Name: Modellering en simulaties van olfactorische Drug Delivery met passieve en actieve controles van nasaal inhalatie medische aërosolen (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-05-20T14:00:00.000+00:00
Duration: 15 min 4 s
Description: Verken computationele modellering van olfactorische drug delivery met passieve en actieve controles van nasale inhalatie-aërosolen. Deze methode optimaliseert de dosering voor neurowetenschappelijke toepassingen.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Deze studie werd gefinancierd door de Central Michigan University Innovative Research Grant P421071 en Early Career Grant P622911.

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 <ol><li> 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. </li><li> Open Imaging Program (bijvoorbeeld nabootst) <ol><li> Om afbeeldingen te importeren, klikt u op &quot;File&quot;, &quot;Beelden importeren&quot;. Selecteer de MR-beelden en klik op &quot;Ok&quot;. </li><li> Om de 3-D-model te bouwen, klikt u op &quot;Segmentation&quot;, dan &quot;Threshold&quot; om de grijswaardegebied ingesteld tussen -1020 en -500. Klik op &quot;Segmentation&quot;, &quot;Bereken 3D&quot;. </li><li> Klik op &quot;Segmentatie&quot; en &quot;Bereken polylijnen&quot;. Selecteer 3-D Lichaam, en klik op &quot;OK&quot; om de polylijnen dat de vaste geometrie definiëren genereren. Exporteer de polylijnen als een IGES-bestand. </li></ol></li><li> Open Model Development Software (bijv Gambit) <ol><li> Klik op &quot;File&quot;, &quot;Import&quot;, &quot;IGES&quot; om het IGES bestand importeren in het programma. Klik op &#39;Edge opdracht knop &quot;op het rechter paneel; Klik op &quot;Create Edge&quot; en selecteer &quot;NURBS&quot; naar vloeiende contouren te reconstrueren. </li><li> Klik op &#39;Gezicht opdracht knop &quot;, klik vervolgens op&quot; Form face &quot;. Selecteer &quot;Wireframe&quot; naar een oppervlakte te bouwen vanaf de randen. Blijven alle oppervlakken die de hele luchtweg te dekken bouwen. Behoud de nasale anatomische details, zoals de huig, epiglottal vouwen, en laryngeale sinus (figuur 1). Klik op &quot;File&quot;, &quot;Export&quot; &quot;IGES&quot; aan de nasale luchtweg model exporteren. </li></ol></li><li> Open Meshing Software (bijv ICEM CFD) <ol><li> Klik op &quot;File&quot;,&quot; Import Geometry &quot;,&quot; Legacy &quot;en&quot; STEP / IES &quot;aan de nasale luchtweg model importeren Klik op.&quot; Create Parts &quot;om de luchtwegen oppervlakken in vijf verschillende regio&#39;s te verdelen: nasale vestibule, nasale klep, turbinate regio, olfactorische, en nasopharynx. </li><li> Om computational mesh in de luchtweg te genereren, klikt u op &quot;Netwerk&quot;, &quot;Global Mesh Setup&quot;. Geef de maximale maaswijdte 0,1 mm en klik op &quot;Apply&quot;. </li><li> Om een ​​lichaam aangebracht maas in de buurt van de muur regio toe te voegen, klikt u op &quot;Compute Mesh&quot;, &quot;Prism Mesh&quot;. Geef het aantal lagen als 5 en de groeiende ratio 1,25 en klik op &quot;Apply&quot;. </li></ol></li></ol> 2. Passieve Controle van deeltjes <ol><li> Vestibulair intubatie: Front vs. Terug <ol><li> Open Model Development Software om de neus model met voor- vestibulair intubatie te ontwikkelen. Klik op &quot;Volume&quot;, dan &quot;Move / copy&quot; om de locatie van de n te veranderenebulizer katheter 5 mm in de vestibule van neusgat tip. Klik op &quot;injectie&quot; tot 60.000 deeltjes (150 nm) laat in het neusgat. </li><li> Open de vloeistof simulatie-software (bijv ANSYS Fluent) naar deeltjesdepositie tarieven te berekenen in de neus. Om het veld luchtstroom te berekenen in de luchtwegen, selecteert u de laminaire stroming model door te klikken op &quot;Bepaal&quot;, &quot;modellen&quot;, &quot;viskeuze&quot;; koos voor &quot;Laminar&quot; onder &quot;Viscous model&quot;. </li><li> Selecteer de &quot;Discrete Phase model&quot; naar deeltje bewegingen te volgen. Check &quot;Saffman Lift Force&quot; onder &quot;Discrete Phase Model&quot;. Klik op &quot;Report&quot;, kies dan &quot;Sample Trajecten&quot;; Selecteer &quot;neus&quot; onder &quot;Grenzen&quot; en klik op &quot;Bereken&quot; om het aantal deeltjes afgezet in de vooraf gedefinieerde olfactorische regio. Bereken de afzettingssnelheid als de verhouding van de hoeveelheid afgezette deeltjes om de hoeveelheid deeltjes in de neusgaten. </li><li> Herhaal stap2.1.2 voor 1 um deeltjes. </li><li> Volg de stap 2.1.1, plaatst het spuitmondstuk 5 mm in de vestibule van de achterkant van het neusgat. Herhaal stap 2.1.2 en 2.1.3 tot depositie tarief voor 150 nm deeltjes te berekenen. Herhaal stap 2.1.4 voor 1 micrometer deeltjes (back-intubatie). </li></ol></li><li> Deep intubatie <ol><li> Volg de procedure 2.1.1 om de vernevelaar katheter direct onder het olfactorische gebied. Vrijgeven 60.000 submicron deeltjes (150 nm) van de vernevelaar. </li><li> Gebruik vloeistof en simulatiesoftware om deeltjes deposities in de neus op zowel de totale en lokale basis te berekenen aan de hand van soortgelijke procedures zoals vermeld in 2.1.2. Herhaal deze procedure voor 1 um deeltjes. </li><li> Herhaal de bovenstaande procedures tijdens het trainen ademhaling-holding en uitademing, respectievelijk. Klik op &quot;Bepaal&quot;, dan &quot;randvoorwaarden&quot; om de randvoorwaarde te openen. Geef snelheid nul op de twee neusgaten om te ademen-holding. Specificeren vacuümdruk (200 Pa) in de neusgaten en nul druk bij de uitlaat voor uitademen. </li></ol></li></ol> 3. Active Control: Magnetophoretic Guidance <ol><li> Test in een twee-Plate Channel <ol><li> Open magnetische deeltjes tracking software (bijv COMSOL). Klik op &quot;Geometry&quot;, en &quot;Rectangle&quot; om de twee-plaat kanaal te bouwen. Klik op &quot;Rectangle&quot; om de magneten rond de twee-plaat kanaal te bouwen. </li><li> Bereken het deeltje trajecten en depositie tarief. Klik op &quot;Model 1&quot;, &quot;laminaire stroming&quot; en &quot;Inlet 1&quot;; specificeert de inlaat snelheid 0,5 m / s. Klik op &quot;Model 1&quot;, &quot;Magnetic Fields &#39;en&#39; Magnetic Flux Conservation&quot;, geeft de kracht van de drie magneten (1 x 10 5 A / m). </li><li> Klik op &quot;Model 1&quot;, &quot;Particle Tracking voor Fluid Flow&quot;, en &quot;Particle Properties&quot;; Geef de deeltjesdiameter (15 pm), dichtheid (1,78 g / cm 3). Klik op &quot;Inlet&quot; tot 3.000 deeltjes vrij te geven. Klik op &quot;Magnetophoretic Force&quot;, geeft deeltje relatieve permeabiliteit (50). Klik op &quot;Compute&quot;. </li><li> Om te weten hoeveel deeltjes het storten in het geselecteerde gebied, klikt u op &quot;resultaten&quot;, &quot;1D Plot Group&quot; en &quot;Plot&quot;. Bereken de afzettingssnelheid als de verhouding van de hoeveelheid deeltjes gestort bepaald gebied om de hoeveelheid deeltjes in de geometrie. </li><li> Om de magneet kracht aan te passen, klikt u op &quot;Model 1&quot;, dan &quot;Magnetic Fields&quot;; kies &quot;Magnetic Flux Conservation&quot;, en verander de magneet kracht onder &quot;Magnetisatie&quot;. Verhoog de ​​magneet kracht door een toename van 1 × 10 4 A / m en klik op &quot;Bereken&quot;. </li><li> Herhaal deze procedure totdat de juiste magneten regeling werd verkregen voor de effectieve levering van geneesmiddelen aan het olfactorische gebied. </li></ol></li><li> Test in de 2-D geïdealiseerde model Nose <ol><li> Breng de magnetische krachten verkregen 3,1 in een 2-D model neus door er drie magneten 1 mm boven de neus. Klik &quot;Model 1&quot;, &quot;Geometry 1&quot; naar de grootte en positie van de magneet specificeren. Klik &quot;Model 1&quot;, &quot;Particle Tracking voor Fluid Flow&quot;, &quot;inlaat&quot; naar 3000 deeltjes vrijkomen in de linker neusgat. Klik op &#39;Particle Eigenschappen &quot;om de deeltjesgrootte opgeven als 15 pm. </li><li> Simuleren het deeltje trajecten en de daaropvolgende olfactorische levering efficiëntie door het volgen soortgelijke procedures zoals vermeld in 3.1.2. </li><li> Pas de magneet lay-out en de kracht om olfactorische levering efficiëntie te verbeteren. Om de magneet grootte en positie aan te passen, klikt u op &quot;Model 1&quot;, dan &quot;Geometry 1&quot;; kiezen voor de magneet van belang, veranderen de waarden van de breedte, diepte, hoogte of x, y, z. 3.1.5 volg de magneetsterkte passen. </li></ol></li><li> Test in de 3-D Anatomisch Nauwkeurige Nose Model <ol><li> kabouterort de 3-D nasale luchtweg model in Magnetic Particle Tracking software. Volg de procedure 3.2.1, zet vier magneten 1 mm boven de neus en laat 3000 deeltjes van 15 micrometer in diameter van de ene gekozen punt alleen. </li><li> Gebruik Magnetic Particle Tracking software om deeltje trajecten volgen en te berekenen olfactorische levering efficiëntie door het volgen soortgelijke procedures zoals vermeld in 3.2.1 - 3.2.3. </li><li> Na 3.2.3, passen de magneet lay-out en de kracht in het 3D-model aan de gerichte aflevering aan de olfactorische regio te verbeteren. </li><li> Test deeltjesgrootte variërend 1-30 urn tot de juiste deeltjesgrootte vinden waar optimale magnetophoretic begeleiding van de olfactorische gebied. </li></ol></li></ol>

<ol><li>Mistry, A., Stolnik, S., Illum, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoparticles+for+direct+nose-to-brain+delivery+of+drugs%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Pharm%22%5BJournal%5D)">Nanoparticles for direct nose-to-brain delivery of drugs.</a> Int. J. Pharm. 379 (1), 146-157 (2009).</li>
<li>Alam, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Development+and+evaluation+of+thymoquinone-encapsulated+chitosan+nanoparticles+for+nose-to-brain+targeting%3A+a+pharmacoscintigraphic+study%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Nanomedicine%22%5BJournal%5D)">Development and evaluation of thymoquinone-encapsulated chitosan nanoparticles for nose-to-brain targeting: a pharmacoscintigraphic study.</a> Int. J. Nanomedicine. 7 (11), 5705-5718 (2012).</li>
<li>Shi, H., Kleinstreuer, C., Zhang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Laminar+airflow+and+nanoparticle+or+vapor+deposition+in+a+human+nasal+cavity+model%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Biomech.+Eng%22%5BJournal%5D)">Laminar airflow and nanoparticle or vapor deposition in a human nasal cavity model.</a> J. Biomech. Eng. 128 (5), 697-706 (2006).</li>
<li>Si, X., Xi, J., Kim, J., Zhou, Y., Zhong, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+of+release+position+and+ventilation+effects+on+olfactory+aerosol+drug+delivery%5BTitle%5D)+AND+%22Respir.+Physiol.+Neurobiol%22%5BJournal%5D)">Modeling of release position and ventilation effects on olfactory aerosol drug delivery.</a> Respir. Physiol. Neurobiol. 186 (1), 22-32 (2013).</li>
<li>Si, X., Xi, J., Kim, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effect+of+laryngopharyngeal+anatomy+on+expiratory+airflow+and+submicrometer+particle+deposition+in+human+extrathoracic+airways%5BTitle%5D)+AND+%22Open+J.+Fluid+D%22%5BJournal%5D)">Effect of laryngopharyngeal anatomy on expiratory airflow and submicrometer particle deposition in human extrathoracic airways.</a> Open J. Fluid D. 3 (4), 286-301 (2013).</li>
<li>Xi, J., Longest, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+predictions+of+submicrometer+aerosol+deposition+in+the+nasal+cavity+using+a+novel+drift+flux+approach%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Heat+Mass+Transfer%22%5BJournal%5D)">Numerical predictions of submicrometer aerosol deposition in the nasal cavity using a novel drift flux approach.</a> Int. J. Heat Mass Transfer. 51 (23), 5562-5577 (2008).</li>
<li>Illum, L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nasal+drug+delivery%3A+new+developments+and+strategies%5BTitle%5D)+AND+%22Drug+Discov.+Today%22%5BJournal%5D)">Nasal drug delivery: new developments and strategies.</a> Drug Discov. Today. 7 (23), 1184-1189 (2002).</li>
<li>El Taoum, K. K., Xi, J., Kim, J. W., Berlinski, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+vitro+evaluation+of+aerosols+delivered+via+the+nasal+route%5BTitle%5D)+AND+%22Respir.+Care%22%5BJournal%5D)">In vitro evaluation of aerosols delivered via the nasal route.</a> Respir. Care. 60 (7), 1015-1025 (2015).</li>
<li>Misra, A., Kher, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Drug+delivery+systems+from+nose+to+brain%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Pharm.+Biotechnol%22%5BJournal%5D)">Drug delivery systems from nose to brain.</a> Curr. Pharm. Biotechnol. 13 (12), 2355-2379 (2012).</li>
<li>Hoekman, J. D., Ho, R. J. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+Localized+Hydrophilic+Mannitol+and+Hydrophobic+Nelfinavir+Administration+Targeted+to+Olfactory+Epithelium+on+Brain+Distribution%5BTitle%5D)+AND+%22Aaps+Pharmscitech%22%5BJournal%5D)">Effects of Localized Hydrophilic Mannitol and Hydrophobic Nelfinavir Administration Targeted to Olfactory Epithelium on Brain Distribution.</a> Aaps Pharmscitech. 12 (2), 534-543 (2011).</li>
<li>Corley, R. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparative+Computational+Modeling+of+Airflows+and+Vapor+Dosimetry+in+the+Respiratory+Tracts+of+Rat%2C+Monkey%2C+and+Human%5BTitle%5D)+AND+%22Toxicol.+Sci%22%5BJournal%5D)">Comparative Computational Modeling of Airflows and Vapor Dosimetry in the Respiratory Tracts of Rat, Monkey, and Human.</a> Toxicol. Sci. 128 (2), 500-516 (2012).</li>
<li>Shi, H., Kleinstreuer, C., Zhang, Z. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Modeling+of+inertial+particle+transport+and+deposition+in+human+nasal+cavities+with+wall+roughness%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Aerosol+Sci%22%5BJournal%5D)">Modeling of inertial particle transport and deposition in human nasal cavities with wall roughness.</a> J. Aerosol Sci. 38 (4), 398-419 (2007).</li>
<li>Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Donohue, J. F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Targeted+drug-aerosol+delivery+in+human+respiratory+system%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Biomed.+Eng%22%5BJournal%5D)">Targeted drug-aerosol delivery in human respiratory system.</a> Annu. Rev. Biomed. Eng. 10 (4), 195-220 (2008).</li>
<li>Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Li, Z., Roberts, W. L., Rojas, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+new+methodology+for+targeting+drug-aerosols+in+the+human+respiratory+system%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Heat+Mass+Transfer%22%5BJournal%5D)">A new methodology for targeting drug-aerosols in the human respiratory system.</a> Int. J. Heat Mass Transfer. 51 (23), 5578-5589 (2008).</li>
<li>Wilson, I. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+deposition+of+charged+particles+in+tubes%2C+with+reference+to+the+retention+of+therapeutic+aerosols+in+the+human+lung%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Colloid+Sci%22%5BJournal%5D)">The deposition of charged particles in tubes, with reference to the retention of therapeutic aerosols in the human lung.</a> J. Colloid Sci. 2 (2), 271-276 (1947).</li>
<li>Wong, J., Chan, H. -K., Kwok, P. C. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrostatics+in+pharmaceutical+aerosols+for+inhalation%5BTitle%5D)+AND+%22Ther+Deliv%22%5BJournal%5D)">Electrostatics in pharmaceutical aerosols for inhalation.</a> Ther Deliv. 4 (8), 981-1002 (2013).</li>
<li>Bailey, A. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+inhalation+and+deposition+of+charged+particles+within+the+human+lung%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Electrostatics%22%5BJournal%5D)">The inhalation and deposition of charged particles within the human lung.</a> Journal of Electrostatics. 42 (1), 25-32 (1997).</li>
<li>Xi, J., Si, X. A., Gaide, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Electrophoretic+particle+guidance+significantly+enhances+olfactory+drug+delivery%3A+a+feasibility+study%5BTitle%5D)+AND+%22PLoS+ONE%22%5BJournal%5D)">Electrophoretic particle guidance significantly enhances olfactory drug delivery: a feasibility study.</a> PLoS ONE. 9 (1), e86593(2014).</li>
<li>Martin, A., Finlay, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Alignment+of+magnetite-loaded+high+aspect+ratio+aerosol+drug+particles+with+magnetic+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Aerosol+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Alignment of magnetite-loaded high aspect ratio aerosol drug particles with magnetic fields.</a> Aerosol Sci. Technol. 42 (4), 295-298 (2008).</li>
<li>Dames, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Targeted+delivery+of+magnetic+aerosol+droplets+to+the+lung%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Targeted delivery of magnetic aerosol droplets to the lung.</a> Nature Nanotechnology. 2 (8), 495-499 (2007).</li>
<li>Xi, J., Longest, P. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Transport+and+deposition+of+micro-aerosols+in+realistic+and+simplified+models+of+the+oral+airway%5BTitle%5D)+AND+%22Ann.+Biomed.+Eng%22%5BJournal%5D)">Transport and deposition of micro-aerosols in realistic and simplified models of the oral airway.</a> Ann. Biomed. Eng. 35 (4), 560-581 (2007).</li>
<li>Longest, P. W., Xi, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effectiveness+of+direct+Lagrangian+tracking+models+for+simulating+nanoparticle+deposition+in+the+upper+airways%5BTitle%5D)+AND+%22Aerosol+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Effectiveness of direct Lagrangian tracking models for simulating nanoparticle deposition in the upper airways.</a> Aerosol Sci. Technol. 41 (4), 380-397 (2007).</li>
<li>Xi, J., Zhang, Z., Si, X. A., Yang, J., Deng, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Optimization+of+magnetophoretic-guided+drug+delivery+to+the+olfactory+region+in+a+human+nose+model%5BTitle%5D)+AND+%22Biomech.+Model.+Mechanobiol.+In%22%5BJournal%5D)">Optimization of magnetophoretic-guided drug delivery to the olfactory region in a human nose model.</a> Biomech. Model. Mechanobiol. In. , (2015).</li>
<li>Longest, P. W., Hindle, M., Das Choudhuri, S., Xi, J. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Comparison+of+ambient+and+spray+aerosol+deposition+in+a+standard+induction+port+and+more+realistic+mouth-throat+geometry%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Aerosol+Sci%22%5BJournal%5D)">Comparison of ambient and spray aerosol deposition in a standard induction port and more realistic mouth-throat geometry.</a> J. Aerosol Sci. 39 (7), 572-591 (2008).</li>
<li>Xi, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Design+and+Testing+of+Electric-Guided+Delivery+of+Charged+Particles+to+the+Olfactory+Region%3A+Experimental+and+Numerical+Studies%5BTitle%5D)+AND+%22Curr.+Drug+Deliv%22%5BJournal%5D)">Design and Testing of Electric-Guided Delivery of Charged Particles to the Olfactory Region: Experimental and Numerical Studies.</a> Curr. Drug Deliv. 13 (9), 1-15 (2015).</li>
<li>Zhou, Y., Guo, M., Xi, J., Irshad, H., Cheng, Y. -S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nasal+deposition+in+infants+and+children%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+aerosol+medicine+and+pulmonary+drug+delivery%22%5BJournal%5D)">Nasal deposition in infants and children.</a> Journal of aerosol medicine and pulmonary drug delivery. 27 (2), 110-116 (2014).</li>
<li>Xi, J., Yuan, J. E., Si, X. A., Hasbany, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Numerical+optimization+of+targeted+delivery+of+charged+nanoparticles+to+the+ostiomeatal+complex+for+treatment+of+rhinosinusitis%5BTitle%5D)+AND+%22Int.+J.+Nanomedicine%22%5BJournal%5D)">Numerical optimization of targeted delivery of charged nanoparticles to the ostiomeatal complex for treatment of rhinosinusitis.</a> Int. J. Nanomedicine. 10 (7), 4847-4861 (2015).</li>
</ol>

De auteurs melden geen belangenconflicten in dit werk.

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 ...

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 (&lt;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 gebruikelijke inhalatoren afhankelijk aërodynamische krachten om therapeutische middelen te vervoeren naar het doelgebied 7. Er is verder geen controle over de bewegingen van de deeltjes na hun vrijlating. Daarom is het transport en de afzetting van deze deeltjes voornamelijk afhankelijk van hun aanvankelijke snelheden en posities afgifte. verschuldigdde ingewikkelde neusholte en het gebrek aan controle deeltje, de meeste geneesmiddeldeeltjes worden gevangen in de voorste neus en kan het olfactorische gebied 8 niet bereikt. Terwijl er veel keuzes van nasale apparaten, die speciaal is ontworpen voor gerichte olfactorische levering zijn zelden gemeld 7,9. Een uitzondering is Hoekman en Ho 10 die een geur-preferentiële afgifte inrichting ontwikkeld en gedemonstreerd hogere cortex-bloed geneesmiddelconcentraties in ratten tegenstelling tot het gebruik van een neusdruppel. Echter, het schalen van de afzettingsresultaten in ratten mens is niet eenvoudig, aangezien de grote anatomische en fysiologische verschillen tussen deze twee soorten 11. Veel beperkingen bestaan ​​bij het gebruik van aangepaste versies van standaard nasale inrichtingen voor olfactorische leveringen. Één primaire nadeel is dat slechts een klein deel van medicijnen kan worden geleverd aan het olfactorische slijmvlies, waardoor de medicatie kan het invoerenhersenen. Numerieke modellering voorspelde dat minder dan 0,5% van intranasaal toegediende nanodeeltjes kunnen deponeren in het olfactorische gebied 3,5. De afzetting tarief nog lager (0,007%) voor micrometer deeltjes 12. Om de neus-tot-hersenen leveren klinisch haalbaar, de olfactorische depositiesnelheid moet aanzienlijk worden verbeterd. Er bestaan ​​verschillende mogelijke benaderingen van het olfactorische levering te verbeteren. Een benadering is het door Kleinstreuer et al. 13 voorgesteld als deeltjes afzetten in een regio voornamelijk uit een specifiek gebied aan de inlaat slimme inhalator idee is het mogelijk om deeltjes te leveren aan de doelplaats slechts deze vanuit bepaalde gebieden bij de inlaat . De slimme afleveringstechniek is aangetoond dat veel efficiënter longen gebracht dan gebruikelijke werkwijzen gegenereerd. 13,14 hypothese is dat deze slimme levering gedachte ook intranasaal geneesmiddelafgifte kunnen worden toegepast improve doseringen de olfactorische mucosa. Door het vrijgeven van deeltjes in verschillende functies bij het neusgat opening en vanuit verschillende diepten in de neusholte, verbeterde olfactorische levering efficiëntie en verminderde geneesmiddel afval in de voorste neus zijn mogelijk. Een andere mogelijke methode is actieve regeling van de beweging van de deeltjes binnen de neusholte met verschillende veldkrachten, zoals elektrische of magnetische kracht. Elektrische bediening van geladen deeltjes is voorgesteld voor gerichte geneesmiddelafgifte aan de menselijke neus en longen 15-17. Xi et al. 18 numeriek testte de prestaties van elektrische geleiding van geladen deeltjes en voorspelde aanzienlijk verbeterd olfactorische doses. Evenzo begeleiding van ferromagnetische geneesmiddeldeeltjes met een geschikt magneetveld heeft ook het potentieel om deeltjes tot de olfactorische mucosa targeten. Gedrag van geïnhaleerde middelen mogelijk ferromagnetisch, kan worden gewijzigd door instelling van geschikte magnetische krachten <sup&gt; 19. Dames et al. 20 aangetoond dat het praktisch ferromagnetische deeltjes specifieke gebieden muizenlongen targeten. Door verpakkingselementen geneesmiddelen met superparamagnetische ijzeroxide nanodeeltjes, werd de afzetting in één long van muizen onder invloed van een sterk magnetisch veld aanzienlijk toegenomen in vergelijking met de andere long 20. Deeltjes werden verondersteld bolvormig en varieerde van 150 nm tot 30 pm in diameter. De inrichtende macht vergelijking is 21: (1) <img alt="vergelijking 1" src="/files/ftp_upload/53902/53902eq1.jpg" /> De bovenstaande vergelijking beschrijft de beweging van een deeltje beheerst door sleepkracht, zwaartekracht, Saffman lift kracht 22, Brownse kracht voor nanodeeltjes en magnetophoretic kracht indien geplaatst in een magnetisch veld. Hier, vi is het deeltjessnelheid, u i is de stroomsnelheid τ phet deeltje responstijd, C c de Cunningham correctiefactor, en α is de dichtheid verhouding lucht / deeltje. Om effectief gids intranasaal toegediende geneesmiddelen aan het olfactorische gebied, is het noodzakelijk dat de toegepaste magnetophoretic krachten op zowel het deeltje traagheid en zwaartekracht te overwinnen. In deze studie, een samenstelling van 20% maghemiet (γ-Fe 2 O 3, 4,9 g / cm 3) en 80% actieve stof werd aangenomen dat een dichtheid benaderde 1,78 g / cm3 en een relatieve permeabiliteit van 50 geven. de selectie van γ-Fe 2 O 3 was vanwege de lage cytotoxische. Ijzer (3+) -ionen zijn algemeen gevonden in het menselijk lichaam en een iets hogere ionconcentratie niet significante neveneffecten 23 veroorzaakt.

<table><tbody><tr><td>MIMICS 13</td><td>Materialise Inc, Ann Arbor, MI</td><td>MR-beeldsegmentatie</td><td></td></tr><tr><td>Gambit</td><td>ANSYS Inc, Canonsburg, PA&nbsp;</td><td>Modelontwikkeling</td><td></td></tr><tr><td>ANSYS ICEMCFD</td><td>ANSYS Inc, Canonsburg, PA&nbsp;</td><td>Meshing</td><td></td></tr><tr><td>ANSYS Fluent</td><td>ANSYS Inc, Canonsburg, PA&nbsp;</td><td>Vloeistof- en deeltjessimulatie</td><td></td></tr><tr><td>COMSOL Multiphsics</td><td>COMSOL Inc, Burlington, MA</td><td>Magneetdeeltjestracering</td><td></td></tr></tbody></table>

modellering en simulaties van olfactorische drug delivery met passieve en actieve controles van nasaal inhalatie medische aërosolen

Modeling and Simulations of Olfactory Drug Delivery with Passive and Active Controls of Nasally Inhaled Pharmaceutical Aerosols

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 (&lt;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.

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...

Dit manuscript bespreekt de modellering en simulaties van verschillende protocollen om medicijnen af te leveren in het reukgebied in op afbeeldingen gebaseerde neusholtemodellen. Er worden meerdere softwaremodules gebruikt om het anatomisch nauwkeurige neusmodel te ontwikkelen, een computationeel netwerk te genereren, neusluchtstromen te simuleren en deeltjesdepositie in het reukgebied te voorspellen.

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

There are many advantages of direct nose-to-brain drug delivery in the treatment of neurological disorders. However, its application is limited by the ...

Het algemene doel van deze methodologie is het ontwikkelen van verschillende protocollen om medicijnen toe te dienen aan de olfactorische regio in op beelden gebaseerde modellen van de neusgangen. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van belangrijke vragen over neurologische medicijntoediening, zoals: of het haalbaar is om een adequate dosis aan de olfactorische regio toe te dienen en hoe de beweging van deeltjes in de neus kan worden gecontroleerd.Wat is de beste praktijk voor olfactorische targeting? Het belangrijkste voordeel van deze techniek is dat een significant verhoogde olfactorische dosering kan worden bereikt. Dit is een cruciale stap voor geneesmiddeltoediening via de neus naar de hersenen.De implicaties van deze techniek strekken zich uit tot de therapie van hersentumoren, aangezien geneesmiddelpartikels die in de olfactorische regio worden afgezet direct het brein kunnen binnendringen. Begin met het verkrijgen van magnetische resonantiebeelden, of MR-beelden, van een gezonde, niet-rokende man van 53 jaar, bestaande uit 72 coronale doorsneden met een tussenruimte van 1,5 millimeter, die zich uitstrekken van de neusgaten tot de nasofarynx.Open de imagingsoftware

modeling-simulations-olfactory-drug-delivery-with-passive-active

Research

JoVE Journal

Medicine

Geneeskunde

This video demonstrates the generation of drug aerosols and the targeted nose-only delivery of these aerosols to mice using an inhalation unit equipped with an aerosol generator. The mouse is restrained in a nose-only restrainer and connected to the inhalation unit, which delivers the drug directly into the mouse's nasal cavity. Subsequently, the drug passes through the trachea and enters the lungs.

A Technique to Generate and Deliver Drug Aerosols Directly to Mouse Lungs

Source: Kanazawa, T., et al. Novel Methods for Intranasal Administration Under Inhalation Anesthesia to Evaluate Nose-to-Brain Drug Delivery. J. Vis. Exp. (2018)This video demonstrates the intranasal administration of radiolabeled drugs in an anesthetized mouse to achieve nose-to-brain drug delivery. It explains how drugs cross the nasal epithelium and travel via neuronal pathways to reach the brain, as well as how ciliary motion influences drug retention and clearance. Additionally, the video...

Intranasal Drug Administration in Mice via Pipette and Reverse-Cannulation for Nose-to-Brain Drug Delivery

Tijdens de ontwikkeling van geneesmiddelen voor pulmonaire afgifte, is het noodzakelijk om de farmacokinetiek en werkzaamheid te evalueren in een diermodel. We presenteren een methode om een ​​wegwerpbare aërosolvorming te bouwen uit van standaardcomponenten die kunnen worden gebruikt voor intrapulmonaire droge poeder aërosol toedienen knaagdieren.

Wegwerp dosators voor Pulmonary Insufflatie van therapeutische middelen voor kleine dieren

De geïnhaleerd worden beschreven kunnen genereren, monster voor karakterisatie en uniform een ​​geneesmiddel aërosol in de longen van knaagdieren deponeren. Hierdoor kan de preklinische bepaling van de effectiviteit en veiligheid van geneesmiddeldoseringen afgezet in de longen; belangrijke gegevens op grond waarvan de klinische geïnhaleerde ontwikkeling van geneesmiddelen.

Droge poeder en Nebulized aërosolinhalatie van farmaceutische producten geleverd aan muizen met behulp van een neus-only Belichtingssysteem

Hier beschrijven we twee nieuwe methoden van stabiele intranasale toediening onder inademing verdoving met minimale fysieke stress voor proefdieren. Ook beschrijven we een methode voor kwantitatieve beoordeling van drug distributie niveaus in de hersenen via de neus-aan-hersenen pathway met behulp van radiolabeled [14C]-inuline als model substraat van in water oplosbare macromoleculen.

Nieuwe methoden voor intranasale toediening onder inademing verdoving te evalueren van de neus-naar-Brain Drug Delivery

De Controlled Odor Mimic Permeation System is een eenvoudige, veld-draagbare, low-cost methode van geur levering voor reuktesten en training. Het is opgebouwd uit een geurstof bewaard op een adsorberend materiaal en bevat binnenkant van een doorlaatbare polymeer zak waardoor gecontroleerde afgifte van de geurdamp na verloop van tijd.

Gecontroleerde geur Mimic Permeation Systems voor Olfactorische training en veldtesten

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.

Evaluatie van regionale longdepositie met patiëntspecifieke 3D-geprinte longmodellen

Dit artikel beschrijft het gebruik van een ademgesynchroniseerde olfactometer om single- en dual-coil transcraniële magnetische stimulatie (TMS) te activeren tijdens de presentatie van geurstof gesynchroniseerd met menselijke neusademhaling. Deze combinatie stelt ons in staat om objectief te onderzoeken hoe aangename en onaangename geuren de corticospinale prikkelbaarheid en herseneffectieve connectiviteit bij een bepaald individu beïnvloeden.

Combinatie van een ademgesynchroniseerde olfactometer met hersensimulatie om de impact van geuren op corticospinale prikkelbaarheid en effectieve connectiviteit te bestuderen

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.

Wegwerpdoseerders bedoeld voor de toediening van droog poeder aan muizen

Dit protocol presenteert Rayleigh-opsplitsing als een mild proces voor het aerosoliseren van niet-virale mRNA-vectoren. Regionale afzetting voor aerosoliseerde mRNA-vectoren wordt geëvalueerd met het Alberta Idealized Nasal Inlet (AINI) model. Groene fluorescentieproteïne (GFP)-expressie in menselijke longcellen vertegenwoordigt het behoud van fysisch-chemische en biologische functies van post-aerosoliseerde mRNA-vectoren.

Intranasale afgifte van mRNA-polyplexen via Rayleigh-opbraakaerosolen: een in vitro methode voor neusafzetting en functioneel testen

Verken computationele modellering van olfactorische drug delivery met passieve en actieve controles van nasale inhalatie-aërosolen. Deze methode optimaliseert de dosering voor neurowetenschappelijke toepassingen.

Modellering en simulaties van olfactorische Drug Delivery met passieve en actieve controles van nasaal inhalatie medische aërosolen (Video) | JoVE Journal

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

Meer video's verkennen