel kan vast komen te zitten. Zowel "eilanden" als niet-geventileerde volumes verminderen de afdrukkwaliteit en kunnen leiden tot afdrukfouten.
    3. Als u elk segment afzonderlijk bekijkt, voegt u ondersteuning toe aan alle resterende "eilanden" in het onderdeel en aan gebieden met aanzienlijke uitsteeksels. Exporteer en bekijk de segmenten voor de afdruk om te controleren of alle gebieden goed worden ondersteund.
  4. Print experimentele componenten en volledige nabewerking volgens de instructies van de fabrikant.
    OPMERKING: Alle hieronder beschreven nabewerkingsstappen zijn specifiek voor de 3D-printer die wordt vermeld in de tabel met materialen. Wanneer u alternatieve printers of materialen gebruikt, past u deze stappen aan om de instructies van de fabrikant weer te geven.
    1. Voor onderdelen bedrukt in zachte hars, wassen met ≥99% zuiverheid isopropylalcohol (IPA) om overtollige niet-uitgeharde hars en thermische uitharding te verwijderen in een heteluchtoven gedurende 8 uur volgens de specificaties van de fabrikant.
      OPMERKING: Onderdelen die in zachte hars worden afgedrukt, kunnen direct na het afdrukken zeer delicaat zijn, dus wees extra voorzichtig tijdens het reinigen. Blootstelling aan IPA moet onder de grenswaarde voor blootstelling aan oplosmiddelen van het materiaal worden gehouden om gedeeltelijke afbraak te voorkomen.
    2. Voor onderdelen die in harde hars zijn bedrukt, wast u met IPA om overtollige niet-uitgeharde hars te verwijderen en hardt u uit in een UV-oven (365 nm licht bij 5-10 mW/cm2)gedurende 1 min per zijde.
      OPMERKING: Om de nauwkeurigheid van de 3D-geprinte replica te evalueren, wordt aanbevolen om μCT-scanning van het afgedrukte onderdeel en CT-scansoftware te gebruiken om kwantitatief variaties tussen de oorspronkelijke 3D-rendering en de 3D-geprinte replica te vergelijken.

2. Montage van het buizenstelsel voor debietregeling

  1. Schroef 1/4" prikkeldraadfittingen in de zijkant van het spruitstuk met 6 poorten(afbeelding 2A-6)en een 3/8" prikkelbuis die in de resterende poort past.
  2. Snijd de 1/4" slang op de gewenste lengte en steek deze in elk uiteinde van de push-to-connect kleppen (Afbeelding 2A-5). Bevestig elke klep aan een van de 1/4" fittingen die in het spruitstuk zijn geplaatst.
  3. Sluit een debietmeter (afbeelding 2A-4) aan op het andere uiteinde van elke klep.
  4. Plaats het slangsysteem op de houten plank zodanig dat de enkele 3/8"-fitting van het spruitstuk zich langs de rand van het bord uitstrekt. Om op zijn plaats te bevestigen, voegt u twee schroeven toe aan de zijkant van de houten plank en bevestigt u het spruitstuk met draad aan de schroeven.
  5. Voeg vier schroeven toe die rond elk van de kleppen en stromingsmeters zijn geplaatst en gebruik draad om elk van hen aan de houten plank te bevestigen(afbeelding 2E).
  6. Sluit het spruitstuk met ongeveer 6" 3/8" ID-buizen aan op een in-line 0,1 μm poriegrootte vacuümfilter. Sluit het andere uiteinde van het filter aan op de flowcontroller met een andere 6" 3/8" ID-slang
    OPMERKING: Het slangsysteem hoeft slechts één keer te worden gemonteerd.

3. Assemblage van lobbenuitlaatkappen met geduldig longmodel

OPMERKING: Dit gedeelte van het protocol moet vóór elke experimentele uitvoering worden voltooid.

  1. Steek prikkeldraadslangverbinding in de dop met mondstuk dat door de opening in de dopbasis steekt. Steek eerst een uiteinde van de ovale prikkeldraadverbindingsbasis in de dop. Rek vervolgens de flexibele dop voorzichtig over het andere uiteinde van de ovale basis, waarbij u er speciaal voor zorgt dat de dunne basis niet wordt gekraakt.
    OPMERKING: Nieuw bedrukte doppen kunnen stijver zijn dan gewenst en kunnen worden uitgerekt door met twee vingers langs de binnenkant van de dop te lopen.
  2. Snijd 10 μm filterpapier zodanig dat het iets groter is dan het uitlaatgebied. Vouw het filterpapier over de lobbenuitlaat en houd het met één hand op zijn plaats.
  3. Gebruik met de andere hand een pincet om de dop met prikkeldraadslangverbinding over de uitlaat te strekken. Druk de dop naar beneden totdat de inkeping van de dop overeenkomt met de overeenkomstige inkeping op de lobbenuitlaat (figuur 2C).
    OPMERKING: Het rippen van het filterpapier in deze stap kan de resultaten ongeldig maken, dus wees voorzichtig om overmatige kracht te voorkomen bij het indrukken van de dop op de uitlaat.
  4. Herhaal dit voor alle resterende lobbenuitlaten (figuur 2D).

4. Genereren van klinisch relevant luchtstroomprofiel

OPMERKING: Dit gedeelte van het protocol moet vóór elke experimentele uitvoering worden voltooid.

  1. Sluit elk longmodel lobbenuitlaat aan op de slang van de bijbehorende debietmeter en klep, waarbij u ervoor zorgt dat er niet te veel zijdelingse druk op de prikkeldraadaansluiting wordt uitgeoefend. Bevestig de elektronische debietmeter aan de mondinlaat van het longmodel om het totale luchtdebiet met het longmodel te meten.
  2. Schakel de debietregelaar (figuur 2A-7) en de vacuümpomp in (afbeelding 2A-8). Selecteer de instelling "testinstelling" op de debietregelaar en verhoog langzaam het debiet totdat de elektronische debietmeter het gewenste totale debiet weergeeft.
  3. Stel met behulp van de kleppen(afbeelding 2E-5)het debiet in door elk van de vijf longlobben: Rechts Boven (RU), Rechts Midden (RM), Rechts Onder (RL), Links Boven (LU) en Links Onder (LL). Zodra de lobdebieten op de debietmeters (figuur 2E-4) stabiel zijn op de gewenste waarde, controleert u het totale debiet opnieuw op de elektronische debietmeter om te controleren of er geen lekken in het systeem zijn.
    1. Als er een discrepantie is in het totale debiet, verlaagt u het debiet met de debietregelaar, stelt u alle kleppen in op de volledig geopende configuratie en herhaalt u stap 4.2 en 4.3.
      OPMERKING: De hier gepresenteerde resultaten werden verkregen met behulp van luchtstroomprofielen op basis van gegevens gerapporteerd door Sul et al.10 Deze lobar flowfracties werden berekend met behulp van dun gesneden computertomografiebeelden van de longen van patiënten bij volledige inspiratie en expiratie, waarbij de relatieve veranderingen in het volume van elke longkwab werden vergeleken. De resultaten worden gepresenteerd voor twee verschillende stroomomstandigheden, beide bij een totaal inlaatdebiet van 1 L/min. Het gezonde longkwab-uitlaatstroomprofiel wordt naar elke uitlaat verdeeld door het volgende percentage van de inlaatstroom: LL-23,7%, LU-23,7%, RL-18,7%, RM-14,0%, RU-20,3%. Het COPD-lobbenuitlaatstroomprofiel wordt over elke uitlaat verdeeld door het volgende percentage van de inlaatstroom: LL-10,0%, LU-29,0%, RL-13,0%, RM-5,0%, RU-43,0%9,10.
  4. Verlaat de "testopstelling" functie van de flow controller maar laat de vacuümpomp aan.
    OPMERKING: Het uitschakelen van de vacuümpomp tussen het instellen van de debieten en het uitvoeren van het depositie-experiment kan leiden tot onnauwkeurigheden in het gegenereerde stroomprofiel. Het wordt aanbevolen om de vacuümpomp aan te laten zodra de gewenste debieten zijn ingesteld om de aerosoldepositietest te voltooien.

5. Levering van aerosol aan het longmodel

OPMERKING: Experimenten moeten worden uitgevoerd in een zuurkast met de vleugel gesloten om de blootstelling aan aërosolen die door de vernevelaar worden gegenereerd, te minimaliseren.

  1. Vul de vernevelaar met oplossing van de gewenste fluorescerende deeltjes (figuur 2A-1) en sluit aan op de inlaat van het longmodel (figuur 2B).
    OPMERKING: De hier gepresenteerde resultaten werden verkregen met behulp van 30 ml van een verdunning van 1:100 van 1 μm fluorescerende polystyreendeeltjes in methanol.
    1. Om de experimentele opstelling te valideren, sluit u de vernevelaar rechtstreeks aan op de inlaat van het longmodel zonder targetingapparaat.
    2. Om de werkzaamheid van een richtapparaat te meten, sluit u de vernevelaar aan op het apparaat en plaatst u het apparaat in het longmodel.
  2. Sluit de persluchtleiding aan op de vernevelaar en sluit de vleugel van de zuurkast zoveel mogelijk.
  3. Stel de stroomregelaar in op één proef van 10 s. Voordat u op start drukt, opent u de persluchtklep iets om te beginnen met het genereren van een aerosol in de vernevelaar.
  4. Druk op start op de flow controller en open onmiddellijk de persluchtklep volledig. Zodra de stromingsregelaar ongeveer 9 s bereikt, begint u de persluchtklep te sluiten.
  5. Zodra de persluchtklep volledig is gesloten, koppelt u de vernevelaar los van de persluchtleiding, sluit u de vleugel van de zuurkast volledig, sluit u de vacuümpomp af en laat u eventuele aerosolen ongeveer 10 minuten uit de zuurkast wissen.
    OPMERKING: Het is belangrijk om de vacuümpomp uit te schakelen na het voltooien van een run om te voorkomen dat er zich een vacuüm oploopt in het slangsysteem.
  6. Na voldoende tijd te hebben gewacht, koppelt u het longmodel los van het slangsysteem en zorgt u er speciaal voor dat de prikkeldraadslangverbindingen niet worden gekraakt.
  7. Verwijder de lobbenuitlaatdoppen door een pincet onder de rand van de dop te laten lopen en het voorzichtig van het longmodel te tillen.
  8. Verwijder het filterpapier van de dop en plaats het in een 24-putplaat met de zijkant waarop deeltjes zich op de bodem bevinden die naar de put van de plaat zijn gericht. Herhaal dit voor de resterende uitlaten en label de put die overeenkomt met elke kwab.
    OPMERKING: Om te voorkomen dat restdepositie van deeltjes van invloed is op latere experimenten, is het belangrijk om zowel het longmodel als de dopcomponenten tussen de runs door te spoelen met IPA of geschikt oplosmiddel. Dit kan naar wens worden verzameld en opgenomen in de analyse. Bovendien wordt een logboek bijgehouden om ervoor te zorgen dat alle gebruikte replica's minimaal zijn blootgesteld aan IPA om de integriteit van onderdelen te behouden, en inspectie van visuele onderdelen wordt aanbevolen voorafgaand aan gebruik.

6. Uitlaatfilter papier beeldvorming

  1. Plaats de putplaat in de digitale fluorescentiemicroscoop en zet de microscoop op 4x vergroting en het juiste fluorescentiekanaal.
  2. Identificeer visueel welke kwab het filterpapier de hoogste hoeveelheid deeltjesdepositie heeft en gebruik de functie "Auto Expose". Let op de resulterende belichtings- en integratietijdwaarden.
  3. Pas deze belichting toe op alle filters voor de uitvoering en beoordeel of de instelling een bevredigend beeld oplevert voor alle gebieden met hoge depositie van de filters.
    OPMERKING: Focusinstellingen kunnen worden gewijzigd van filter naar filter; alle filters voor een bepaalde uitvoering moeten echter worden geanalyseerd met dezelfde belichtingsinstellingen. Het is slechts mogelijk om één scherpstelkader tegelijk te hebben, dus bochten of scheuren in het filterpapier kunnen voorkomen dat alle afgezette deeltjes in het zicht scherp zijn. Dit kan worden voorkomen door ervoor te zorgen dat het filterpapier plat tegen de bodem van de putplaat ligt.
  4. Maak ten minste drie afbeeldingen van het filterpapier van elke kwab op willekeurige locaties en sla op als .tiff bestanden.

7. Kwantificering van deeltjesdepositie

  1. Importeer alle filterpapierafbeeldingen voor een bepaalde uitvoering in een ImageJ-sessie.
  2. Wijzig het type van elke afbeelding in 8-bits door Afbeelding | te selecteren Type | 8-bits.
  3. Open de afbeelding met de hoogste fluorescentie en selecteer Afbeelding | | aanpassen Drempel om een drempel venster te openen. Pas de drempelwaarden aan om het achtergrondsignaal van het filterpapier te minimaliseren en definieer duidelijk de randen van deeltjes. Zie figuur 3 voor afbeeldingen van drempels van goede en slechte kwaliteit.
    OPMERKING: Voor filters met een hoog depositieniveau kan een "corona" van fluorescentie, veroorzaakt door de diffractie van licht door de papiervezels van het filter, worden waargenomen rond grote groepen deeltjes. Bij het drempelen van deze afbeeldingen worden in een te groot bereik kleine stippen of "veerachtige" vormen rond deze gegroepeerde groepen weergegeven, zoals wordt waargenomen in de "slechte" drempelafbeeldingen in figuur 3. Dit kan worden verbeterd door de ondergrens van de drempel geleidelijk te verhogen totdat het signaal van de papiervezels van het filter wordt geminimaliseerd zonder het signaal van de deeltjes zelf te verduisteren.
  4. De drempelwaarde-instellingen voor de hoogste fluorescentieafbeelding doorgeven aan alle andere afbeeldingen.
  5. Kwantificeer het aantal deeltjes en het totale fluorescerende gebied door Analyse | Analyseer deeltjes.
    OPMERKING: Datasets worden vergeleken met sidak's multiple comparisons test en een tweerichtings ANOVA. Bovendien wordt depositie in alleen de kwab van belang vergeleken met behulp van een Student T-test uitgaande van gelijke variantie.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Deeltjes in dit groottebereik (1-5 μm) en stroomomstandigheden (1-10 L/min) volgen de vloeistofstroomlijnen op basis van zowel hun theoretische Stokes-getal als in vivo gegevens; bij gebrek aan een doelafgifteapparaat wordt daarom verwacht dat deeltjes die in het longmodel vrijkomen, zich zullen afzetten volgens het percentage van de totale luchtstroom dat naar elke kwab wordt omgeleid. De relatieve hoeveelheden deeltjesafgifte aan elke kwab kunnen vervolgens worden vergeleken met klinische lobbendebietgegevens die worde...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het huidige state-of-the-art apparaat voor long farmaceutisch testen van een volledige inhalatiedosis is het Next Generator Impactor (NGI), dat de aerodynamische diameter van een aerosolmeet 4. Deze dimensioneringsgegevens worden vervolgens gebruikt om de longgeneratie te voorspellen waarbij de aerosol zich zal afzetten op basis van een correlatie die is ontwikkeld voor een gezonde volwassen man11. Helaas is deze methode beperkt in zijn vermogen om verschillen in regionale ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben niets bekend te maken.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs danken professor Yu Feng, dr. Jenna Briddell, Ian Woodward en Lucas Attia voor hun nuttige discussies.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
1/4" Plastic Barbed Tube FittingMcMaster Carr5372K111
10 um Filter PaperFisher1093-110
1um Fluorescent Polystyrene ParticlesPolysciences15702-10
1um Non-Fluorescent Polystyrene ParticlesPolysciences8226
2-PropanolFisherA516-4Aangeduid in protocol als "IPA"
3/8" Plastic Barbed Tube FittingMcMaster Carr5372K117
Air Flow Meter (1 - 280 mL/min)McMaster Carr41695K32Aangeduid in protocol als "flow meter"
Carbon M1 3D PrinterCarbon 3Dhttps://www.carbon3d.com/, Geassocieerde software aangeduid in protocol als "slicing software"
Collison Jet NebulizerCH TechnologiesARGCNB0008 (CN-25)6 Jet MRE-stijl horizontale botsing met glazen pot, Aangeduid in protocol als "nevelverstuiver", http://chtechusa.com/Manuals/MRE_Collison_Manual.pdf
Convection OvenYamatoDKN602
Copley Critical Flow Controller TPK2000 Reve 120VMSP Corp0001-01-9810Aangeduid in protocol als "flow controller"
Copley High Capacity Pump Model HCP5MSP Corp0001-01-9982Aangeduid in protocol als "vacuümpomp"
CytationBioTekCYT5MPVMultifunctionele Spectrofotometer/Fluorescente imager uitgerust met 4x/20x/40x objectieven en DAPI/GFP/TexasRed laser/filter cubes
EPU40 ResinCarbon 3Dhttps://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/, Aangeduid in protocol als "zachte hars"
Filter for vacuum pumpWhatman6722-5000
Flow Meter Model DFM 2000MSP Corp0001-01-8764Aangeduid in protocol als "elektronische flow meter"
ImageJ SoftwareImageJhttps://imagej.nih.gov/ij/download.html
Inline Air Flow Control Valve (Push-to-Connect)McMaster Carr62005K333Aangeduid in protocol als "klep"
Inline Filter DevicesWhatmanWHA67225000
Marine-Grade Plywood SheetMcMaster Carr62005K333Aangeduid in protocol als "houten plank"
Materialise Mimics SoftwareMaterialisehttps://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite, Aangeduid in protocol als "CT-scan software"
Meshmixer SoftwareAutodeskhttp://www.meshmixer.com/, Aangeduid in protocol als "meshbewerkingssoftware"
MethanolFisherA454-4
Opticure LED CubeAPM Technica102843Aangeduid in protocol als "UV-oven"
PR25 ResinCarbon 3Dhttps://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate, /Aangeduid in protocol als "hard resin"
PVC Tube for ChemicalsMcMaster Carr5231K1611/4" ID
Screws
SolidWorks SoftwareDassault Systèmes SolidWorks Corporationhttps://www.solidworks.com/, Aangeduid in protocol als "3D-modelleringssoftware"
Straight Flow Rectangular ManifoldMcMaster Carr1125T31
Tubing to Flow ControllerMcMaster Carr5233K653/8" ID
Wire

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Li, Z., Roberts, W. L., Rojas, C. A new methodology for targeting drug-aerosols in the human respiratory system. International Journal of Heat and Mass Transfer. 51 (23), 5578-5589 (2008).
  3. Feng, Y., Chen, X., Yang, M. An In Silico Investigation of a Lobe-Specific Targeted Pulmonary Drug Delivery Method. Design of Medical Devices Conference. , (2018).
  4. Marple, V. A., et al. Next generation pharmaceutical impactor (a new impactor for pharmaceutical inhaler testing). Part I: Design. Journal of Aerosol Medicine. 16 (3), 283-299 (2003).
  5. Feng, Y., Zhao, J., Chen, X., Lin, J. An In Silico Subject-Variability Study of Upper Airway Morphological Influence on the Airflow Regime in a Tracheobronchial Tree. Bioengineering. 4 (4), 90(2017).
  6. Huynh, B. K., et al. The Development and Validation of an In Vitro Airway Model to Assess Realistic Airway Deposition and Drug Permeation Behavior of Orally Inhaled Products Across Synthetic Membranes. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 103-108 (2018).
  7. Lizal, F., Elcner, J., Hopke, P. K., Jedelsky, J., Jicha, M. Development of a realistic human airway model. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 226 (3), 197-207 (2011).
  8. Wei, X., Hindle, M., Delvadia, R. R., Byron, P. R. In Vitro Tests for Aerosol Deposition. V: Using Realistic Testing to Estimate Variations in Aerosol Properties at the Trachea. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 30 (5), 339-348 (2017).
  9. Kolewe, E. L., Feng, Y., Fromen, C. A. Realizing Lobe-Specific Aerosol Targeting in a 3D-Printed In Vitro Lung Model. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. , (2020).
  10. Sul, B., et al. Assessing Airflow Sensitivity to Healthy and Diseased Lung Conditions in a Computational Fluid Dynamics Model Validated In Vitro. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), (2018).
  11. Martonen, T. B., Katz, I. Deposition Patterns of Polydisperse Aerosols Within Human Lungs. Journal of Aerosol Medicine. 6 (4), 251-274 (1993).
  12. Nahar, K., et al. In vitro, in vivo and ex vivo models for studying particle deposition and drug absorption of inhaled pharmaceuticals. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 49 (5), 805-818 (2013).
  13. Nichols, S. C., et al. A Multi-laboratory in Vitro Study to Compare Data from Abbreviated and Pharmacopeial Impactor Measurements for Orally Inhaled Products: a Report of the European Aerosol Group (EPAG). AAPS PharmSciTech. 17 (6), 1383-1392 (2016).
  14. Yoshida, H., Kuwana, A., Shibata, H., Izutsu, K. I., Goda, Y. Comparison of Aerodynamic Particle Size Distribution Between a Next Generation Impactor and a Cascade Impactor at a Range of Flow Rates. AAPS PharmSciTech. 18 (3), 646-653 (2017).
  15. Feng, Y., et al. An in silico inter-subject variability study of extra-thoracic morphology effects on inhaled particle transport and deposition. Journal of Aerosol Science. 123, 185-207 (2018).
  16. Kleinstreuer, C., Seelecke, S. Inhaler system for targeted maximum drug-aerosol delivery. United States patent. , (2005).
  17. Pietila, T. How Medical 3D Printing is Gaining Ground in Top Hospitals. , Available from: https://www.materialise.com/en/blog/3d-printing-hospitals (2019).
  18. Weber, P. W., Price, O. T., McClellan, G. E. Demographic Variability of Inhalation Mechanics: A Review. Defense Threat Reduction Agency. , (2016).
  19. Jiang, Y. Y., Xu, X., Su, H. L., Liu, D. X. Gender-related difference in the upper airway dimensions and hyoid bone position in Chinese Han children and adolescents aged 6-18 years using cone beam computed tomography. Acta Odontologica Scandinavica. 73 (5), 391-400 (2015).
  20. Martin, S. E., Mathur, R., Marshall, I., Douglas, N. J. The effect of age, sex, obesity and posture on upper airway size. European Respiratory Journal. 10 (9), 2087(1997).
  21. Xi, J., Longest, P. W., Martonen, T. B. Effects of the laryngeal jet on nano- and microparticle transport and deposition in an approximate model of the upper tracheobronchial airways. Journal of Applied Physiology. 104 (6), 1761-1777 (2008).
  22. Zhao, J., Feng, Y., Fromen, C. A. Glottis motion effects on the particle transport and deposition in a subject-specific mouth-to-trachea model: A CFPD study. Computers in Biology and Medicine. 116, 103532(2020).
  23. Kim, S. S., et al. Chronic obstructive pulmonary disease: lobe-based visual assessment of volumetric CT by Using standard images--comparison with quantitative CT and pulmonary function test in the COPDGene study. Radiology. 266 (2), 626-635 (2013).
  24. The Cancer Imaging Archive. , Available from: https://www.cancerimagingarchive.net/ (2020).
  25. Li, A., Ahmadi, G. Computer Simulation of Deposition of Aerosols in a Turbulent Channel Flow with Rough Walls. Aerosol Science and Technology. 18 (1), 11-24 (1993).
  26. Khalili, S. F., Ghanbarzadeh, S., Nokhodchi, A., Hamishehkar, H. The effect of different coating materials on the prevention of powder bounce in the next generation impactor. Research in Pharmaceutical Sciences. 13 (3), 283-287 (2018).
  27. Galliger, Z., Vogt, C. D., Panoskaltsis-Mortari, A. 3D bioprinting for lungs and hollow organs. Translational Research. 211, 19-34 (2019).
  28. Schwarz, K., Biller, H., Windt, H., Koch, W., Hohlfeld, J. M. Characterization of exhaled particles from the healthy human lung--a systematic analysis in relation to pulmonary function variables. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 23 (6), 371-379 (2010).
  29. Patton, J. S., Byron, P. R. Inhaling medicines: delivering drugs to the body through the lungs. Nature Reviews Drug Discovery. 6 (1), 67-74 (2007).
  30. Zhang, Z., Kleinstreuer, C., Kim, C. S. Cyclic micron-size particle inhalation and deposition in a triple bifurcation lung airway model. Journal of Aerosol Science. 33 (2), 257-281 (2002).
  31. Ju, Y., et al. Engineering of Nebulized Metal-Phenolic Capsules for Controlled Pulmonary Deposition. Advanced Science. 7 (6), 1902650(2020).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

3D geprinte longmodellenpati ntspecifieke longmodellentoediening van fluorescerende aerosolendebietregelingfluorescentiemicroscopietesten van endotracheale tubesassemblage van de lob uitlaatkapaerosolgeneratie via vernevelaardepositie op filterpapier

Gerelateerde artikelen