Ocena regionalnego osadzania się płuc przy użyciu specyficznych dla pacjenta modeli płuc drukowanych w 3D
11 listopada 2020
Prezentujemy wysokoprzepustową metodę in vitro do ilościowego określania regionalnego osadzania się płuc na poziomie płata za pomocą tomografii komputerowej, wydrukowanych w 3D modeli płuc z regulowanymi profilami przepływu powietrza.
Protokół ten może przyczynić się do rozwoju nowych celowanych terapii płucnych, umożliwiając przedkliniczne przewidywanie osadzania regionalnego. Technika ta obejmuje anatomicznie dokładne modele płuc, wydrukowane w 3D ze skanów tomografii komputerowej pacjenta w celu szybkiego generowania spersonalizowanych wyników predykcyjnych dotyczących skuteczności potencjalnych metod leczenia. Technika ta może być wykorzystana do opracowania terapii celowanych, które minimalizują docelowe skutki w przypadku chorób, które charakteryzują się przeszkodami obszarowymi, takimi jak rak płuc lub POChP.
Po wydrukowaniu eksperymentalnych komponentów i zakończeniu obróbki końcowej zgodnie z instrukcjami producenta, ostrożnie umyj wydrukowane części w miękkiej żywicy z alkoholem izopropylowym o czystości co najmniej 99%, aby usunąć nadmiar nieutwardzonej żywicy przed utwardzeniem termicznym części w piecu konwekcyjnym przez osiem godzin zgodnie ze specyfikacjami producenta. Następnie umyj części wydrukowane w twardej żywicy z alkoholem, aby usunąć nadmiar nieutwardzonej żywicy i utwardź części w piecu UV przez jedną minutę z każdej strony. W przypadku montażu nasadki wylotowej krzywki, włóż jeden koniec owalnej podstawy łączącej rurkę kolczastą do nasadki, a następnie ostrożnie rozciągnij elastyczną nasadkę na drugi koniec owalnej podstawy, zwracając szczególną uwagę, aby nie pęknąć cienkiej podstawy i z dyszą wystającą przez otwór w podstawie nasadki.
Następnie przytnij bibułę filtracyjną o pojemności 10 mikrolitrów do rozmiaru nieco większego niż obszar wylotowy i złóż bibułę filtracyjną na wylocie krzywki, przytrzymując bibułę jedną ręką. Następnie użyj pęsety w drugiej ręce, aby rozciągnąć nasadkę z połączeniem rurki kolczastej nad wylotem i dociśnij nasadkę, aż wycięcie będzie pasować do odpowiedniego wycięcia na wylocie płata. Przed każdym uruchomieniem eksperymentalnym należy podłączyć każdy wylot płata modelu płuc do rurki odpowiedniego przepływomierza i zaworu, uważając, aby nie wywierać zbyt dużego nacisku bocznego na połączenie rurki kolczastej.
Podłącz elektroniczny przepływomierz do wlotu ustnego modelu płuc, aby zmierzyć całkowite natężenie przepływu powietrza do modelu płuc i włącz regulator przepływu i pompę próżniową. W regulatorze przepływu wybierz ustawienie ustawień testu i powoli zwiększaj natężenie przepływu, aż elektroniczny przepływomierz wyświetli żądane całkowite natężenie przepływu. Użyj zaworów, aby wyregulować natężenie przepływu przez prawy górny, prawy środkowy, prawy dolny, lewy górny i lewy dolny płat płuc.
Gdy natężenia przepływu obciążenia pokazane na przepływomierzach ustabilizują się na żądanej wartości, ponownie sprawdź ogólne natężenie przepływu na przepływomierzu elektronicznym, aby upewnić się, że w systemie nie ma nieszczelności. Następnie wyjdź z konfiguracji testowej w regulatorze przepływu, pozostawiając włączoną pompę próżniową. W celu dostarczenia aerozolu do modelu płuc, napełnij nebulizator roztworem pożądanych cząstek fluorescencyjnych i podłącz nebulizator do wlotu modelu płuca.
Aby zmierzyć skuteczność urządzenia celowniczego, włóż urządzenie do modelu płuc i podłącz nebulizator do urządzenia. Podłącz przewód sprężonego powietrza do nebulizatora. Ustaw regulator przepływu tak, aby działał przez jedną dziesięciosekundową próbę i lekko otwórz zawór sprężonego powietrza, aby rozpocząć wytwarzanie aerozolu w nebulizatorze.
Nacisnąć start na regulatorze przepływu i natychmiast całkowicie otworzyć zawór sprężonego powietrza. Gdy regulator przepływu osiągnie około dziewięciu sekund, rozpocznij zamykanie zaworu sprężonego powietrza i zamknij skrzydło dygestorium tak bardzo, jak to możliwe. Po całkowitym zamknięciu zaworu odłącz nebulizator od przewodu sprężonego powietrza.
Całkowicie zamknij skrzydło dygestoria, wyłącz pompę próżniową i pozwól, aby wszelkie aerozole usunęły się z dygestorium. Po około 10 minutach odłącz model płuca od systemu przewodów, uważając, aby nie pęknąć połączeń przewodów kolczastych i przeprowadź pęsetę pod krawędzią każdej nasadki wylotowej płata, aby zdjąć nasadki z wylotów. Następnie przenieś bibułę filtracyjną z każdej nasadki do indywidualnych dołków 24-dołkowej płytki osadzającej cząstki stroną do dołu.
Po zebraniu całej bibuły filtracyjnej umieść płytkę na stoliku cyfrowego mikroskopu fluorescencyjnego i ustaw mikroskop na 4-krotne powiększenie i odpowiedni kanał fluorescencyjny. Następnie zrób co najmniej trzy obrazy bibuły filtracyjnej z każdego płata w losowych miejscach i zapisz obrazy jako pliki TIF. W warunkach pobierania jednego litra na minutę w zdrowym płucu, zakończonych POChP, eksperymentalnie określony profil osadzania nie różni się statystycznie od danych klinicznych wykazujących, że układ dokładnie naśladuje rozkład przepływu powietrza do każdego z płatów płuc.
W porównaniu z nieukierunkowanym profilem osadzania cząstek, zastosowanie zmodyfikowanej rurki dotchawiczej powoduje prawie czterokrotny wzrost dostarczania przez lewy dolny płat. Oprócz przekierowania ponad 96% dostarczonych cząstek do lewego płuca. Zmieniając ustawienie miejsca uwalniania, aby celować w prawy dolny płat, urządzenie to generuje ponad dwukrotnie więcej cząstek dostarczanych do prawego płata i przekierowuje 94% dostarczonych cząstek do prawego płuca.
W porównaniu z nieukierunkowanym profilem osadzania cząstek, koncentryczne urządzenie cylindryczne powoduje prawie trzykrotny wzrost dostarczania do lewego górnego płata, a także przekierowuje ponad 87% dostarczanych cząstek do lewego płuca. Skuteczność celowania można również zaobserwować jakościowo, porównując obrazy filtra krzywkowego celu z innymi filtrami wylotowymi. Jak pokazano, najskuteczniejsza metoda celowania zapewni wysokie osadzanie cząstek w zamierzonym płacie będącym przedmiotem zainteresowania i niskie osadzanie w pozostałych wylotach płata.
Konieczne jest upewnienie się, że komponenty są prawidłowo podłączone, aby zapobiec wyciekom w systemie, ponieważ nieszczelności wpłyną na wyniki osadzania. Protokół ten pozwala naukowcom testować potencjalne urządzenia do dostarczania leków do określonych regionów płuc przed badaniami klinicznymi, zmniejszając koszty związane z opracowywaniem leków i zwiększaniem skuteczności u ludzi.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia wysokoprzepustową metodę in vitro do ilościowego określania regionalnego osadzania się substancji w płucach na poziomie płatów, z wykorzystaniem modeli płuc wydrukowanych w technologii 3D na podstawie obrazów z tomografii komputerowej (CT). Technika ta ma na celu usprawnienie opracowywania ukierunkowanych terapii płucnych poprzez umożliwienie przedklinicznego przewidywania regionalnego osadzania się leków.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Terapie płucne
- Technologia druku 3D
- Modelowanie in vitro
Wstęp
- Terapie celowane są kluczowe dla zminimalizowania efektów poza docelowych.
- Choroby takie jak rak płuc i POChP często wiążą się z niedrożnościami regionalnymi.
- Spersonalizowane wyniki predykcyjne mogą poprawić skuteczność leczenia.
- Modele płuc wydrukowane w technologii 3D mogą być opracowane na podstawie tomografii komputerowej konkretnego pacjenta.
Cel badania
- Opracowanie metody ilościowego pomiaru depozycji płucnej.
- Ułatwienie tworzenia spersonalizowanych strategii terapeutycznych.
- Umożliwienie szybkiego generowania wyników prognostycznych dotyczących skuteczności leczenia.
Zastosowane metody
- Druk 3D modeli płuc na podstawie obrazów tomografii komputerowej (CT).
- Obróbka końcowa wydrukowanych komponentów przy użyciu alkoholu izopropylowego.
- Utwardzanie termiczne części z miękkiej żywicy w piecu konwekcyjnym.
- Utwardzanie UV części z twardej żywicy przed montażem końcowym.
Główne wyniki
- Metoda ta umożliwia dokładne modelowanie depozycji płucnej.
- Personalizowane modele mogą skutecznie przewidywać efektywność leczenia.
- Możliwe jest opracowanie terapii celowanych dla konkretnych chorób płuc.
- Przyjęte podejście minimalizuje efekty poza docelowe w procesie leczenia.
Wnioski
- Technika ta ma istotne znaczenie dla terapii płucnej.
- Wspiera ona rozwój spersonalizowanych podejść medycznych.
- Przyszłe badania mogą rozszerzyć tę metodę o szersze zastosowania.
Często zadawane pytania
Znaczenie dla Przemysłu
Niniejszy protokół wypełnia krytyczną lukę w opracowywaniu terapii płucnych, umożliwiając przedkliniczne przewidywanie regionalnego dostarczania aerozolu, co stanowi kluczowy czynnik określający stopień dotarcia do celu terapeutycznego oraz indeks terapeutyczny. Poprzez ilościowe określenie depozycji w poszczególnych płatach z wykorzystaniem wydrukowanych w technologii 3D modeli płuc specyficznych dla pacjenta, metoda ta wspiera mechanistyczną redukcję ryzyka w przypadku terapii inhalacyjnych oraz dostarcza informacji niezbędnych do podjęcia decyzji o kontynuacji lub przerwaniu badań na wczesnym etapie odkrywania leków. Możliwość modelowania zróżnicowanej demografii pacjentów i stanów chorobowych zwiększa istotność translacyjną oraz pozwala na lepszą priorytetyzację portfela badań w kierunku wskazań oddechowych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne odkrywanie i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia weryfikację hipotez terapeutycznych poprzez ilościowe określenie regionalnego dostarczania leku do chorych płatów płuc.
- Wartość operacyjna: Wspiera ograniczanie ryzyka biologicznego dzięki zastosowaniu anatomicznie dokładnych modeli pochodzących od pacjentów, które odzwierciedlają zmienność związaną z wiekiem, rasą i płcią.
- Wartość prognostyczna: Zwiększa pewność co do wybranego celu terapeutycznego poprzez korelację profili depozycji in vitro z klinicznymi danymi dotyczącymi rozkładu przepływu powietrza.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Zapewnia ilościowe odczyty oparte na fluorescencji dotyczące depozycji cząsteczek na pojedynczy płat, co umożliwia porównawcze badanie urządzeń lub formulacji.
- Wartość operacyjna: Umożliwia standaryzację analizy dzięki niezależnej kontroli przepływu w płatach oraz szczelnej konstrukcji systemu, co zapewnia powtarzalne wyniki.
- Skalowalność: Kompatybilność z przepływami o wysokiej wydajności z wykorzystaniem komercyjnie dostępnych przepływomierzy, zaworów i platform mikroskopowych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Umożliwia zachowanie ciągłości translacyjnej poprzez modelowanie warunków inhalacyjnych odzwierciedlających działanie urządzeń klinicznych, takich jak celowanie w rurkę endotrachealną.
- Wartość operacyjna: Pozwala na szybką iterację projektów urządzeń lub formulacji w celu optymalizacji dostarczania regionalnego przed kosztownymi badaniami in vivo.
- Mitygacja ryzyka: Zmniejsza ryzyko niepowodzenia na późnym etapie badań poprzez wczesną identyfikację wzorców depozycji poza obszarem docelowym w trakcie oceny przedklinicznej.
Integracja rurociągu i przepływu pracy
Metoda ta integruje się z kontinuum odkrywania leków – od walidacji celu po identyfikację związku wiodącego, dostarczając ilościowych danych o depozycji, które pozwalają określić zależności struktura-aktywność oraz zoptymalizować urządzenia przed badaniami nad skutecznością przedkliniczną.
- Biologia odkrywcza: Wspomaga walidację szlaków i celów poprzez powiązanie wydajności dostarczania leku z depozycją wyrostkową w modelach płuc istotnych dla danej choroby.
- Przesiewanie: Umożliwia zastosowanie gotowych formatów testów do porównywania dostarczania aerozolu pomiędzy różnymi nośnikami leków, urządzeniami lub formulacjami w kontrolowanych warunkach przepływu.
- Analityka: Generuje ilościowe pomiary intensywności fluorescencji dla każdego płata, co pozwala na statystyczne porównanie wydajności celowania i akumulacji poza celem.
- Badania translacyjne: Zapewnia ciągłość przedkliniczną poprzez włączenie klinicznie istotnych urządzeń do podawania leków oraz modelowanie zmian przepływu powietrza specyficznych dla choroby.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Stanowi modułową, adaptacyjną platformę do oceny wielu kandydatów terapeutycznych w zróżnicowanych geometriach płuc pochodzących od pacjentów.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstw
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną w zakresie angażowania celu poprzez dostarczanie ilościowych danych o depozycji z rozdzielczością do poszczególnych płatów.
- Wartość operacyjna: Zapewnia powtarzalność dzięki ustandaryzowanym protokołom postprocesowania, kalibracji przepływu oraz obrazowania.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową poprzez zmniejszenie zależności od iteracyjnych badań in vivo w celu optymalizacji urządzenia lub formulacji.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia podejmowanie decyzji o dalszym rozwoju z uwzględnieniem ryzyka, w oparciu o wykazaną zdolność do celowania regionalnego w modelach istotnych dla człowieka.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymagana jest wiedza w zakresie przygotowywania modeli 3D, pracy z żywicami oraz mikroskopii fluorescencyjnej w celu dokładnej kwantyfikacji depozycji.
- Metoda jest zależna od dostępu do drukarek 3D umożliwiających utwardzanie żywic miękkich i twardych, sterowników przepływu, zaworów oraz systemów próżniowych do kontroli przepływu powietrza w poszczególnych płatach.
- Konieczna jest standaryzacja protokołów analizy obrazu między zespołami, aby zapewnić spójną kwantyfikację fluorescencji we wszystkich płatach i seriach eksperymentalnych.
- Należy uwzględnić zmienność geometrii dróg oddechowych specyficzną dla danego modelu podczas ekstrapolacji wyników na populacje pacjentów lub stany chorobowe.
- Metoda jest ograniczona do warunków in vitro; nie uwzględnia ona klirensu śluzowo-rzęskowego, przepuszczalności nabłonka ani aktywności makrofagów pęcherzykowych, które mogą wpływać na depozycję in vivo.
Częste pytania i odpowiedzi (FAQ) dotyczące biofarmacji
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
