Modelowanie i symulacje dostarczania leków węchowych z pasywną i aktywną kontrolą wdychanych do nosa aerozoli farmaceutycznych

Ogólnym celem tej metodologii jest opracowanie różnych protokołów dostarczania leków do regionu węchowego w modelach nosowych dróg oddechowych opartych na obrazie. Ta metoda może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w atakowaniu neurologicznego dostarczania leków, takie jak: Czy możliwe jest dostarczenie odpowiedniej dawki do regionu węchowego. Jak kontrolować ruchy cząstek w nosie.

Jaka jest najlepsza praktyka w przypadku celowania węchowego? Główną zaletą tej techniki jest to, że można osiągnąć znacznie zwiększoną dawkę węchową. Jest to kluczowy krok w dostarczaniu leków z nosa do mózgu.

Implikacje tej techniki rozciągają się na terapię guzów mózgu. Ponieważ cząsteczki leku zdeponowane w okolicy węchowej mogą bezpośrednio dostać się do mózgu. Zacznij od uzyskania rezonansu magnetycznego lub obrazów MR zdrowego, niepalącego 53-letniego mężczyzny, które składają się z 72 przekrojów koronalnych oddalonych od siebie o 1,5 milimetra, rozciągających się od nozdrzy do nosogardzieli.

Otwórz oprogramowanie do obrazowania i zaimportuj obrazy MR, klikając Plik, Importuj obrazy. Wybierz obrazy MR i kliknij, OK.To skonstruować model 3D, kliknij Segmentacja, a następnie Próg. Aby ustawić zakres skali szarości od minus 1024 do minus 419.

Kliknij opcję Segmentacja i Oblicz 3D. Następnie kliknij Segmentacja i Oblicz polilinie. Wybierz bryłę 3D i kliknij przycisk OK, aby wygenerować polilinie definiujące geometrię bryły.

Wyeksportuj polilinie jako plik IGES. Teraz otwórz oprogramowanie do tworzenia modeli i kliknij Plik, Importuj i IGES, aby zaimportować plik IGES do programu. Następnie kliknij przycisk Polecenie krawędzi na prawym panelu, kliknij Utwórz krawędź i wybierz NURBS, aby zrekonstruować gładkie kontury.

Kliknij przycisk Face Command, a następnie Uformuj powierzchnię. Wybierz opcję Rama druciana, aby zbudować powierzchnię z krawędzi. Kontynuuj budowanie wszystkich powierzchni, które pokrywają całe drogi oddechowe.

Zachowaj szczegóły anatomiczne nosa, takie jak języczek, fałd nagłośniowy i zatoka krtaniowa. Kliknij Plik, Eksportuj, IGES, aby wyeksportować model nosowych dróg oddechowych. Następnie otwórz oprogramowanie do tworzenia siatki.

Kliknij Plik, Importuj geometrię, Starsze i STEPIES, aby zaimportować model nosowych dróg oddechowych. Kliknij Utwórz części, aby podzielić powierzchnie dróg oddechowych na pięć różnych regionów: przedsionek nosa, zastawka nosowa, obszar małżowiny nosowej, węch i nosogardziel. Wygeneruj siatkę obliczeniową wewnątrz dróg oddechowych, klikając Siatka i Globalna konfiguracja siatki.

Określ maksymalny rozmiar siatki jako 0,1 milimetra i kliknij przycisk Zastosuj. Na koniec dodaj siatkę dopasowaną do bryły w obszarze przy ścianie, klikając Oblicz siatkę, Siatka pryzmatyczna. Określ liczbę warstw jako pięć, a współczynnik rozwijania jako 1,25 i kliknij przycisk Zastosuj.

Zacznij od otwarcia oprogramowania do tworzenia modelu, aby opracować model nosa z intubacją przedsionkową przednią. Kliknij opcję Głośność, a następnie Przenieś kopię, aby zmienić położenie cewnika nebulizatora o pięć milimetrów w głąb przedsionka od końcówki nozdrza. Kliknij Wstrzyknięcie, aby uwolnić 150 nanometrów cząstek do nozdrza.

Następnie otwórz oprogramowanie do symulacji płynów, aby obliczyć szybkość osadzania się cząstek wewnątrz nosa. Aby obliczyć pole przepływu powietrza wewnątrz dróg oddechowych, wybierz model przepływu laminarnego, klikając przycisk Definiuj, Modele, Lepkość, a następnie wybierz opcję Laminarny w obszarze Model lepkości. Aby śledzić ruchy cząstek, wybierz model fazy dyskretnej.

Sprawdź Siłę nośną Saffmana w obszarze Model fazy dyskretnej, kliknij przycisk Raport, a następnie wybierz opcję Trajektorie próbki. Aby znaleźć liczbę cząstek zdeponowanych we wstępnie zdefiniowanym regionie węchowym, wybierz opcję Nosowy w obszarze Granice i kliknij przycisk Oblicz. Obliczyć szybkość osadzania jako stosunek ilości osadzonych cząstek do ilości cząstek dostających się do nozdrzy.

Następnie opracuj model nosa z tylną intubacją przedsionkową. Przeprowadź tę samą procedurę, co z przodu. Kliknij opcję Głośność, a następnie Przenieś kopię, aby zmienić położenie cewnika nebulizatora o pięć milimetrów w głąb przedsionka od tylnego nozdrza.

Kliknij Wstrzyknięcie, aby uwolnić 150 nanometrów cząstek do nozdrza. Kontynuuj głęboką intubację, wprowadzając cewnik nebulizatora bezpośrednio pod obszarem węchowym. Uwolnij 150 nanometrów cząstek z nebulizatora.

Użyj oprogramowania do płynów i symulacji, aby obliczyć szybkość osadzania się cząstek wewnątrz nosa, zarówno na podstawie całkowitej, jak i lokalnej, postępując zgodnie z podobnymi procedurami, jak w przypadku intubacji przedsionkowej. Na koniec powtórz głęboką intubację, ćwicząc odpowiednio wstrzymywanie oddechu i wydech. Kliknij przycisk Definiuj, a następnie Warunki brzegowe, aby otworzyć panel Warunek brzegowy.

Określ zerową prędkość w dwóch nozdrzach do wstrzymania oddechu. Określ podciśnienie 200 paskali w nozdrzach i zerowe ciśnienie na wylocie do wydechu. Zacznij od otwarcia oprogramowania do śledzenia cząstek magnetycznych.

Kliknij Geometria i Prostokąt, aby zbudować kanał z dwiema płytami. Kliknij opcję Prostokąt, aby zbudować magnesy wokół dwóch kanałów płytowych. Oblicz trajektorie cząstek i szybkość stapiania, klikając Model 1, Przepływ laminarny i Wlot 1.

Następnie określ prędkość wlotową na 0,5 metra na sekundę. Kliknij Model 1, Pola magnetyczne i Zachowanie strumienia magnetycznego i określ siłę trzech magnesów. Kliknij Model 1, Śledzenie cząstek dla przepływu płynu i Właściwości cząstek.

Określ średnicę i gęstość cząstek, a następnie kliknij przycisk Wlot, aby uwolnić 3 000 cząstek, a aby określić względną przepuszczalność cząstek, kliknij opcję Siła magnetoforetyczna i obliczenia. Aby dowiedzieć się, ile cząstek osadza się w wybranym obszarze, kliknij przycisk Wyniki, Grupa wykresów 1D i Wykres. Oblicz szybkość stapiania jako stosunek ilości cząstek osadzonych w określonym obszarze do ilości cząstek wchodzących w geometrię.

Następnie, aby dostosować siłę magnesu, kliknij Model 1, a następnie Pola magnetyczne. Wybierz Zachowanie strumienia magnetycznego i zmień siłę magnesu w obszarze Namagnesowanie. Zwiększ siłę magnesu o przyrost od jednego razy dziesięć do czwartej ampera na metr i kliknij przycisk Oblicz.

Zacznij od zastosowania ostatnio uzyskanych sił magnetycznych do modelu 2D nosa, umieszczając trzy magnesy jeden milimetr nad nosem. Kliknij Model 1, Geometria 1, aby określić rozmiar i położenie magnesu. Następnie kliknij Model 1, Particle Tracking for Fluid Flow i Inlott, aby uwolnić 3 000 cząstek do lewego nozdrza.

Kliknij opcję Właściwości cząstek, aby określić rozmiar cząstek jako 15 mikrometrów. Symuluj trajektorie cząstek i późniejszą wydajność dostarczania węchu, klikając Model 1, Przepływ laminarny i Wlot 1. Określ prędkość wlotową jako 0,5 metra na sekundę.

Kliknij Model 1, Pola magnetyczne i Zachowanie strumienia magnetycznego i określ siłę trzech magnesów. Na koniec dostosuj układ i siłę magnesu, aby poprawić wydajność dostarczania węchu. Aby dostosować rozmiar i położenie magnesu, kliknij Model 1, następnie Geometria 1, a następnie wybierz interesujący Cię magnes i zmień wartości szerokości, głębokości, wysokości lub X, Y i Z.Dostosuj siłę magnesu, klikając Model 1, a następnie Pola magnetyczne.

Wybierz Zachowanie strumienia magnetycznego i zmień siłę magnesu w obszarze Namagnesowanie. Zwiększ siłę magnesu o przyrost od jednego razy dziesięć do czwartej ampera na metr, a następnie kliknij przycisk Oblicz. Po zakończeniu testowania w modelu 2D zaimportuj model 3D dróg oddechowych nosa do oprogramowania do śledzenia cząstek magnetycznych.

Podobnie jak w przypadku modelu nosa 2D, umieść cztery magnesy jeden milimetr nad nosem i uwolnij 3 000 cząstek o średnicy 15 mikrometrów z jednego wybranego punktu. Użyj oprogramowania do śledzenia cząstek magnetycznych, aby śledzić trajektorie cząstek i obliczać wydajność dostarczania węchowego, postępując zgodnie z podobnymi procedurami wspomnianymi wcześniej. Postępując zgodnie z tą samą procedurą, co poprzednio, dostosuj układ i siłę magnesu w modelu 3D, aby poprawić docelowe dostarczanie do regionu węchowego.

Na koniec przetestuj wielkość cząstek w zakresie od jednego do 30 mikrometrów, aby znaleźć odpowiednią wielkość cząstek dla optymalnego prowadzenia magnetoforetycznego do obszaru węchowego. Konwencjonalne urządzenia nosowe często dostarczają bardzo niskie dawki leków do okolicy węchowej ze względu na skomplikowaną budowę nosa. W przypadku intubacji przedsionkowej występuje silny dryfat uwalniania cząstek bezpośrednio za nosem.

Zgodnie z oczekiwaniami, więcej cząstek leku jest dostarczanych do obszaru węchowego podczas intubacji przedniej niż tylnej, zarówno dla cząstek o wielkości 150 nanometrów, jak i jednego mikrometra. Aby ocenić wydajność naprowadzania magnetofortycznego, użyto kanału dwupłytkowego w celu znalezienia siły magnesu roboczego, następnie wyidealizowanego modelu nosa 2D w celu znalezienia podstawowego układu magnesów, a następnie modelu nosa 3D opartego na obrazie w celu przetestowania wydajności. Optymalna dawka węchowa pochodzi z aerozoli w zakresie od 13 do 17 mikrometrów.

Po opanowaniu tej techniki można ją dobrze wykonać w ciągu dwóch dni, jeśli zostanie przeprowadzona prawidłowo. Próbując wykonać tę procedurę, należy pamiętać, że procedury mogą być bardziej czasochłonne w przypadku złożonych geometrii. Zgodnie z tą procedurą, można również przetestować inne metody, takie jak elektronaprowadzanie naładowanych cząstek, aby odpowiedzieć na pytanie, czy naładowane cząstki można wykorzystać do skutecznego dostarczania leków węchowych.

Po tym rozwoju technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się celowanym dostarczaniem leków do zbadania wykorzystania pola magnetycznego w płucach lub innych narządach. Po obejrzeniu tego filmu powinieneś dobrze zrozumieć, jak poprawić dostarczanie leków i przeprowadzać symulacje za pomocą Fluent i Comsol.