Оценка регионального легочного осаждения с использованием пациент-специфических 3D печатных моделей легких

Этот протокол может стимулировать разработку новых таргетных легочных терапевтических средств, позволяя доклинически прогнозировать регионарное отложение. Этот метод включает в себя анатомически точные модели легких, напечатанные на 3D-принтере с помощью компьютерной томографии пациента для быстрого создания персонализированных прогностических результатов относительно эффективности потенциальных методов лечения. Этот метод может быть использован для разработки таргетной терапии, которая сводит к минимуму побочные эффекты при заболеваниях, характеризующихся регионарными обструкциями, таких как рак легких или ХОБЛ.

После печати экспериментальных компонентов и завершения постобработки в соответствии с инструкциями производителя тщательно промойте напечатанные детали в мягкой смоле с изопропиловым спиртом чистоты не менее 99%, чтобы удалить излишки неотвержденной смолы, прежде чем термически отверждать детали в конвекционной печи в течение восьми часов в соответствии со спецификациями производителя. Затем промойте детали, напечатанные в твердой смоле, спиртом, чтобы удалить излишки неотвержденной смолы, и отверждите детали в УФ-печи в течение одной минуты с каждой стороны. Для сборки выпускного колпачка кулачка вставьте один конец соединительного основания овальной трубки с зазубринами в колпачок, прежде чем осторожно натянуть гибкий колпачок на другой конец овального основания, соблюдая особую осторожность, чтобы тонкое основание не треснуло, и чтобы сопло выступало через отверстие в основании колпачка.

Затем отрежьте фильтровальную бумагу объемом 10 микролитров до размера, немного превышающего площадь выходного отверстия, и сложите фильтровальную бумагу над выпускным отверстием, удерживая бумагу на месте одной рукой. Затем используйте пинцет в другой руке, чтобы натянуть колпачок с соединением заусеницы трубки над выпускным отверстием и прижмите колпачок вниз до тех пор, пока выемка не совпадет с соответствующей выемкой на выпускном отверстии лопасти. Перед каждым экспериментальным запуском подсоединяйте каждую модель легкого к трубке соответствующего расходомера и клапана, стараясь не оказывать слишком большого бокового давления на соединение трубки с заусеницами.

Подсоедините электронный расходомер к входному входу модели легких, чтобы измерить общую скорость воздушного потока к модели легких, и включите регулятор потока и вакуумный насос. В регуляторе расхода выберите настройку настройки теста и медленно увеличивайте расход, пока электронный расходомер не отобразит желаемый общий расход. С помощью клапанов отрегулируйте скорость потока через правую верхнюю, правую среднюю, правую нижнюю, левую верхнюю и левую нижнюю доли легких.

После того как расход нагрузки, отображаемый на расходомерах, станет стабильным на желаемом уровне, еще раз проверьте общий расход на электронном расходомере, чтобы убедиться в отсутствии утечек в системе. Затем выйдите из испытательной установки в регуляторе расхода, оставив вакуумный насос включенным. Для доставки аэрозоля к модели легких заполните небулайзер раствором нужных флуоресцентных частиц и подключите небулайзер к входу модели легких.

Чтобы измерить эффективность нацеленного устройства, вставьте устройство в модель легкого и подключите небулайзер к устройству. Подсоедините сжатую воздуховоду к небулайзеру. Настройте регулятор расхода на работу в течение одной десятисекундной попытки и слегка откройте клапан сжатого воздуха, чтобы начать генерацию аэрозоля внутри небулайзера.

Нажмите кнопку «Пуск» на регуляторе расхода и немедленно полностью откройте клапан сжатого воздуха. Когда регулятор расхода достигнет примерно девяти секунд, начните закрывать клапан сжатого воздуха и закройте створку вытяжного шкафа как можно сильнее. Как только клапан будет полностью закрыт, отсоедините небулайзер от сжатой воздуховоды.

Полностью закройте створку вытяжного шкафа, выключите вакуумный насос и дайте аэрозолям выйти из вытяжного шкафа. Примерно через 10 минут отсоедините модель легкого от системы трубок, стараясь не потрескать соединения колючих трубок, и проведите пинцетом под край каждой выпускной крышки, чтобы снять крышки с выпускных отверстий. Затем переложите фильтровальную бумагу из каждой крышки в отдельные лунки 24-луночной пластины для осаждения частиц стороной вниз.

Когда вся фильтровальная бумага будет собрана, поместите пластину на столик цифрового флуоресцентного микроскопа и установите микроскоп на 4-кратное увеличение и соответствующий флуоресцентный канал. Затем сделайте не менее трех изображений фильтровальной бумаги из каждой доли в случайных местах и сохраните изображения в виде файлов TIF. При условиях сбора в один литр в минуту в здоровом легком, вызванном ХОБЛ, экспериментально определенный профиль отложения статистически не отличается от клинических данных, демонстрирующих, что установка точно имитирует распределение воздушного потока к каждой из долей легкого.

По сравнению с нецелевым профилем осаждения частиц, использование модифицированной эндотрахеальной трубки приводит к почти четырехкратному увеличению доставки левой нижней доли. В дополнение к отводу более 96% доставляемых частиц в левое легкое. Изменяя настройку места высвобождения для нацеливания на правую нижнюю долю, это устройство генерирует более чем вдвое больше доставки частиц в правую долю и направляет 94% доставляемых частиц в правое легкое.

По сравнению с нецелевым профилем осаждения частиц, устройство с концентрическим цилиндром приводит к почти трехкратному увеличению доставки левой верхней доли в дополнение к перенаправлению более 87% доставляемых частиц в левое легкое. Эффективность нацеливания также можно качественно наблюдать путем сравнения изображений целевого лепесткового фильтра с другими выходными фильтрами. Как показано на рисунке, наиболее эффективный метод нацеливания приведет к высокому осаждению частиц в предполагаемой доле интереса и низкому осаждению на выходных отверстиях остальных долей.

Важно убедиться в правильном подключении компонентов, чтобы предотвратить утечки внутри системы, так как утечки повлияют на результаты осаждения. Этот протокол позволяет исследователям тестировать потенциальные устройства доставки лекарств для нацеливания на определенные области легких до клинических испытаний, снижая затраты, связанные с разработкой лекарств и повышением эффективности у пациентов.