Apresentamos um método in vitro de alta produtividade para quantificar a deposição pulmonar regional no nível do lóbulo usando modelos pulmonares impressos em 3D derivados da tomografia computadorizada com perfis de fluxo de ar tunable.
Artigo de método
Apresentamos um método in vitro de alta produtividade para quantificar a deposição pulmonar regional no nível do lóbulo usando modelos pulmonares impressos em 3D derivados da tomografia computadorizada com perfis de fluxo de ar tunable.
O desenvolvimento de terapias-alvo para doenças pulmonares é limitado pela disponibilidade de métodos de teste pré-clínicos com a capacidade de prever a entrega de aerossol regional. Aproveitando a impressão 3D para gerar modelos pulmonares específicos do paciente, descrevemos o design de uma configuração experimental in vitro de alta produtividade para quantificar a deposição pulmonar lobular. Este sistema é feito com uma combinação de componentes comercialmente disponíveis e impressos em 3D e permite que a taxa de fluxo através de cada lobo do pulmão seja controlada independentemente. A entrega de aerossóis fluorescentes em cada lobo é medida por meio de microscopia de fluorescência. Este protocolo tem o potencial de promover o crescimento da medicina personalizada para doenças respiratórias através de sua capacidade de modelar uma ampla gama de estados demográficos e doenças dos pacientes. Tanto a geometria do modelo pulmonar impresso em 3D quanto a configuração do perfil de fluxo de ar podem ser facilmente moduladas para refletir dados clínicos para pacientes com idade, raça e gênero variados. Dispositivos de entrega de medicamentos clinicamente relevantes, como o tubo endotraqueal mostrado aqui, podem ser incorporados à configuração de testes para prever com mais precisão a capacidade de um dispositivo de direcionar o parto terapêutico para uma região doente do pulmão. A versatilidade desta configuração experimental permite que ela seja personalizada para refletir uma infinidade de condições de inalação, aumentando o rigor dos testes terapêuticos pré-clínicos.
Muitas doenças pulmonares, como câncer de pulmão e doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) apresentam diferenças regionais nas características da doença; no entanto, faltam técnicas terapêuticas disponíveis para direcionar o fornecimento de medicamentos apenas para regiões doentes do pulmão1. Múltiplos modelos de dinâmica de fluidos computacionais (CFD) demonstraram que é possível modular perfis de deposição de medicamentos identificando aerodinâmicas específicas no pulmão2,3. O desenvolvimento de inaladores e adaptadores de tubos endotraqueais (ET) com capacidades regionais de segmentação estão em andamento em nosso laboratório para controlar a distribuição de aerossol para regiões pulmonares doentes. A extensão desses princípios ao uso clínico é limitada pela capacidade atual de teste pré-clínico. A localização precisa que uma droga deposita dentro do pulmão é conhecida por ser o melhor preditor de eficácia; no entanto, as avaliações farmacêuticas atuais de terapêutica inalável são mais frequentemente previstas usando correlações in vitro-in vivo do tamanho das partículas para deposição meramente aproximada4. Esta técnica não permite que qualquer análise espacial determine os efeitos de diferentes geometrias das vias aéreas na distribuição regional através dos vários lóbulos do pulmão. Além disso, este teste carece de geometrias pulmonares anatomicamente precisas, que os pesquisadores mostraram que podem ter um impacto significativo nos perfis de depoimento5. Alguns esforços foram feitos para incorporar geometrias pulmonares específicas do paciente em protocolos de teste através da adição das vias aéreas superiores; no entanto, a maioria dessas abordagens amostra a entrega de aerossol para várias gerações do pulmão em vez de cada lobo pulmonar6,7,8. O protocolo a seguir apresenta um método de alta produtividade de geração de modelos pulmonares específicos do paciente com a capacidade de quantificar a deposição relativa de partículas em cada um dos cinco lóbulos do pulmão9.
Os pulmões modelo anatomicamente precisos são gerados por tomografia computadorizada (TC) computada pelo paciente de impressão 3D. Quando usado em conjunto com um sistema de fluxo facilmente montado, as taxas de fluxo relativo através de cada um dos lóbulos do pulmão modelo podem ser controladas independentemente e adaptadas para imitar as de diferentes estados demográficos e/ou doenças do paciente. Com este método, os pesquisadores podem testar a eficácia de métodos terapêuticos potenciais em uma geometria pulmonar relevante e correlacionar o desempenho de cada método com a progressão da morfologia doente. Aqui, dois projetos de dispositivos desenvolvidos em nosso laboratório são testados para sua capacidade de aumentar a deposição em um lobo pulmonar desejado, controlando a localização da liberação de aerossol na boca ou traqueia. Este protocolo também tem o potencial de impactar significativamente o desenvolvimento de procedimentos personalizados para os pacientes, facilitando a rápida previsão da eficácia do tratamento em um modelo pulmonar específico aos dados de tomografia computadorizada daquele paciente.
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
1. Preparação de componentes experimentais impressos em 3D
NOTA: Todos os softwares utilizados no protocolo são indicados na Tabela de Materiais. Além disso, o software de fatiamento utilizado é específico para a impressora 3D listada na Tabela de Materiais; no entanto, este protocolo pode ser estendido a uma ampla gama de impressoras 3D estereotipografia (SLA).
2. Montagem do sistema de tubulação para controle da taxa de fluxo
3. Montagem de tampas de saída de lóbulo com modelo pulmonar do paciente
NOTA: Esta parte do protocolo deve ser concluída antes de cada execução experimental.
4. Geração de perfil de fluxo de ar clinicamente relevante
NOTA: Esta parte do protocolo deve ser concluída antes de cada execução experimental.
5. Entrega de aerossol ao modelo pulmonar
NOTA: Os experimentos devem ser realizados em um capô de fumaça com a faixa fechada para minimizar a exposição a quaisquer aerossóis gerados pelo nebulizador.
6. Imagem de papel do filtro de saída
7. Quantificação da deposição de partículas
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Partículas nesta faixa de tamanho (1-5 μm) e condições de fluxo (1-10 L/min) seguem as linhas de fluxo de fluidos com base tanto no número teórico de Stokes quanto nos dados in vivo; portanto, na ausência de um dispositivo de entrega direcionado, espera-se que as partículas liberadas no modelo pulmonar sejam depositadas de acordo com a porcentagem do fluxo de ar total desviado para cada lobo. As quantidades relativas de entrega de partículas para cada lobo podem então ser comparadas aos dados da taxa de fluxo do lobo clí...
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
O dispositivo de última geração atual para testes farmacêuticos pulmonares de uma dose completa de inalação é o Next Generator Impactor (NGI), que mede o diâmetro aerodinâmico de um aerossol4. Esses dados de dimensionamento são então usados para prever a geração pulmonar na qual o aerossol será depositado com base em uma correlação desenvolvida para um homem adulto saudável11. Infelizmente, este método é limitado em sua capacidade de avaliar diferenças na deposição pulmonar...
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Os autores não têm nada a revelar.
Os autores agradecem ao Professor Yu Feng, Dr. Jenna Briddell, Ian Woodward e Lucas Attia por suas discussões úteis.
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
| Nome | Empresa | Número de catálogo | Comentários |
|---|---|---|---|
| Encaixe de Tubo Farpado de Plástico 1/4" | McMaster Carr | 5372K111 | |
| 10 um Papel de Filtro | Fisher | 1093-110 | |
| 1um Partículas de Poliestireno Fluorescente | Polysciences | 15702-10 | |
| 1um Partículas de Poliestireno Não Fluorescente | Polysciences | 8226 | |
| 2-Propanol | Fisher | A516-4 | Referido para no protocolo como "IPA" |
| 3/8 "Encaixe de tubo farpado de plástico | McMaster Carr | 5372K117 | |
| Medidor de fluxo de ar (1 - 280 mL / min) | McMaster Carr | 41695K32 | Referido no protocolo como "medidor de vazão" |
| Impressora 3D Carbon M1 | Carbon 3D | https://www.carbon3d.com/, Software associado referido no protocolo como "software de fatiamento" | |
| Collison Nebulizador a jato | CH Technologies | ARGCNB0008 (CN-25) | 6 Colisão horizontal estilo Jet MRE com frasco de vidro, referido no protocolo como "nebulizador", Forno de |
| convecção | Yamato | DKN602 | |
| Controlador de fluxo crítico Copley TPK2000 Reve 120V | MSP Corp | 0001-01-9810 | Referido no protocolo como "controlador de fluxo" |
| Bomba de Alta Capacidade Copley Modelo HCP5 | MSP Corp | 0001-01-9982 | Referido no protocolo como "bomba de vácuo" |
| Cytation | BioTek | CYT5MPV | Espectrofotômetro Multifuncional / Imageador Fluorescente equipado com objetivas 4x / 20x / 40x e cubos de laser / filtro DAPI / GFP / TexasRed |
| EPU40 Resina | Carbono 3D | https://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/, referido no protocolo como "resina macia" | |
| Filtro para bomba de vácuo | Whatman | 6722-5000 | |
| Modelo DFM 2000 | MSP Corp | 0001-01-8764 | Referido no protocolo como "medidor de vazão eletrônico" |
| ImageJ Software | ImageJ | https://imagej.nih.gov/ij/download.html | |
| Válvula de Controle de Fluxo de Ar Inline (Push-to-Connect) | McMaster Carr | 62005K333 | Referido no protocolo como "válvula" |
| Dispositivos de Filtro Inline | Whatman | WHA67225000 | |
| Folha de Contraplacado de Grau Marítimo | McMaster Carr | 62005K333 | Referido no protocolo como "placa de madeira" |
| Materialize Imita Software | Materialize | https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite, referido no protocolo como "software de tomografia computadorizada" | |
| Software Meshmixer | Autodesk | http://www.meshmixer.com/, referido no protocolo como "software de edição de malha" | |
| Metanol | Fisher | A454-4 | |
| Opticure LED Cube | APM Technica | 102843 | Referido no protocolo como "forno UV" |
| PR25 Resina | Carbono 3D | https://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate, /Referido no protocolo como "resina dura" | |
| Tubo de PVC para Produtos Químicos | McMaster Carr | 5231K161 | Parafusos |
| Software SolidWorks | Dassault Systè mes SolidWorks Corporation | https://www.solidworks.com/, referido no protocolo como "software de modelagem 3D" | |
| Coletor retangular de fluxo reto | McMaster Carr | 1125T31 | |
| Tubulação para controlador de fluxo | McMaster Carr | 5233K65 | 3/8" ID |
| Wire |
Acesso restrito. Inicie sessão ou comece um teste para visualizar este conteúdo.
Solicitar permissão para reutilizar o texto ou as figuras deste artigo JoVE
Solicitar permissão