De ontwikkeling van farmaceutisch droog poeder vereist betrouwbare in vivo testen, vaak met behulp van een muizenmodel. Apparaattechnologie voor het nauwkeurig en reproduceerbaar toedienen van aerosolen met droog poeder aan muizen is beperkt. Deze studie presenteert wegwerpdosators voor pulmonale medicijnafgifte in muisrelevante doses, wat helpt bij het eerste proof-of-concept-onderzoek.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Wegwerpdoseerders bedoeld voor de toediening van droog poeder aan muizen
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Droge poederinhalatoren bieden tal van voordelen voor het toedienen van geneesmiddelen aan de longen, waaronder stabiele vastestofformuleringen, draagbaarheid van het apparaat, bolusdosering en -dosering, en een drijfgasvrij verspreidingsmechanisme. Om farmaceutische aërosolproducten met droog poeder te ontwikkelen, zijn robuuste in vivo tests essentieel. Doorgaans omvatten de eerste studies het gebruik van een muizenmodel voor voorlopige evaluatie voordat formele studies worden uitgevoerd bij grotere diersoorten. Een belangrijke beperking in deze aanpak is echter het ontbreken van geschikte apparaattechnologie om droge poeders nauwkeurig en reproduceerbaar aan kleine dieren te leveren, waardoor het nut van dergelijke modellen wordt belemmerd. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, zijn er speciaal voor de intrapulmonale toediening van droge poeders in doses die geschikt zijn voor muizen ontwikkeld. Deze doseerders laden en leveren een vooraf bepaalde hoeveelheid poeder die wordt verkregen uit een uniform poederbed met bulkdichtheid. Deze discrete controle wordt bereikt door een stompe naald op een vaste diepte (aanstampen) in het poederbed te steken, waarbij telkens een vaste hoeveelheid wordt verwijderd. Dit doseringspatroon is met name effectief gebleken voor een reeks gesproeidroogde poeders. In experimenten met vier verschillende modellen gesproeidroogde poeders toonden de dosators aan dat ze in staat waren doses te bereiken tussen 30 en 1100 μg. De bereikte dosis werd beïnvloed door factoren zoals het aantal tamps, de grootte van de dosatornaald en de specifieke formulering die werd gebruikt. Een van de belangrijkste voordelen van deze doseerders is hun productiegemak, waardoor ze toegankelijk en kosteneffectief zijn voor het leveren van droge poeders aan muizen tijdens de eerste proof-of-concept-studies. Het wegwerpkarakter van de doseerders vergemakkelijkt het gebruik in behandelkamers voor dieren, waar het reinigen en bijvullen van herbruikbare systemen en weegmaterialen onhandig is. De ontwikkeling van doseerders voor wegwerpspuiten heeft dus een belangrijke hindernis weggenomen bij de afgifte van droog poeder bij muizen voor proof-of-concept-studies, waardoor onderzoekers nauwkeurigere en reproduceerbare voorstudies kunnen uitvoeren in kleine diermodellen voor de toediening van longgeneesmiddelen.
Inleiding
Het gebruik van droge poederinhalatoren (DPI's) voor de toediening van geneesmiddelen in de longen heeft de afgelopen drie decennia veel belangstelling gewekt vanwege de wereldwijde uitfasering van drijfgassen met chloorfluorkoolwaterstoffen 1,2. DPI's bieden tal van voordelen ten opzichte van andere pulmonale toedieningssystemen, zoals inhalatoren en vernevelaars met afgemeten dosis, waaronder formuleringsstabiliteit, draagbaarheid, gebruiksgemak en drijfgasvrije verspreidingsmechanismen2. Voordat DPI-producten echter in de richting van klinische vertaling worden gebracht, moeten verschillende preklinische onderzoeken worden uitgevoerd, waarvan er vele in eerste instantie worden voltooid met behulp van een muizenmodel. Niettemin zijn de beschikbare technologieën om droge poeders nauwkeurig en reproduceerbaar aan kleine dieren te leveren beperkt.
Gebruikelijke methoden om droge poeders toe te dienen aan kleine dieren, zoals muizen, zijn passieve inhalatie 3,4,5,6,7 en directe toediening 8,9,10,11,12,13. Passieve inhalatie vereist meestal een aangepaste kamer die grote doses gesproeidroogd poeder gebruikt om een voldoende aerosolwolk te bereiden. Aangezien muizen obligate neusademhalerszijn 14, vereist toediening door passieve inhalatie dat het poeder door de neus en keel reist om de longen te bereiken, waardoor het noodzakelijk is een aërosolwolk in stand te houden met voldoende aërodynamische eigenschappen van de deeltjes 7,8. Hoewel het een nuttige techniek is die fysiologisch relevanter is dan directe toediening als gevolg van inademing als gevolg van normale ademhaling14, is het mogelijk niet geschikt voor initiële onderzoeken waarbij de poedermassa beperkt is.
Als alternatief zijn een aantal intratracheale toedieningsapparaten voor directe toediening van droog poeder gerapporteerd 8,9,10,11,12,13. Intratracheale apparaten omzeilen de neus en keel, waardoor het poeder rechtstreeks in de longen terechtkomt en een fijnere controle over de toegediende dosismogelijk is 14. Bovendien kunnen sommige apparaten, met name apparaten die zijn bereid met behulp van een aanstampingsprocedure9, worden bereid met kleinere hoeveelheden, wat een belangrijke overweging is voor de eerste proof-of-concept-studies. Het gebrek aan universeel verkrijgbare intratracheale toedieningsapparaten heeft hun gebruikspotentieel belemmerd, de beschikbaarheid beperkt en geleid tot verschillen tussen laboratoria14. In deze studie stellen we een eenvoudige, goedkope, wegwerpbare dosator voor intratracheale toediening voor die kan worden gebruikt voor proof-of-concept muizenstudies bij de ontwikkeling van aerosolen met droog poeder.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Alle dierproeven zijn uitgevoerd in overeenstemming met de Wet op het dierenwelzijn en het beleid van de GGD inzake humane verzorging en gebruik van proefdieren. Het onderzoeksprotocol werd goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee van het Health Science Center van de Universiteit van Tennessee. Gezonde vrouwelijke BALB/c-muizen, ~6-8 weken oud, kregen het drogepoedergehalte van één doseerder toegediend door intrapulmonale aërosoltoediening voor een farmacokinetisch onderzoek met spectinamide 1599 droge poeders9. De dieren zijn afkomstig van een commerciële bron (zie Materiaaltabel).
1. Voorbereiding van de doseerder en de vulcomponenten
- Snijd het plastic luergedeelte van een stompe roestvrijstalen naald van 2.54 cm (1 inch) (21-25 G) af met een precisiesectiezaag (zie Materiaaltabel) of een bandschuurmachine totdat er 2-3 mm van de plastic luer overblijft (Figuur 1A en Figuur 2A).
NOTITIE: Als een bandschuurmachine wordt gebruikt, moet de roestvrijstalen naald mogelijk worden gereinigd met een kleinere naald of draad om de mogelijke ontstane obstakels te verwijderen. - Snijd de punt (1-1,5 cm) van een conische centrifugebuis van 0,6 ml af. Vul de punt van de tube met 30-35 mg poeder.
OPMERKING: Zie Representatieve resultaten voor de details van de voorbeeldpoeders die voor dit onderzoek zijn gebruikt. De prestaties van de poederaerosol moeten vóór gebruik in deze toepassing worden geëvalueerd volgens de standaardmethodologie zoals beschreven in het algemene hoofdstuk <601> van de USP (zie de materiaaltabel). - Als u het poeder bewaart en/of vervoert, gebruik dan de dop van de tube (afgesneden) om de injectieflacon af te sluiten. Sluit af met paraffinefolie om de blootstelling van het poeder aan omgevingsvocht te minimaliseren bij opslag en/of transport.
2. Laden en monteren van dosators
- Druk de bijgesneden roestvrijstalen naald zo vaak als nodig is in het poederbed in de conische punt van de 0,6 ml centrifugebuis om de gewenste dosis te bereiken (Figuur 2B). Veeg de zijkanten van de roestvrijstalen naald voorzichtig schoon met een pluisarme wisser om overtollig poeder te verwijderen (Figuur 3).
- Steek de geladen roestvrijstalen naald voorzichtig in een polypropyleen (1.5 inch) polypropyleen (5.08 cm) (2 inch) naald (16-20 g) (zie materiaaltabel) om te voorkomen dat poeder losraakt (Figuur 1B, C en Figuur 2C).
3. Aansturen van doseerders
- Trek een wegwerpspuit terug tot het gewenste volume, dat kan variëren afhankelijk van de toepassing.
OPMERKING: Voor intrapulmonale toediening bij muizen is 0,15-0,6 ml doorgaans geschikt 8,9. - Bevestig de spuit aan de luer-vergrendeling op de polypropyleen- of PTFE-naald (Figuur 2D).
- Steek het naalduiteinde van de doseerder in het gewenste doel. Voor het analyseren van het poedergehalte en de reproduceerbaarheid, steekt u de naald door een geperforeerd rubberen septum of paraffinefilm in een injectieflacon met een kleine hoeveelheid (bijv. 1-5 ml) water en/of organisch oplosmiddel (bijv. ethanol), waarbij de identiteit en het volume van het oplosmiddel afhankelijk zijn van de fysieke kenmerken van het actieve farmaceutische ingrediënt (API) en de kwantificeringsmethode.
- Voor toediening aan muizen, steekt u de naald in tot aan de eerste bronchiale vertakking van de luchtpijp van verdoofde muizen volgens vastgestelde protocollen 9,15.
- Druk de spuit krachtig in, zodat het poeder uit het apparaat in de opvangflacon wordt verdreven (Figuur 2E).
OPMERKING: Dezelfde techniek moet worden gevolgd voor het afleveren van het poeder in de longen van muizen. - Gebruik voor het analyseren van de inhoud en reproduceerbaarheid van de afnameflacon een geschikte analysemethode voor de specifieke API, zoals UV-zichtbare (UV-Vis) spectrofotometrie of hoogwaardige vloeistofchromatografie (HPLC).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De aërosolprestaties van verschillende gesproeidroogde poeders werden voorafgaand aan gebruik in dit onderzoek vastgesteld. De aerodynamische deeltjesgrootteverdeling (APSD) werd beschreven door de massamediane aerodynamische diameter (MMAD), die de grootte vertegenwoordigt die de verdeling in tweeën deelt bij het 50epercentiel (d50), en de geometrische standaarddeviatie (GSD), die de breedte van de verdeling weergeeft. De GSD wordt gedefinieerd door de vierkantswortel van de aerodynamische diameter...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Aangezien muizen obligate neusademhalers zijn, maakt toediening via passieve inhalatie voor eerste proof-of-concept-studies de efficiëntie en dosisschatting een uitdaging, aangezien het poeder de neus en keel moet passeren op een manier die afhankelijk is van de deeltjeseigenschappen en de efficiëntie van de poederdispersie 7,8,14. Het gebruik van de hierin ontwikkelde dosators omzeilt de neus en keel, waarbij de dosato...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs verklaren dat ze geen belangenconflict hebben.
Dankbetuigingen
De auteurs willen de financiering van de National Institutes of Health (R01AI155922) erkennen. Microscopie werd uitgevoerd in het Chapel Hill Analytical and Nanofabrication Laboratory (CHANL), een lid van het North Carolina Research Triangle Nanotechnology Network, RTNN, dat wordt ondersteund door de National Science Foundation, Grant ECCS-1542015, als onderdeel van de National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, NNCI.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 0,6 mL microcentrifugebuisjes | Fisher Scientific | 05-408-120 | |
| Analytische weegschaal | Mettler Toledo | AR1140 | Elke analytische weegschaal met voldoende bereik kan worden gebruikt |
| Bots roestvrijstalen naald, 1 inch, 21 G | McMaster-Carr | 75165A681 | |
| Bots roestvrijstalen naald, 1 inch, 22 G | McMaster-Carr | 75165A683 | |
| Bots roestvrijstalen naald, 1 inch, 25 G | McMaster-Carr | 75165A687 | |
| Wegwerpspuit met luer-lock (1 mL) | Fisher Scientific | 14-823-30 | 3-mL spuiten kunnen ook worden gebruikt |
| Vrouwelijke BALB/c-muizen | Charles River, Wilmington, MA, VS | ||
| High-performance cascade impactor | Next Generation Impactor | Apparaat 5 | |
| Lab film (bijv. Parafilm) | Fisher Scientific | S37440 | |
| Lagenvezels doek (bijv. Kimwipes) | Kimberly-Clark Professional | 34133 | |
| Lage weerstandsdroge poederinhalator | RS01 mod 7 | ||
| Polypropyleen naald, 1,5 inch, 16 G | McMaster-Carr | 6934A111 | |
| Polypropyleen naald, 1,5 inch, 18 G | McMaster-Carr | 6934A53 | |
| Polypropyleen naald, 1,5 inch, 20 G | McMaster-Carr | 6934A55 | |
| Precisie doorsnijzaag | TedPella | 812-300 | Bandschuurmachine kan als alternatief worden gebruikt |
| PTFE naald, 2 inch, 20 G | McMaster-Carr | 75175A694 | |
| USP General Chapter <601> | http://www.uspbpep.com/usp31/v31261/usp31nf26s1_c601.asp |
Referenties
- Wu, X., Li, X., Mansour, H. M. Surface analytical techniques in solid-state particle characterization for predicting performance in dry powder inhalers. KONA Powder and Particle Journal. 28, 3-18 (2010).
- 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).
- Maloney, S. E., et al. Spray dried tigecycline dry powder aerosols for the treatment of nontuberculous mycobacterial pulmonary infections. Tuberculosis. 139, 102306(2023).
- Kaur, J., et al. A hand-held apparatus for "nose-only" exposure of mice to inhalable microparticles as a dry powder inhalation targeting lung and airway macrophages. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 34 (1), 56-65 (2008).
- Yi, J., et al. Whole-body nanoparticle aerosol inhalation exposures. Journal of Visualized Experiments. (75), e50263(2013).
- Chung, Y. H., Han, J. H., Lee, Y. -H. A study on subchronic inhalation toxicology of 1-chloropropane. Toxicological Research. 31 (4), 393-402 (2015).
- Kuehl, P. J., et al. Regional particle size dependent deposition of inhaled aerosols in rats and mice. Inhalation Toxicology. 24 (1), 27-35 (2012).
- Manser, M., et al. Design considerations for intratracheal delivery devices to achieve proof-of-concept dry powder biopharmaceutical delivery in mice. Pharmaceutical Research. 40, 1165-1176 (2023).
- Stewart, I. E., et al. Development and characterization of a dry powder formulation for anti-tuberculosis drug spectinamide 1599. Pharmaceutical Research. 36 (9), 136(2019).
- Durham, P. G., et al. Disposable dosators for pulmonary insufflation of therapeutic agents to small animals. Journal of Visualized Experiments. (121), e55356(2017).
- Miwata, K., et al. Intratracheal administration of siRNA dry powder targeting vascular endothelial growth factor inhibits lung tumor growth in mice. Molecular Therapy: Nucleic Acids. 12, 698-706 (2018).
- Duret, C., et al. Pharmacokinetic evaulation in mice of amorphous itraconazole-based dry powder formulations for inhalation with high bioavailability and extended lung retention. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 86 (1), 46-54 (2014).
- Maloney, S. E., et al. Preparation strategies of the anti-mycobacterial drug bedaquiline for intrapulmonary routes of administration. Pharmaceuticals. 16 (5), 729(2023).
- Price, D. N., Kunda, N. K., Muttil, P. Challenges associated with the pulmonary delivery of therapeutic dry powders for preclinical testing. KONA Powder and Particle Journal. 36, 129-144 (2019).
- Qiu, Y., Liao, Q., Chow, M. Y. T., Lam, J. K. W. Intratracheal administration of dry powder formulation in mice. Journal of Visualized Experiments. (161), e61469(2020).
- Fiegel, J., et al. Preparation and in vivo evaluation of a dry powder for inhalation of capreomycin. Pharmaceutical Research. 25 (4), 805-811 (2008).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
