Evaluatie van regionale longdepositie met patiëntspecifieke 3D-geprinte longmodellen
11 november 2020
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.
Dit protocol heeft het potentieel om de ontwikkeling van nieuwe gerichte pulmonaire therapieën te stimuleren door preklinische voorspellingen van regionale depositie mogelijk te maken. Deze techniek maakt gebruik van anatomisch nauwkeurige longmodellen, 3D geprint van de CT-scans van patiënten voor de snelle generatie van gepersonaliseerde voorspellende resultaten over de werkzaamheid van potentiële behandelingen. Deze techniek kan worden gebruikt om gerichte therapieën te ontwikkelen die off-target effecten minimaliseren voor ziekten die worden gekenmerkt door obstructies in regionale gebieden, zoals longkanker of COPD.
Nadat de experimentele componenten zijn afgedrukt en de nabewerking volgens de instructies van de fabrikant is voltooid, was de in zachte hars bedrukte onderdelen zorgvuldig met isopropylalcohol met ten minste 99% zuiverheid om eventueel overtollig ongenezen hars te verwijderen voordat de onderdelen in een convectieoven gedurende acht uur volgens de specificaties van de fabrikant thermisch worden uitgehard. Was vervolgens de in harde hars bedrukte onderdelen met de alcohol om eventueel overtollig ongenezen hars te verwijderen en laat de onderdelen een minuut per zijde uitharden in een UV-oven. Voor de montage van de lobuitlaatdop, steekt u een uiteinde van de ovale snelkoppelingsbuisbasis in de dop voordat u de flexibele dop voorzichtig over het andere uiteinde van de ovale basis strekt, waarbij u er zorgvuldig voor zorgt dat de dunne basis niet barst en met de spuitmond die door de opening in de dopbasis steekt.
Snijd vervolgens 10 microliter filterpapier tot een maat iets groter dan het uitlaatgebied en vouw het filterpapier over de lobuitlaat, terwijl u het papier met één hand op zijn plaats houdt. Gebruik vervolgens een pincet in de andere hand om de dop met de snelkoppelingsbuis over de uitlaat te strekken en druk de dop naar beneden tot de inkeping overeenkomt met de overeenkomstige inkeping op de lobuitlaat. Voor elke experimentele run verbindt u elke uitlaat van het longmodel met de slang van de bijbehorende flowmeter en klep en zorg ervoor dat u niet te veel zijdelingse druk uitoefent op de snelkoppelingsbuisverbinding.
Bevestig de elektronische flowmeter op de mondinlaat van het longmodel om de totale luchtstroom naar het longmodel te meten en zet de flowcontroller en vacuümpomp aan. Selecteer in de flowcontroller de instelling voor de testopstelling en verhoog langzaam de stroomsnelheid totdat de elektronische flowmeter de gewenste totale stroomsnelheid weergeeft. Gebruik de kleppen om de stroomsnelheid door de rechter bovenste, rechter middelste, rechter onderste, linker bovenste en linker onderste longkwabben aan te passen.
Zodra de laadstroomsnelheden op de flowmeters constant zijn op de gewenste waarde, controleert u de totale stroomsnelheid opnieuw op de elektronische flowmeter om te controleren of er geen lekken in het systeem zijn. Verlaat vervolgens de testopstelling in de flowcontroller en laat de vacuümpomp aan. Voor aerosolafgifte naar het longmodel, vult u een vernevelaar met een oplossing van de gewenste fluorescerende deeltjes en verbindt u de vernevelaar met de inlaat van het longmodel.
Om de werkzaamheid van het richtmiddel te meten, plaatst u het apparaat in het longmodel en verbindt u de vernevelaar met het apparaat. Verbind de gecomprimeerde luchtleiding met de vernevelaar. Stel de flowcontroller in om één proef van tien seconden te laten lopen en open de klep voor gecomprimeerde lucht iets om een aerosol in de vernevelaar te gaan genereren.
Druk op start op de flowcontroller en open onmiddellijk de klep voor gecomprimeerde lucht volledig. Wanneer de flowcontroller ongeveer negen seconden bereikt, begint u de klep voor gecomprimeerde lucht te sluiten en sluit u de afzuigkap zo veel mogelijk. Zodra de klep volledig gesloten is, koppelt u de vernevelaar los van de gecomprimeerde luchtleiding.
Sluit de afzuigkap volledig, zet de vacuümpomp uit en laat eventuele aerosolen uit de afzuigkap verdwijnen. Na ongeveer 10 minuten koppelt u het longmodel los van het slangensysteem, zorg ervoor dat u de snelkoppelingen voor de buis niet beschadigd en gebruik een pincet onder de rand van elke lobuitlaat om de doppen van de uitlaten te verwijderen. Breng vervolgens het filterpapier van elke dop over in afzonderlijke putjes van een 24-putjesplaat, met de deeltjesdeposities naar beneden.
Wanneer al het filterpapier is verzameld, plaatst u de plaat op het podium van een digitale fluorescentiemicroscoop en stelt u de microscoop in op een 4X-vergroting en het juiste fluorescentiekanaal. Neem vervolgens op zijn minst drie afbeeldingen van het filterpapier van elke lob op willekeurige locaties en sla de afbeeldingen op als TIF-bestanden. Onder omstandigheden van verzamelen van één liter per minuut in een gezonde long, beïnvloed door COPD, is het experimenteel bepaalde depositieprofiel niet statistisch verschillend van de klinische gegevens, wat aantoont dat de opstelling nauwkeurig de luchtstroomverdeling naar elk van de longkwabben nabootst.
In vergelijking met het niet-gerichte deeltjesdepositieprofiel, genereert het gebruik van een gemodificeerde endotracheale buis een bijna viervoudige toename in de afgifte in de linker onderste lob. Naast het afleiden van meer dan 96%van de afgeleverde deeltjes naar de linker long. Door de locatie van de afgifte in te stellen om de rechter onderste lob te targeten, genereert dit apparaat meer dan het dubbele van de deeltjesafgifte naar de rechter lob en leidt 94%van de afgeleverde deeltjes af naar de rechter long.
In vergelijking met het niet-gerichte deeltjesdepositieprofiel veroorzaakt het concentrische cilinderapparaat een bijna drievoudige toename in de afgifte in de linker bovenste lob, naast het afleiden van meer dan 87%van de afgeleverde deeltjes naar de linker long. De targeting-efficiëntie kan ook kwalitatief worden waargenomen door de afbeeldingen van het doelkwabfilter te vergelijken met de andere uitlaatfilters. Zoals geïllustreerd, zal de meest effectieve targeting-methode een hoge deeltjesdeposities opleveren op de beoogde lob van belang en een lage depositie op de resterende lobuitlaten.
Het is essentieel om ervoor te zorgen dat de componenten correct zijn aangesloten om lekken in het systeem
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Deze studie presenteert een high-throughput in vitro methode voor het kwantificeren van regionale pulmonale depositie op lobniveau met behulp van 3D-geprinte longmodellen, afgeleid van CT-scans. De techniek is erop gericht de ontwikkeling van gerichte pulmonale therapeutica te verbeteren door preklinische voorspellingen van regionale depositie mogelijk te maken.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschappelijk gebied
- Pulmonale therapieën
- 3D-printtechnologie
- In vitro modellering
Achtergrond
- Gerichte therapieën zijn cruciaal voor het minimaliseren van off-target effecten.
- Ziekten zoals longkanker en COPD gaan vaak gepaard met regionale obstructies.
- Gepersonaliseerde predictieve resultaten kunnen de effectiviteit van de behandeling verbeteren.
- 3D-geprinte longmodellen kunnen worden afgeleid van patiëntspecifieke CT-scans.
Doel van de studie
- Om een methode te ontwikkelen voor het kwantificeren van de pulmonale depositie.
- Om de creatie van gepersonaliseerde therapeutische strategieën te faciliteren.
- Om de snelle generatie van voorspellende resultaten voor de effectiviteit van de behandeling mogelijk te maken.
Gebruikte methoden
- 3D-printen van longmodellen op basis van CT-scans.
- Nabehandeling van geprinte componenten met isopropylalcohol.
- Thermisch uitharden van zachte harsonderdelen in een convectieoven.
- UV-uitharding van harde harsonderdelen voor de definitieve assemblage.
Belangrijkste Resultaten
- De methode maakt een nauwkeurige modellering van pulmonale depositie mogelijk.
- Gepersonaliseerde modellen kunnen de effectiviteit van een behandeling effectief voorspellen.
- Doelgerichte therapieën kunnen worden ontwikkeld voor specifieke longziekten.
- De aanpak minimaliseert off-target effecten bij de behandeling.
Conclusies
- Deze techniek heeft belangrijke implicaties voor pulmonale therapieën.
- Het ondersteunt de ontwikkeling van gepersonaliseerde geneeskundige benaderingen.
- Toekomstige studies kunnen deze methode uitbreiden naar bredere toepassingen.
Veelgestelde vragen
Relevantie voor de Industrie
Dit protocol vult een kritiek gat in de ontwikkeling van pulmonale therapieën door preklinische voorspelling van regionale aerosolafgifte mogelijk te maken, een cruciale factor voor doelbinding en de therapeutische index. Door lobulaire depositie te kwantificeren met behulp van patiëntspecifieke 3D-geprinte longmodellen, ondersteunt deze methode het mechanische risicobeheer van inhalatietherapieën en informeert het go/no-go-beslissingen in de vroege ontdekkingsfase. De mogelijkheid om diverse patiëntdemografieën en ziektestadia te modelleren, vergroot de translationele relevantie en de prioritering van het portfolio voor respiratoire indicaties.
Strategische toepassingen in biofarmaceutische R&D
Vroege Ontdekking & Targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk door de regionale toediening van geneesmiddelen aan zieke longkwabben te kwantificeren.
- Operationele waarde: Ondersteunt biologische risicovermindering via anatomisch accurate, van patiënten afgeleide modellen die variabiliteit in leeftijd, ras en geslacht weerspiegelen.
- Voorspellende waarde: Verhoogt het vertrouwen in het target door in vitro depositieprofielen te correleren met klinische gegevens over de luchtstroomverdeling.
Screening & Assay-ontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Biedt kwantitatieve, op fluorescentie gebaseerde read-outs van partikeldepositie per lob voor vergelijkende screening van apparaten of formuleringen.
- Operationele waarde: Maakt assay-standaardisatie mogelijk via onafhankelijke flowcontrole per lob en een lekbestendig systeemontwerp voor reproduceerbare resultaten.
- Schaalbaarheid: Compatibel met high-throughput workflows met behulp van commercieel beschikbare flowmeters, kleppen en microscopieplatforms.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Faciliteert translationele continuïteit door inhalatiecondities te modelleren die de prestaties van klinische hulpmiddelen weerspiegelen, zoals het richten op de endotracheale tube.
- Operationele waarde: Maakt snelle iteratie van apparaat- of formuleringsontwerpen mogelijk om de regionale afgifte te optimaliseren vóór kostbare in vivo studies.
- Risicobeperking: Vermindert het risico op falen in een laat stadium door depositiepatronen buiten het doelgebied vroegtijdig te identificeren tijdens de preklinische evaluatie.
Integratie van pipeline & workflow
De methode is geïntegreerd in het ontdekkingscontinuüm, van targetvalidatie tot leadidentificatie, en levert kwantitatieve depositiegegevens die informatie verschaft voor structuur-activiteitsrelaties en inspanningen voor apparaatoptimalisatie voorafgaand aan preklinische werkzaamheidsstudies.
- Discovery Biology: Ondersteunt de validatie van pathways en targets door de efficiëntie van geneesmiddelafgifte te koppelen aan lobulaire depositie in ziekterelevante longmodellen.
- Screening: Maakt gebruiksklare assay-formaten mogelijk voor het vergelijken van aerosolafgifte tussen verschillende drugcarriers, apparaten of formuleringen onder gecontroleerde stroomcondities.
- Analytics: Genereert kwantitatieve metingen van fluorescentie-intensiteit per lob, waardoor statistische vergelijking van targeting-efficiëntie en off-target accumulatie mogelijk is.
- Translationeel onderzoek: Zorgt voor preklinische continuïteit door het integreren van klinisch relevante afgifteapparaten en het modelleren van ziekte-specifieke wijzigingen in de luchtstroom.
- Bedrijfsvoering en hergebruik: Vormt een modulair, aanpasbaar platform voor het evalueren van meerdere therapeutische kandidaten in diverse, van patiënten afgeleide longgeometrieën.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Verhoogt het voorspellende vertrouwen in target-engagement door het leveren van kwantitatieve depositiegegevens die specifiek zijn voor de longlobben.
- Operationele waarde: Garandeert reproduceerbaarheid via gestandaardiseerde protocollen voor nabewerking, flowkalibratie en beeldvorming.
- Strategische waarde: Verbetert de kapitaalefficiëntie door de afhankelijkheid van iteratieve in vivo studies voor de optimalisatie van apparaten of formuleringen te verminderen.
- Impact op de portfolio: Maakt risicogecorrigeerde beslissingen over verdere ontwikkeling mogelijk op basis van aangetoonde regionale targetingcapaciteit in menselijk relevante modellen.
Overwegingen voor implementatie
- Vereist expertise in de voorbereiding van 3D-modellen, het hanteren van harsen en fluorescentiemicroscopie voor een nauwkeurige kwantificering van de depositie.
- Afhankelijk van toegang tot 3D-printers die in staat zijn tot het uitharden van zachte en harde harsen, flowcontrollers, kleppen en vacuümsystemen voor lobespecifieke luchtstroombeheersing.
- Noodzaak tot standaardisatie van beeldanalyseprotocollen tussen teams om een consistente fluorescentiekwantificering over de lobben en experimentele runs te waarborgen.
- Moet rekening houden met modelspecifieke variabiliteit in de geometrie van de luchtwegen bij het extrapoleren van resultaten naar patiëntenpopulaties of ziektebeelden.
- Beperkt tot in vitro condities; houdt geen rekening met mucociliaire klaring, epitheliale permeabiliteit of alveolaire macrofaagactiviteit die de in vivo depositie kunnen beïnvloeden.
Veelgestelde vragen over Biopharma
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:39
3D Printed Experimental Component Preparation
1:20
Lobe Outlet Cap Assembly
2:14
Clinically Relevant Air Flow Profile Generation
3:28
Aerosol Delivery
5:09
Outlet Paper Imaging
5:36
Results: Representative Setup Validation and Targeting Experiment Data
7:19
Conclusion
