Summary
نقدم طريقة عالية الإنتاجية في المختبر لتحديد ترسب الرئة الإقليمي على مستوى الفص باستخدام نماذج الرئة المطبوعة ثلاثية الأبعاد المشتقة من الأشعة المقطعية مع ملامح تدفق الهواء غير القادرة.
Abstract
يحد من تطوير العلاجات المستهدفة للأمراض الرئوية توافر طرق الاختبار قبل السريرية مع القدرة على التنبؤ بتسليم الهباء الجوي الإقليمي. الاستفادة من الطباعة ثلاثية الأبعاد لتوليد نماذج الرئة المريض محددة، ونحن الخطوط العريضة لتصميم عالية الإنتاجية، والإعداد التجريبي في المختبر لتحديد ترسب رئوي كروي. يتم إجراء هذا النظام مع مزيج من المكونات المطبوعة المتاحة تجاريا و3D ويسمح لمعدل التدفق من خلال كل فص من الرئة إلى أن تسيطر بشكل مستقل. يتم قياس تسليم الهباء الجوي الفلوري إلى كل فص باستخدام المجهر الفلوري. هذا البروتوكول لديه القدرة على تعزيز نمو الطب الشخصي لأمراض الجهاز التنفسي من خلال قدرته على نموذج مجموعة واسعة من التركيبة السكانية للمرضى وحالات المرض. يمكن تعديل كل من هندسة نموذج الرئة المطبوع ثلاثي الأبعاد وإعداد ملف تعريف تدفق الهواء بسهولة لتعكس البيانات السريرية للمرضى الذين يعانون من اختلاف العمر والعرق والجنس. يمكن دمج أجهزة توصيل الأدوية ذات الصلة سريريا ، مثل أنبوب القصبة الهوائية الموضح هنا ، في إعداد الاختبار للتنبؤ بشكل أكثر دقة بقدرة الجهاز على استهداف التسليم العلاجي لمنطقة مريضة من الرئة. تسمح براعة هذا الإعداد التجريبي بتخصيصه ليعكس العديد من ظروف الاستنشاق ، مما يعزز صرامة الاختبار العلاجي قبل السريري.
Introduction
العديد من الأمراض الرئوية مثل سرطان الرئة ومرض الانسداد الرئوي المزمن (COPD) تظهر اختلافات إقليمية في خصائص المرض؛ ومع ذلك ، هناك نقص في التقنيات العلاجية المتاحة لاستهداف تسليم الأدوية إلى المناطق المريضة فقط من الرئة1. وقد أظهرت نماذج متعددة ديناميكية السوائل الحسابية (CFD) أنه من الممكن تعديل ملامح ترسب المخدرات عن طريق تحديد يبسط محددة في الرئة2,3. يجري تطوير كل من أجهزة الاستنشاق ومحولات أنبوب الرغامى (ET) ذات قدرات الاستهداف الإقليمية في مختبرنا للسيطرة على توزيع الهباء الجوي على مناطق الرئة المريضة. توسيع نطاق هذه المبادئ للاستخدام السريري محدود بقدرة الاختبار الحالية قبل السريرية. ومن المعروف أن الموقع الدقيق لرواسب الدواء داخل الرئة هو أفضل مؤشر على الفعالية. ومع ذلك ، فإن التقييمات الصيدلانية الحالية للعلاجات القابلة للاستنشاق يتم التنبؤ بها في معظم الأحيان باستخدام الارتباطات في الجسم الحي في المختبر لحجم الجسيمات إلى مجرد ترسب تقريبي4. لا تسمح هذه التقنية بأي تحليل مكاني لتحديد آثار هندسة مجرى الهواء المختلفة على التوزيع الإقليمي من خلال الفصوص المختلفة للرئة. بالإضافة إلى ذلك ، يفتقر هذا الاختبار إلى هندسة الرئة الدقيقة تشريحيا ، والتي أظهر الباحثون أنها يمكن أن يكون لها تأثير كبير على ملامح الترسب5. وقد بذلت بعض الجهود لدمج هندسة الرئة الخاصة بالمرضى في بروتوكولات الاختبار من خلال إضافة الشعب الهوائية العليا؛ ومع ذلك، فإن معظم هذه النهج عينة تسليم الهباء الجوي إلى أجيال مختلفة من الرئة بدلا من كلفصالرئة 6،7،8. يقدم البروتوكول التالي طريقة عالية الإنتاجية لتوليد نماذج الرئة الخاصة بالمرضى مع القدرة على قياس ترسب الجسيمات النسبية في كل من الفصوص الخمسة للرئة9.
يتم إنشاء الرئتين نموذج دقيق تشريحيا من قبل 3D الطباعة المريض التصوير المقطعي المحوسب (CT) بمسح. عند استخدامها جنبا إلى جنب مع نظام تدفق تجميعها بسهولة، يمكن التحكم في معدلات التدفق النسبي من خلال كل من فصوص الرئة نموذج مستقل ومصممة لمحاكاة تلك التركيبة السكانية المريض مختلفة و / أو حالات المرض. مع هذه الطريقة، يمكن للباحثين اختبار فعالية الأساليب العلاجية المحتملة في هندسة الرئة ذات الصلة وربط أداء كل طريقة مع تطور مورفولوجيا المريضة. هنا، يتم اختبار تصميمين للأجهزة تم تطويرهما في مختبرنا لقدرتهما على زيادة الترسب في فص الرئة المطلوب من خلال التحكم في موقع إطلاق الهباء الجوي في الفم أو القصبة الهوائية. كما أن هذا البروتوكول لديه القدرة على التأثير بشكل كبير على تطوير إجراءات شخصية للمرضى من خلال تسهيل التنبؤ السريع بفعالية العلاج في الرئة النموذجية الخاصة ببيانات الأشعة المقطعية لهذا المريض.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. إعداد المكونات التجريبية المطبوعة ثلاثية الأبعاد
ملاحظة: يشار إلى جميع البرامج المستخدمة في البروتوكول في جدول المواد. بالإضافة إلى ذلك ، فإن برنامج التقطيع المستخدم خاص بالطابعة ثلاثية الأبعاد المدرجة في جدول المواد؛ ومع ذلك، يمكن توسيع هذا البروتوكول إلى مجموعة واسعة من الطابعات ثلاثية الأبعاد (SLA).
- تحويل الأشعة المقطعية المريض إلى كائنات 3D (.stl الملفات).
ملاحظة: للحصول على مناقشة أكثر تفصيلا للسمات الهندسية لنموذج الرئة المحدد المستخدم في هذه الدراسات، راجع Feng et al.5.- تقديم الأشعة المقطعية إلى كائن 3D باستخدام برنامج التصوير المقطعي (انظر جدول المواد). افتح الفحص المقطعي وإنشاء قناع على المجال الجوي باستخدام أداة Threshold مع إعداد في النطاق من -800 إلى -1000. باستخدام أداة المعاينة ثلاثية الأبعاد، قم بعرض العرض ثلاثي الأبعاد وتصدير الكائن (ملف | تصدير) كملف .stl.
- استيراد الملفات إلى شبكة برامج التحرير (انظر جدول المواد)،وإزالة أي ميزات خشنة باستخدام أداة تحديد (نحت | فرش: "يتقلص / على نحو سلس" | الخصائص: القوة (50)، الحجم (10)، العمق (0). تنعيم السطح (Ctrl + A | تشوه | | ناعم تنعيم (0.2)، مقياس تنعيم (1).
- في برامج تحرير الشبكة، قم بتوسيع جدار هذه الكائنات بمقدار 2 مم (Ctrl+ A | تحرير | إزاحة)، والسماح للكائن الداخلي أن تبقى جوفاء بحيث يبقى فقط الجدار. شريحة الكائن (حدد | تحرير | قطع الطائرة) في القصبة الهوائية لتشكيل مدخل وعلى الأجيال 2 أو 3 حيث فروع الكائن قبالة إلى كل فص لإنشاء منافذ(الشكل 1A).
ملاحظة: تم اختيار سمك 2 مم استنادا إلى أحجام الميزة المقبولة المحددة من قبل الشركة المصنعة للطابعة ثلاثية الأبعاد المدرجة في جدول المواد. ويمكن تعديل هذه السماكة على أساس مواصفات الطابعة ثلاثية الأبعاد المتاحة إذا تم الحفاظ على الهندسة الداخلية للنموذج.
- تعديل هندسة منفذ نموذج الرئة المريض لتكون متوافقة مع مكونات غطاء منفذ الفص المصممة سابقا (الشكل 1B, C) المدرجة في جدول المواد.
- استيراد الكائن 3D، الذي يكرر التصوير المقطعي المحوسب في الداخل، لديه سمك الجدار من 2 ملم، ومفتوحة في مدخل ومنافذ، في برنامج النمذجة 3D (انظر جدول المواد) كجسم صلب (فتح | | ملفات الشبكة خيارات | جسم صلب).
- إنشاء طائرة على أساس وجه في كل من منافذ (إدراج | | الهندسة المرجعية الطائرة). باستخدام أداة الربط، تتبع الجدار الداخلي والجدار الخارجي للمنفذ في رسم على متن الطائرة (رسم | سبلاين).
- دور علوي اسطوانة (OD 18.5 ملم، معرف 12.5 ملم، H 15.15 ملم) للاتصال بالجدار الداخلي والخارجي للنموذج، وبالتالي توسيع منفذ لتكون موحدة في كل فص (ميزات | علت بوس / قاعدة). إضافة درجة حول حافة منفذ لتتناسب مع الغطاء (ميزات | مقذوف قص | إزاحة).
ملاحظة: الغطاء(الشكل 1D)هو اسطوانة مجوفة مطابقة لأبعاد منافذ وجود الرف الذي يربط مع درجة من منفذ النموذج. يتم حظر نهاية واحدة من الغطاء بحيث معرف أصغر من بقية الجزء، وهذا يضمن تناسب ضيق حول اتصال أنابيب شائكة(الشكل 1E). اتصال الأنابيب الشائكة هو مخروط الشائكة الشكل بحيث الشواء يناسب من خلال فتح الغطاء، ولكن بقية الجزء لا، مما يسمح للاتصال أنابيب لتناسب بشكل آمن في الغطاء. وهكذا، فإن الغطاء يناسب بإحكام حول كل من اتصال أنابيب شائكة ونموذج الرئة (الشكل 1F، G). - تعديل مدخل نموذج الرئة اعتمادا على الظروف التجريبية المطلوبة. يمكن تضمين مناطق الحلق والجلوتال لمحاكاة المريض الذي يمكن أن يتنفس من تلقاء نفسه(الشكل 1B). يمكن إزالة المناطق فوق القصبة الهوائية باستخدام قطع مقذوف لمحاكاة المريض الذي تم تنبيبه على دعم جهاز التنفس الصناعي(ميزات | قص مقذوف) (الشكل 1C).
- توجيه ودعم المكونات التجريبية في تقطيع البرامج المقدمة من قبل الشركة المصنعة للطابعة 3D.
- استيراد ملفات جزء 3D في طابعة 3D تقطيع البرمجيات واختيار الراتنج المناسبة. استخدام الراتنج الثابت لطباعة نماذج الرئة وصلات أنابيب شائكة، والراتنج لينة لطباعة القبعات.
ملاحظة: يجب أن يكون للراتنج المستخدم لطباعة القبعات خصائص مرنة للسماح له بالتمدد على منفذ الفص وإنشاء ختم محكم الإغلاق. - تعيين اتجاه الجزء بحيث يتم تقليل أي "islands" و وحدات التخزين unvented. أفضل اتجاه لنماذج الرئة هو مع منافذ الفص التي تواجه بعيدا عن منصة الطباعة. تأكد من أن كل من وصلات الأنابيب الشائكة والقبعات تحتوي على الأجزاء الأوسع التي تواجه منصة الطباعة.
ملاحظة: يمكن عرض الشرائح الفردية للتحقق من ظهور "الجزر"، وهي أجزاء من الجزء تظهر لأول مرة في شريحة دون أن تكون متصلة بالجسم الرئيسي للجزء. يمكن استخدام وظيفة المراجعة للتحقق من وجود شرائح ذات وحدات تخزين غير مفننة ، وهي مناطق يمكن أن يحاصر فيها الراتنج غير المسور داخل الجزء أثناء الطباعة. تقلل كل من "الجزر" ووحدات التخزين غير المنوعة من جودة الطباعة ويمكن أن تؤدي إلى فشل الطباعة. - عرض كل شريحة على حدة، إضافة دعامات إلى أي "الجزر" المتبقية في الجزء، فضلا عن أي مناطق مع يتدلى كبيرة. تصدير وعرض شرائح للطباعة للتحقق من أن جميع المناطق معتمدة بشكل صحيح.
- استيراد ملفات جزء 3D في طابعة 3D تقطيع البرمجيات واختيار الراتنج المناسبة. استخدام الراتنج الثابت لطباعة نماذج الرئة وصلات أنابيب شائكة، والراتنج لينة لطباعة القبعات.
- طباعة المكونات التجريبية واستكمال مرحلة ما بعد المعالجة وفقا لتعليمات الشركة المصنعة.
ملاحظة: جميع خطوات ما بعد المعالجة الموضحة أدناه خاصة بالطابعة ثلاثية الأبعاد المدرجة في جدول المواد. عند استخدام الطابعات أو المواد البديلة، اضبط هذه الخطوات لتعكس إرشادات الشركة المصنعة.- بالنسبة للأجزاء المطبوعة في الراتنج الناعم، اغسلها بنقاء الكحول isopropyl ≥99٪ (IPA) لإزالة الراتنج غير المفرغ الزائد والعلاج الحراري في فرن الحمل الحراري لمدة 8 ساعة وفقا لمواصفات الشركة المصنعة.
ملاحظة: الأجزاء المطبوعة في الراتنج الناعم يمكن أن تكون حساسة جدا مباشرة بعد الطباعة، لذلك ينبغي توخي الحذر الخاص أثناء خطوات التنظيف. وينبغي الإبقاء على التعرض ل IPA دون حد التعرض للمذيبات للمادة لمنع تدهور جزء. - بالنسبة للأجزاء المطبوعة في الراتنج الصلب، اغسل مع IPA لإزالة الراتنج غير المفرغ الزائد وعلاجه في فرن الأشعة فوق البنفسجية (ضوء 365 نانومتر عند 5-10 كيلوواط/سم2)لمدة دقيقة واحدة لكل جانب.
ملاحظة: لتقييم دقة النسخة المتماثلة المطبوعة ثلاثية الأبعاد، يوصى باستخدام المسح الضوئي μCT للجزء المطبوع وبرنامج التصوير المقطعي المحوسب لمقارنة الاختلافات بين التقديم ثلاثي الأبعاد الأصلي والنسخة المتماثلة المطبوعة ثلاثية الأبعاد.
- بالنسبة للأجزاء المطبوعة في الراتنج الناعم، اغسلها بنقاء الكحول isopropyl ≥99٪ (IPA) لإزالة الراتنج غير المفرغ الزائد والعلاج الحراري في فرن الحمل الحراري لمدة 8 ساعة وفقا لمواصفات الشركة المصنعة.
2. تجميع نظام الأنابيب للتحكم في معدل التدفق
- المسمار 1/4 "أنابيب شائكة التجهيزات في جانب من متعددة مع 6 منافذ (الشكل 2A-6) و 3/8 " أنبوب شائك المناسب في الميناء المتبقي.
- قطع 1/4 "أنابيب إلى أطوال المطلوب وإدراجها في كل نهاية من صمامات الدفع إلى الاتصال (الشكل 2A-5). إرفاق كل صمام إلى واحدة من التجهيزات 1/4 "إدراجها في متعددة.
- توصيل عداد تدفق (الشكل 2A-4) إلى الطرف الآخر من كل صمام.
- وضع نظام الأنابيب على رأس لوحة خشبية بحيث متعددة واحد 3/8 "تركيب يمتد الماضي حافة المجلس. لتأمين في مكان، إضافة اثنين من مسامير إلى جانب لوحة خشبية وإرفاق متعددة إلى مسامير باستخدام الأسلاك.
- إضافة أربعة مسامير المتمركزة حول كل من الصمامات وتدفق متر واستخدام الأسلاك لتأمين كل واحد منهم إلى لوحة خشبية (الشكل 2E).
- مع ما يقرب من 6 "من 3/8" ID الأنابيب، وربط متعددة في خط 0.1 ميكرومتر حجم المسام فراغ الصف مرشح. قم بتوصيل الطرف الآخر من الفلتر بوحدة التحكم في التدفق باستخدام أنابيب ID أخرى 6 بوصات من 3/8 بوصة
ملاحظة: نظام الأنابيب يحتاج فقط إلى تجميعها مرة واحدة.
3. تجميع قبعات منفذ الفص مع نموذج الرئة المريض
ملاحظة: يجب إكمال هذا الجزء من البروتوكول قبل كل تشغيل تجريبي.
- إدراج اتصال أنابيب شائكة في الغطاء مع فوهة جاحظ من خلال فتح في قاعدة الغطاء. أولا، أدخل أحد طرفي قاعدة اتصال الأنابيب الشائكة البيضاوية في الغطاء. ثم، تمتد بعناية الغطاء مرنة على الطرف الآخر من القاعدة البيضاوية، مع الحرص بشكل خاص على عدم كسر قاعدة رقيقة.
ملاحظة: قد تكون القبعات المطبوعة حديثا أكثر صلابة من المطلوب ويمكن تمديدها عن طريق تشغيل إصبعين على طول الغطاء الداخلي. - قطع ورقة مرشح 10 ميكرومتر بحيث يكون أكبر قليلا من منطقة منفذ. أضعاف ورقة تصفية على منفذ الفص وعقد في مكان بيد واحدة.
- من ناحية أخرى، استخدم الملاقط لتمديد الغطاء مع اتصال أنابيب شائكة على المنفذ. اضغط على الغطاء لأسفل حتى يطابق درجة الغطاء مع الشق المقابل على منفذ الفص(الشكل 2C).
ملاحظة: يمكن أن يؤدي نسخ ورق التصفية في هذه الخطوة إلى إبطال النتائج، لذا يجب توخي الحذر لتجنب القوة المفرطة عند الضغط على الغطاء على المنفذ. - كرر لجميع منافذ الفص المتبقية (الشكل 2D).
4. جيل من ملف تدفق الهواء ذات الصلة سريريا
ملاحظة: يجب إكمال هذا الجزء من البروتوكول قبل كل تشغيل تجريبي.
- ربط كل منفذ الفص نموذج الرئة إلى أنابيب متر تدفق المقابلة وصمام، مع الحرص على عدم تطبيق الكثير من الضغط الجانبي على اتصال أنابيب شائكة. إرفاق مقياس التدفق الإلكتروني إلى مدخل الفم نموذج الرئة لقياس إجمالي معدل تدفق الهواء إلى نموذج الرئة.
- بدوره على وحدة تحكم تدفق (الشكل 2A-7) ومضخة فراغ (الشكل 2A-8). حدد الإعداد"اختبار الإعداد"على وحدة تحكم التدفق وزيادة معدل التدفق ببطء حتى يعرض مقياس التدفق الإلكتروني معدل التدفق الإجمالي المطلوب.
- باستخدام الصمامات(الشكل 2E-5)،ضبط معدل التدفق من خلال كل من فصوص الرئة الخمسة: العلوي الأيمن (RU)، الوسط الأيمن (RM)، اليمين السفلي (RL)، العلوي الأيسر (LU)، واليسار السفلي (LL). مرة واحدة في معدلات تدفق الفص هو مبين على متر تدفق(الشكل 2E-4)ثابتة في القيمة المرجوة، والتحقق من معدل التدفق العام مرة أخرى على مقياس التدفق الإلكتروني للتحقق من عدم وجود تسرب في النظام.
- إذا كان هناك تباين في معدل التدفق الإجمالي، خفض معدل التدفق مع وحدة تحكم التدفق، تعيين جميع الصمامات إلى التكوين مفتوحة تماما، وكرر الخطوتين 4.2 و 4.3.
ملاحظة: تم الحصول على النتائج المعروضة هنا باستخدام ملفات تعريف تدفق الهواء استنادا إلى البيانات التي أبلغ عنها Sul et al.10 تم حساب كسور تدفق الفص هذه باستخدام صور التصوير المقطعي المحوسبة لشريحة رقيقة لرئتي المريض بإلهام وانتهاء صلاحية كاملين ، مقارنة التغيرات النسبية في حجم كل فص رئوي. يتم عرض النتائج لاثنين من ظروف التدفق المتميزة، وكلاهما بمعدل تدفق مدخل عام قدره 1 لتر/دقيقة. يتم توزيع ملف تدفق منفذ فص الرئة الصحي على كل منفذ من خلال النسبة المئوية التالية لتدفق المدخل: LL-23.7٪، LU-23.7٪، RL-18.7٪، RM-14.0٪، RU-20.3٪. يتم توزيع ملف تدفق منفذ الفص COPD بين كل منفذ من خلال النسبة المئوية التالية لتدفق المدخل: LL-10.0٪، LU-29.0٪، RL-13.0٪، RM-5.0٪، RU-43.0٪9،10.
- إذا كان هناك تباين في معدل التدفق الإجمالي، خفض معدل التدفق مع وحدة تحكم التدفق، تعيين جميع الصمامات إلى التكوين مفتوحة تماما، وكرر الخطوتين 4.2 و 4.3.
- الخروج من"الإعداد اختبار"وظيفة وحدة تحكم تدفق ولكن ترك مضخة فراغ على.
ملاحظة: يمكن أن يؤدي تشغيل مضخة الفراغ بين تحديد معدلات التدفق وإجراء تجربة الترسب إلى عدم الدقة في ملف تعريف التدفق الذي تم إنشاؤه. فمن المستحسن أن تترك مضخة فراغ على معدلات التدفق المطلوب مرة واحدة يتم تعيين لإكمال اختبار ترسب الهباء الجوي.
5. تسليم الهباء الجوي لنموذج الرئة
ملاحظة: يجب إجراء التجارب في غطاء الدخان مع وشاح مغلق لتقليل التعرض لأي الهباء الجوي التي تولدها البخاخات.
- ملء البخاخات مع حل الجسيمات الفلورية المطلوبة (الشكل 2A-1) والاتصال مدخل نموذج الرئة(الشكل 2B).
ملاحظة: تم الحصول على النتائج المعروضة هنا باستخدام 30 مل من تخفيف 1:100 من جزيئات البوليسترين الفلورية 1 ميكرومتر في الميثانول.- للتحقق من صحة الإعداد التجريبي، قم بتوصيل البخاخات مباشرة بمدخل نموذج الرئة دون أي جهاز استهداف.
- لقياس فعالية جهاز الاستهداف، قم بتوصيل البخاخات بالجهاز وأدخل الجهاز في نموذج الرئة.
- ربط خط الهواء المضغوط إلى البخاخات وإغلاق وشاح غطاء الدخان قدر الإمكان.
- تعيين وحدة تحكم التدفق لتشغيل محاكمة واحدة 10 ق. قبل الضغط على البداية، افتح صمام الهواء المضغوط قليلا للبدء في توليد الهباء الجوي داخل البخاخات.
- اضغط على بدء تشغيل وحدة التحكم في التدفق وافتح صمام الهواء المضغوط بالكامل على الفور. بمجرد أن تصل وحدة التحكم في التدفق إلى حوالي 9 ق ، ابدأ في إغلاق صمام الهواء المضغوط.
- بمجرد إغلاق صمام الهواء المضغوط بالكامل ، افصل البخاخات عن خط الهواء المضغوط ، وأغلق وشاح غطاء الدخان بالكامل ، وأغلق مضخة الفراغ ، ودع أي هباء جوي واضحا من غطاء الدخان لمدة 10 دقائق تقريبا.
ملاحظة : من المهم لاغلاق مضخة فراغ قبالة بعد الانتهاء من تشغيل لمنع فراغ من بناء داخل نظام الأنابيب. - بعد الانتظار لفترة كافية من الوقت، وقطع نموذج الرئة من نظام الأنابيب، مع الحرص بشكل خاص على عدم كسر اتصالات الأنابيب الشائكة.
- إزالة قبعات منفذ الفص عن طريق تشغيل زوج من ملاقط تحت حافة الغطاء ورفع بلطف قبالة نموذج الرئة.
- إزالة ورقة مرشح من الغطاء ووضعه في لوحة بئر 24 مع الجانب الذي الجسيمات المودعة يجري في الجزء السفلي التي تواجه بئر لوحة. كرر للمنافذ المتبقية وتسمية البئر المقابلة لكل فص.
ملاحظة: لمنع أي ترسب الجسيمات المتبقية من التأثير على التجارب اللاحقة، من المهم لشطف كل من نموذج الرئة ومكونات الغطاء مع IPA أو المذيبات المناسبة بين أشواط. ويمكن جمع ذلك وإدراجه في التحليل على النحو المطلوب. بالإضافة إلى ذلك، يتم الاحتفاظ بسجل للتأكد من تعرض كافة النسخ المتماثلة المستخدمة إلى IPA إلى الحد الأدنى للحفاظ على سلامة الجزء، ويوصى بفحص الجزء المرئي قبل الاستخدام.
6. مخرج تصفية ورقة التصوير
- ضع لوحة البئر في مجهر الفلورسينس الرقمي ووضع المجهر على التكبير 4x وقناة الفلورسينس المناسبة.
- تحديد بصريا ورقة مرشح الفص الذي لديه أكبر قدر من ترسب الجسيمات واستخدام"فضح السيارات"وظيفة. يحيط علما التعرض الناتجة وقيم الوقت التكامل.
- تطبيق هذا التعرض لجميع المرشحات لتشغيل وتقييم ما إذا كان الإعداد ينتج صورة مرضية لجميع المناطق ترسب عالية من المرشحات.
ملاحظة: يمكن تغيير إعدادات التركيز من عامل تصفية إلى عامل تصفية; ومع ذلك، يجب تحليل كافة عوامل التصفية لتشغيل معين في نفس إعدادات التعريض الضوئي. فمن الممكن فقط أن يكون إطار واحد من التركيز في وقت واحد، لذلك الانحناءات أو الدموع في ورقة التصفية قد تمنع جميع الجسيمات المودعة في الرأي من أن تكون في التركيز. ويمكن تجنب ذلك عن طريق ضمان ورقة تصفية مسطحة ضد الجزء السفلي من لوحة البئر. - التقاط ما لا يقل عن ثلاث صور من ورقة تصفية كل فص في مواقع عشوائية وحفظ الملفات .tiff.
7. القياس الكمي لترسب الجسيمات
- استيراد كافة صور ورق التصفية لتشغيل معين في جلسة عمل ImageJ.
- تغيير نوع كل صورة إلى 8 بت عن طريق تحديد صورة | اكتب | 8 بت.
- افتح الصورة بأعلى فلورة وحدد image | ضبط | عتبة لفتح إطار عتبة. ضبط قيم العتبة لتقليل إشارة الخلفية من ورقة التصفية وتحديد حواف الجسيمات بوضوح. انظر الشكل 3 للاطلاع على صور العتبات ذات النوعية الجيدة والنوعية الرديئة.
ملاحظة: بالنسبة للمرشحات ذات المستويات العالية من الترسب، يمكن ملاحظة "هالة" من الفلورسينس، الناجمة عن حيود الضوء بواسطة ألياف الورق المرشحة، حول مجموعات كبيرة من الجسيمات. عند تحديد عتبة هذه الصور، يعرض نطاق كبير جدا نقاطا صغيرة أو أشكالا "شبيهة بالريش" حول هذه المجموعات، كما لوحظ في صور العتبة "الفقيرة" في الشكل 3. ويمكن تحسين ذلك عن طريق زيادة الحد الأدنى من العتبة تدريجيا حتى يتم تقليل الإشارة من ألياف الورق المرشح دون حجب الإشارة عن الجسيمات نفسها. - نشر إعدادات العتبة للصورة الفلورية الأعلى إلى جميع الصور الأخرى.
- تحديد عدد الجسيمات وإجمالي مساحة الفلورسنت عن طريق اختيار تحليل | تحليل الجسيمات.
ملاحظة: تتم مقارنة مجموعات البيانات باستخدام اختبار مقارنات متعددة Sidak و ANOVA ثنائي الاتجاه. بالإضافة إلى ذلك، تتم مقارنة الترسب في فص الاهتمام فقط باستخدام اختبار T للطالب على افتراض التباين المتساوي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تتبع الجسيمات في نطاق الحجم هذا (1-5 ميكرومتر) وظروف التدفق (1-10 لتر / دقيقة) خطوط تيار السوائل استنادا إلى كل من عدد ستوكس النظري وبيانات الجسم الحي؛ لذلك ، في حالة عدم وجود جهاز تسليم مستهدف ، من المتوقع أن تترسب الجسيمات المنبعثة في نموذج الرئة وفقا للنسبة المئوية لإجمالي تدفق الهواء المحول إلى كل فص. يمكن بعد ذلك مقارنة الكميات النسبية لتوصيل الجسيمات إلى كل فص ببيانات معدل تدفق الفص السريري التي تم الحصول عليها من خلال تحليل التصوير المقطعي عالي الدقة (HRCT) للمريض بدقة عالية (HRCT) بمسح10. وسوف تسفر عملية الإعداد التجريبية التي تم التحقق من صحتها عن ملف تعريف ترسب الجسيمات غير المستهدف الذي ليس له فرق مهم إحصائيا عن ملف تدفق الهواء السريري. يتم تقديم بيانات التحقق من الصحة لاثنين من ظروف التدفق المتميزة: 1 لتر / دقيقة في الرئة السليمة(الشكل 4A)و 1 لتر / دقيقة في الرئة المصابة بمرض الانسداد الرئوي المزمن(الشكل 4B). وفي ظل هذين الشرطين، لم يكن ملف الترسب المحدد تجريبيا مختلفا إحصائيا عن البيانات السريرية، مما يدل على أن الإعداد يحاكي بدقة توزيع تدفق الهواء إلى كل فصوص الرئة. وكانت ملامح الترسب الأساسية هذه بمثابة السيطرة التي تقارن ضدها ملامح ترسب الجسيمات المستهدفة.
لتوضيح قدرة هذا البروتوكول على قياس التغيرات في الترسب الرئوي الإقليمي، تم تضمين بيانات لاختبار جهازي استهداف مختلفين: أنبوب القصبة الهوائية المعدل (ET)(الشكل 5B)وجهاز اسطوانة متحد المركز(الشكل 5E). كلا الجهازين ظهرت منفذ معرف 2 ملم مع موقع غير قادر على إطلاق الجسيمات المستهدفة. تم تقييم أنبوب ET المعدل مع نموذج الرئة الذي تم تنبيبه لقدرته على استهداف ترسب الجسيمات إلى كل من الفص السفلي الأيسر (LL) والفص السفلي الأيمن (RL). بالمقارنة مع ملف ترسب الجسيمات غير المستهدف ، أدى هذا الجهاز إلى زيادة أربعة أضعاف تقريبا في تسليم LL Lobe (T-test p = 0.004 ، n = 3) بالإضافة إلى تحويل أكثر من 96٪ من الجسيمات المسلمة إلى الرئة اليسرى (T-test p = 0.0001 ، n = 3) (الشكل 5A). تغيير إعداد موقع الإصدار لاستهداف الفص RL، هذا الجهاز ولدت أكثر من ضعف تسليم الجسيمات إلى RL الفص (T-اختبار p =0.02، n =3) وحولت 94٪ من الجسيمات تسليمها إلى الرئة اليمنى (T-اختبار p =0.0005، n =3)(الشكل 5C). وهذا يشير إلى أن الجهاز هو ناجحة للغاية في إنتاج التشكيل الجانبي ترسب المقصود. تم اختبار جهاز الاسطوانة متحد المركز في نموذج الرئة الكامل مع هدف مقصود من الفص العلوي الأيسر (LU). بالمقارنة مع ملف ترسب الجسيمات غير المستهدفة، تسبب هذا الجهاز في زيادة ما يقرب من ثلاثة أضعاف في تسليم LU Lobe (T-test p=0.0003، n=3) بالإضافة إلى تحويل أكثر من 87٪ من الجسيمات المسلمة إلى الرئة اليسرى (T-test p=0.002، n=3)(الشكل 5D). كما يمكن ملاحظة كفاءة الاستهداف من الناحية النوعية من خلال مقارنة صور فلتر الفص المستهدف بفلاتر المنافذ الأخرى. كما هو مبين في الشكل 3، فإن طريقة الاستهداف الأكثر فعالية تسفر عن ترسب جسيم عال في الفص المقصود من الاهتمام والترسب المنخفض في منافذ الفص المتبقية. لمزيد من التدليل على قدرات هذا البروتوكول، يرجى الاطلاع على التجارب التي أجراها كوليوي وآخرون9.
الشكل 1: المكونات التجريبية المطبوعة ثلاثية الأبعاد. (أ)فحص الأشعة المقطعية المريض تحويلها إلى ملف جزء 3D باستخدام الأشعة المقطعية وشبكة برامج التحرير. (ب) نموذج الرئة مع التعديلات منفذ الفص المحرز في تحرير شبكة وبرامج النمذجة 3D. (ج) نموذج الرئة مع مدخل تعديل في برنامج النمذجة 3D لتعكس المريض intubated. (D) اتصال أنابيب شائكة و (E) غطاء مصممة في برنامج النمذجة 3D. (F) المقطع العرضي من نموذج 3D تصور الطبيعة المتشابكة للمنافذ نموذج الرئة مع غطاء واتصال أنابيب شائكة. (G) عرض انفجرت من الرئة نموذج منفذ سقف التجمع. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 2: تجميع الإعداد التجريبي. أ)التخطيطي للإعداد التجريبي بما في ذلك (1) البخاخات، (2) نموذج الرئة، (3) قبعات منفذ، (4) متر تدفق، (5) صمامات، (6) متعددة، (7) وحدة تحكم تدفق و (8) مضخة فراغ. (ب)إعداد مجمع بالكامل. (C) عن قرب من منفذ الفص مع غطاء تجميعها. (D) نموذج الرئة مع جميع قبعات المضافة. (E) عن قرب من شبكة أنابيب لتحديد معدلات تدفق منفذ الفص. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 3: تصفية معالجة الصور الورقية. تم جمع الصور الخام المقدمة خلال تجربة لاستهداف الرئة اليسرى باستخدام جزيئات البوليسترين الفلورية 1 ميكرومتر في 1 لتر / دقيقة تحت ملف التنفس الصحي. صور ترسب "عالية" و "منخفضة" تصور مرشحات LL و RU Lobe ، على التوالي. وتحتفظ العتبة "الجيدة"، المطبقة بنطاق يتراوح بين 43 و 255، حواف محددة بين الجسيمات الفردية وتتجنب الكشف عن ألياف الورق المرشحة. وتحجب عتبة "الفقراء"، المطبقة بنطاق يتراوح بين 17 و 255، حدود الجسيمات الفردية و تبالغ في تقدير المنطقة الفلورية للمرشح. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 4: التحقق من صحة الإعداد التجريبي. (أ)نتائج التحقق من صحة المرضى الأصحاء و (ب) مريض مرض الانسداد الرئوي المزمن في 1 L/min. جميع البيانات المقدمة هي متوسط ± SD مع ثلاث نسخ متماثلة (باستثناء بيانات مرض الانسداد الرئوي المزمن السريرية ، حيث تم الإبلاغ عن مريض واحد فقط). تم الحصول على البيانات المرجعية السريرية لمرضى الأمراض السليمة ومرض الانسداد الرئوي المزمن من Sul, et al10. تمت مقارنة مجموعات البيانات باستخدام اختبار المقارنات المتعددة ل Sidak، وجميع الاختلافات غير هامة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الشكل 5: بيانات نموذجية عن تجارب الاستهداف. (أ) اليسار السفلى الفص و (ج) حق استهداف الفص السفلي التي تحققت باستخدام (ب) تعديل ET أنبوب نظام التسليم. (D) الفص العلوي الأيسر استهداف يتحقق باستخدام (E) نظام توصيل أنبوب متحدة المركز. وبالنسبة لجميع مجموعات البيانات الثلاث، يمثل الحلقة الداخلية ملف تعريف الترسب غير المستهدف الذي تم الحصول عليه أثناء التحقق من صحة الإعداد، ويمثل الحلقة الخارجية ملف تعريف الترسب الناتج بإضافة جهاز الاستهداف المشار إليه. يتم عرض وسائل ثلاث نسخ متماثلة لكل إعداد. تمت مقارنة مجموعات البيانات باستخدام اختبار المقارنات المتعددة ل Sidak واختبار T للطالب على افتراض التباين المتساوي. أنتجت جميع الاجهزة الثلاثة زيادة كبيرة في التسليم إلى فص الاهتمام: LL Lobe (T-test p=0.004, n=3), RL Lobe (T-test p=0.02, n=3), وLU Lobe (T-test p=0.0003, n=3). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
الجهاز الحالي للدولة من بين الفن لاختبار الأدوية الرئوية لجرعة استنشاق كاملة هو Impactor مولد المقبل (NGI)، الذي يقيس القطر الأيرودينامية من الهباء الجوي4. ثم يتم استخدام بيانات التحجيم هذه للتنبؤ بتوليد الرئة الذي سيودع فيه الهباء الجوي استنادا إلى ارتباط تم تطويره لذكر بالغ سليم11. لسوء الحظ ، هذه الطريقة محدودة في قدرتها على تقييم الاختلافات في ترسب الرئة الإقليمي ، وتحديد آثار حالات المرض على تسليم الأدوية ، والتنبؤ بملامح الترسب لمختلف الفئات العمرية والأعراق والجنسين12و13و14. البروتوكول المبين هنا لديه القدرة على تلبية احتياجات الاختبار هذه من خلال السماح للباحثين لتوليد نماذج الرئة غير قادرة ودقيقة تشريحيا مع القدرة على تحديد ترسب نسبي على مستوى الفص، استنادا إلى سلوك تدفق السوائل أظهرت سابقا في النماذج الحسابية3،5،15. باستخدام هذه الطريقة، يمكن تقييم الجرعة الصيدلانية والتسليم بشكل أفضل لهندسة الرئة للأطفال والمرضى قبل الدخول في التجارب السريرية.
وكما هو مبين في الشكلين 4 والشكل 5،يمكن قياس الترسب على مستوى الفص بدقة وسرعة لكل من الهباء الجوي المستهدف وغير المستهدف. في حالة عدم وجود جهاز استهداف ، تتبع الجسيمات في نطاق الحجم هذا (1-5 ميكرومتر) وظروف التدفق (1-10 لتر / دقيقة) تبسيط السوائل وتحويل ملف تدفق الهواء الكلي إلى كل فص(الشكل 4). وتجدر الإشارة إلى أنه يمكن تطوير أجهزة استنشاق مختلفة وملحقات أنبوب ET لتركيز الأدوية المستنشقة على مواقع الفص الخاضعة للرقابة. كما هو موضح في عملنا الأخير وعمل الآخرين ، فإن العديد من ميزات جهاز الاستنشاق ، وملف التدفق ، وهندسة مجرى الهواء تساهم في سلوك الترسب المستهدف2و3و9و16. بشكل عام ، يتطلب الاستهداف الإقليمي الفعال كما يتضح من نماذجنا الفريدة في المختبر توزيعا ضيقا لحجم الهباء الجوي ومعدلات تدفق استنشاق منخفضة لتجنب اضطراب مجرى الهواء الموجود خصيصا داخل القصبة الهوائية. إدراج مجرى الهواء العلوي الكامل داخل نموذجنا في المختبر يسمح للاستجمام دقيقة من هذه أنماط تدفق الهواء التي من المعروف أن تؤثر على توزيع الفص المصب مستوى9. وبسبب هذه التدفقات المعقدة ، أظهرت الأعمال الأخيرة زيادة الاستهداف من أقل من glottis9. نتائجنا في الشكل 5 تسليط الضوء على وجه التحديد على فائدة استخدام محول أنبوب ET لاستهداف الفصوص الفردية إقليميا من الإفراج تحت glottis، مع استهداف الفص محددة كفاءة أظهرت لفص من كل من الرئتين اليمنى والسارية في الكفاءة تتراوح بين 62-74٪ من الجرعة الإجمالية. وهذا يمثل زيادة على كفاءات الاستهداف الإقليمية التي تم الإبلاغ عنها تجريبيا سابقا ، وهو سبيل مهم للتنفيذ السريري لهذا النهج9. والأهم من ذلك، يسمح البروتوكول بإجراء قياسات تجريبية لتوزيع الفص لجرعة صيدلانية كاملة من مجموعة واسعة من أجهزة الاستهداف الإقليمية المحتملة تتجاوز تلك التي تظهر هنا.
مع التصوير المقطعي المحوسب فقط ، يمكن طباعة نموذج الرئة الخاص بالمرضى بسرعة ثلاثية الأبعاد لاختبار طريقة توصيل علاجية محتملة. لن يوفر هذا البروتوكول نهجا تجريبيا على نطاق المختبر لدعم تصميم أجهزة الاستنشاق الجديدة فحسب ، بل سيخلق أيضا فرصة لأجهزة الاستنشاق الشخصية عند الطلب في الممارسة السريرية. يكلف الراتنج الثابت المستخدم في هذا البروتوكول ~ $ 0.12 / مل ؛ لذلك ، يمكن للمستشفيات ذات البنية التحتية الحالية للطباعة ثلاثية الأبعاد طباعة نموذج الرئة مقابل أقل من 15 دولارا في المواد17 وتجميع مجرى هواء مخصص في أقل من يوم واحد. وتجدر الإشارة إلى أن أوقات الطباعة وتكاليف المواد في التصنيع المضاف تستمر في الانخفاض بسرعة، مما يزيد من الجدوى العامة لهذا النهج. يمكن تعديل مجموعتنا التجريبية بسهولة لتعكس عددا من ظروف تدفق الهواء من خلال استخدام نموذج رئوي مختلف أو إعداد توزيع تدفق الهواء ، بعد التحقق التجريبي الموضح في الشكل 4. الاختلافات في ملامح تدفق الرئة والهندسات بسبب خصائص مثل العمر والعرق والجنس موثقة توثيقا جيدا في الأدب ويمكن دمجها بسهولة في نهجنا النمذجة18،19،20. على وجه التحديد ، يمكن أن يكون للاختلافات الهندسية في الحنجرة والبلعوم والرغامى لنماذج الرئة تأثير كبير على تدفق الهواء وأنماط الترسب الإقليمية اللاحقة15و21و22، والتي تم تجهيز هذا البروتوكول بشكل جيد للكشف عنها. وبالتالي ، من المتوقع أن يكون لدمج نهج النمذجة الشخصي هذا تأثير كبير على تطوير علاجات الاستنشاق المخصصة.
هنا ، تم تغيير معدلات تدفق الفص لتعكس تلك التي من حالة مرض الانسداد الرئوي المزمن التي تتميز بانخفاض تدفق الهواء إلى الفصوص السفلية(الشكل 4B)، ولكن يمكن أيضا استخدام الأشعة المقطعية المشتقة من مرض الانسداد الرئوي المزمن لمحاكاة بنية الرئة المريضة بشكل أكثر دقة والعوائق المحتملة23. مع مكتبة من نماذج الرئة المريض وملامح التدفق، يمكن التحقيق في آثار تطور المرض على كفاءة التسليم. هناك مجموعة واسعة من عمليات المسح مفتوحة المصدر المتاحة من المنظمات، مثل المعاهد الوطنية للصحة (NIH) وأرشيف تصوير السرطان (TCIA)24. في حين أن هذه النماذج حاليا لا يمكن إلا تكرار هندسة المريض حتى الجيل الثاني أو الثالث لقياس التوزيع على مستوى الفص بشكل كاف، والعمل جار لتطوير التعديلات التي يمكن أن تتضمن الشعب الهوائية السفلى لتحليل أكثر تفصيلا. يمكن أن يتضمن هذا البروتوكول أيضا أجهزة توصيل الأدوية ذات الصلة سريريا مثل أنبوب ET كما هو موضح في الشكل 5B. يمكن للباحثين تقييم أجهزة توصيل متعددة للكشف عن الخصائص التي قد تزيد أو تقلل من كفاءة العلاج. على سبيل المثال، يتم تقليل فعالية الاستهداف عند محاولة في نموذج الرئة الكامل بدلا من نموذج الرئة intubated(الشكل 5). ويشير هذا الاختلاف إلى أن تجاوز منطقة الغلوتال يتجنب مناطق الاختلاط المضطربة التي تقلل من القدرة على الاستهداف.
وهذا البروتوكول محدود بسبب عدم قدرته على محاكاة الواجهة البيولوجية للهواء السائل بدقة. ونتيجة لذلك، قد الهباء الجوي التي تودع عادة عن طريق ارتطام القصور الذاتي ترتد بدلا من الجدران جامدة من نموذج الرئة25. ولتخفيف ذلك، تشمل الاتجاهات المستقبلية استكشاف تعديلات السطح والطلاء لمحاكاة الطبقة المخاطية لظهارة الرئة. وقد تم التحقيق الطلاء مثل زيت السيليكون والجلسرين للوقاية من ارتداد الجسيمات في NGI ويمكن دمجها بسهولة على نماذج الرئة المطبوعة 3D26. ويجري التحقيق في تقنيات أخرى مثل الطباعة الحيوية وزراعة الخلايا على نماذج مطبوعة ثلاثية الأبعاد لقدرتها على دمج استجابة خلوية في البروتوكول27. بالإضافة إلى ذلك، يستخدم هذا البروتوكول معدات محسنة لمعدلات التدفق من 1-15 لتر/دقيقة؛ في المستقبل ، يمكن استخدام معدلات تدفق أعلى من 30-60 لتر / دقيقة ، النطاق الطبيعي لمعدلات التدفق الملهم الذروة ، عن طريق تبديل صمامات التحكم وعدادات التدفق لتلك المناسبة لنطاق معدل التدفق المطلوب28،29. مع نموذج وحدة تحكم التدفق المستخدمة ، فإن النظام قادر فقط على نمذجة الإلهام بدلا من دورة التنفس الدورية الكاملة. دمج أنماط التنفس العابرة من خلال استخدام جهاز التنفس الصناعي أو نظام تدفق أكثر تعقيدا من المرجح أن يحسن دقة النتائج التجريبية فيما يتعلق بكفاءة ترسب الجسيمات30. وأخيرا، لم تؤد تجارب الترسب إلا مع مجالات البوليسترين الفلورية أحادية التشتت التي يتراوح حجمها بين 1-5 ميكرومتر. يعتمد القياس الكمي للترسب على مضان الهباء الجوي ، لذلك قد يتطلب استخدام هذا البروتوكول مع الهباء الجوي غير الفلوري دمج ملصق فلوري مثل إيزوثيوسيانات الفلورسين (FITC) للتحليل31. ومع ذلك، يمكن تطبيق تقنيات تحليلية إضافية لتحليل الفلتر اعتمادا على تكوين الهباء الجوي، مثل الكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC) أو قياس الطيف الكتلي.
يوضح بروتوكولنا أول إعداد تجريبي في المختبر مع القدرة على تحديد ترسب الرئة الفصيصي في هندسة الرئة الخاصة بالمرضى. ومن المتوقع أن يؤدي تحقيق التوزيع الخاضع للرقابة على مستوى الفص إلى زيادة الفعالية العلاجية لعلاجات الاستنشاق، والتي لن تتحقق إلا من خلال التقدم في قياسات الجرعة الكاملة في المختبر. مع الاهتمام المتزايد في الطب الشخصي ، وهذا البروتوكول لديه القدرة على تحفيز تطوير علاجات الرئة المستهدفة الجديدة من خلال السماح لتنبؤات أكثر دقة من فعالية العلاج المحتملة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.
Acknowledgments
يشكر المؤلفون البروفيسور يو فنغ، والدكتورة جينا بريدل، وإيان وودوارد، ولوكاس عطية على مناقشاتهم المفيدة.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 1/4" Plastic Barbed Tube Fitting | McMaster Carr | 5372K111 | |
| 10 um Filter Paper | Fisher | 1093-110 | |
| 1um Fluorescent Polystyrene Particles | Polysciences | 15702-10 | |
| 1um Non-Fluorescent Polystyrene Particles | Polysciences | 8226 | |
| 2-Propanol | Fisher | A516-4 | Referred to in protocol as "IPA" |
| 3/8" Plastic Barbed Tube Fitting | McMaster Carr | 5372K117 | |
| Air Flow Meter (1 - 280 mL/min) | McMaster Carr | 41695K32 | Referred to in protocol as "flow meter" |
| Carbon M1 3D Printer | Carbon 3D | https://www.carbon3d.com/, Associated software referred to in protocol as "slicing software" | |
| Collison Jet Nebulizer | CH Technologies | ARGCNB0008 (CN-25) | 6 Jet MRE style horizontal collision with glass jar, Referred to in protocol as "nebulizer", http://chtechusa.com/Manuals/MRE_Collison_Manual.pdf |
| Convection Oven | Yamato | DKN602 | |
| Copley Critical Flow Controller TPK2000 Reve 120V | MSP Corp | 0001-01-9810 | Referred to in protocol as "flow controller" |
| Copley High Capacity Pump Model HCP5 | MSP Corp | 0001-01-9982 | Referred to in protocol as "vacuum pump" |
| Cytation | BioTek | CYT5MPV | Multifunctional Spectrophotometer/Fluorescent imager equiped with 4x/20x/40x objectives and DAPI/GFP/TexasRed laser/filter cubes |
| EPU40 Resin | Carbon 3D | https://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/, Referred to in protocol as "soft resin" | |
| Filter for vacuum pump | Whatman | 6722-5000 | |
| Flow Meter Model DFM 2000 | MSP Corp | 0001-01-8764 | Referred to in protocol as "electronic flow meter" |
| ImageJ Software | ImageJ | https://imagej.nih.gov/ij/download.html | |
| Inline Air Flow Control Valve (Push-to-Connect) | McMaster Carr | 62005K333 | Referred to in protocol as "valve" |
| Inline Filter Devices | Whatman | WHA67225000 | |
| Marine-Grade Plywood Sheet | McMaster Carr | 62005K333 | Referred to in protocol as "wooden board" |
| Materialise Mimics Software | Materialise | https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite, Referred to in protocol as "CT scan software" | |
| Meshmixer Software | Autodesk | http://www.meshmixer.com/, Referred to in protocol as "mesh editing software" | |
| Methanol | Fisher | A454-4 | |
| Opticure LED Cube | APM Technica | 102843 | Referred to in protocol as "UV oven" |
| PR25 Resin | Carbon 3D | https://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate, /Referred to in protocol as "hard resin" | |
| PVC Tube for Chemicals | McMaster Carr | 5231K161 | 1/4" ID |
| Screws | |||
| SolidWorks Software | Dassault Systèmes SolidWorks Corporation | https://www.solidworks.com/, Referred to in protocol as "3D modeling software" | |
| Straight Flow Rectangular Manifold | McMaster Carr | 1125T31 | |
| Tubing to Flow Controller | McMaster Carr | 5233K65 | 3/8" ID |
| Wire |
References
- Goel, A., Baboota, S., Sahni, J. K., Ali, J. Exploring targeted pulmonary delivery for treatment of lung cancer. International Journal of Pharmaceutical Investigation. 3 (1), 8-14 (2013).
- Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Li, Z., Roberts, W. L., Rojas, C. A new methodology for targeting drug-aerosols in the human respiratory system. International Journal of Heat and Mass Transfer. 51 (23), 5578-5589 (2008).
- Feng, Y., Chen, X., Yang, M. An In Silico Investigation of a Lobe-Specific Targeted Pulmonary Drug Delivery Method. Design of Medical Devices Conference. , (2018).
- Marple, V. A., et al. Next generation pharmaceutical impactor (a new impactor for pharmaceutical inhaler testing). Part I: Design. Journal of Aerosol Medicine. 16 (3), 283-299 (2003).
- Feng, Y., Zhao, J., Chen, X., Lin, J. An In Silico Subject-Variability Study of Upper Airway Morphological Influence on the Airflow Regime in a Tracheobronchial Tree. Bioengineering. 4 (4), 90 (2017).
- Huynh, B. K., et al. The Development and Validation of an In Vitro Airway Model to Assess Realistic Airway Deposition and Drug Permeation Behavior of Orally Inhaled Products Across Synthetic Membranes. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 103-108 (2018).
- Lizal, F., Elcner, J., Hopke, P. K., Jedelsky, J., Jicha, M. Development of a realistic human airway model. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 226 (3), 197-207 (2011).
- Wei, X., Hindle, M., Delvadia, R. R., Byron, P. R. In Vitro Tests for Aerosol Deposition. V: Using Realistic Testing to Estimate Variations in Aerosol Properties at the Trachea. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 30 (5), 339-348 (2017).
- Kolewe, E. L., Feng, Y., Fromen, C. A. Realizing Lobe-Specific Aerosol Targeting in a 3D-Printed In Vitro Lung Model. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. , (2020).
- Sul, B., et al. Assessing Airflow Sensitivity to Healthy and Diseased Lung Conditions in a Computational Fluid Dynamics Model Validated In Vitro. Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), (2018).
- Martonen, T. B., Katz, I. Deposition Patterns of Polydisperse Aerosols Within Human Lungs. Journal of Aerosol Medicine. 6 (4), 251-274 (1993).
- Nahar, K., et al. In vitro, in vivo and ex vivo models for studying particle deposition and drug absorption of inhaled pharmaceuticals. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 49 (5), 805-818 (2013).
- Nichols, S. C., et al. A Multi-laboratory in Vitro Study to Compare Data from Abbreviated and Pharmacopeial Impactor Measurements for Orally Inhaled Products: a Report of the European Aerosol Group (EPAG). AAPS PharmSciTech. 17 (6), 1383-1392 (2016).
- Yoshida, H., Kuwana, A., Shibata, H., Izutsu, K. I., Goda, Y. Comparison of Aerodynamic Particle Size Distribution Between a Next Generation Impactor and a Cascade Impactor at a Range of Flow Rates. AAPS PharmSciTech. 18 (3), 646-653 (2017).
- Feng, Y., et al. An in silico inter-subject variability study of extra-thoracic morphology effects on inhaled particle transport and deposition. Journal of Aerosol Science. 123, 185-207 (2018).
- Kleinstreuer, C., Seelecke, S. Inhaler system for targeted maximum drug-aerosol delivery. United States patent. , (2005).
- Pietila, T. How Medical 3D Printing is Gaining Ground in Top Hospitals. , Available from: https://www.materialise.com/en/blog/3d-printing-hospitals (2019).
- Weber, P. W., Price, O. T., McClellan, G. E. Demographic Variability of Inhalation Mechanics: A Review. Defense Threat Reduction Agency. , (2016).
- Jiang, Y. Y., Xu, X., Su, H. L., Liu, D. X. Gender-related difference in the upper airway dimensions and hyoid bone position in Chinese Han children and adolescents aged 6-18 years using cone beam computed tomography. Acta Odontologica Scandinavica. 73 (5), 391-400 (2015).
- Martin, S. E., Mathur, R., Marshall, I., Douglas, N. J. The effect of age, sex, obesity and posture on upper airway size. European Respiratory Journal. 10 (9), 2087 (1997).
- Xi, J., Longest, P. W., Martonen, T. B. Effects of the laryngeal jet on nano- and microparticle transport and deposition in an approximate model of the upper tracheobronchial airways. Journal of Applied Physiology. 104 (6), 1761-1777 (2008).
- Zhao, J., Feng, Y., Fromen, C. A. Glottis motion effects on the particle transport and deposition in a subject-specific mouth-to-trachea model: A CFPD study. Computers in Biology and Medicine. 116, 103532 (2020).
- Kim, S. S., et al. Chronic obstructive pulmonary disease: lobe-based visual assessment of volumetric CT by Using standard images--comparison with quantitative CT and pulmonary function test in the COPDGene study. Radiology. 266 (2), 626-635 (2013).
- The Cancer Imaging Archive. , Available from: https://www.cancerimagingarchive.net/ (2020).
- Li, A., Ahmadi, G. Computer Simulation of Deposition of Aerosols in a Turbulent Channel Flow with Rough Walls. Aerosol Science and Technology. 18 (1), 11-24 (1993).
- Khalili, S. F., Ghanbarzadeh, S., Nokhodchi, A., Hamishehkar, H. The effect of different coating materials on the prevention of powder bounce in the next generation impactor. Research in Pharmaceutical Sciences. 13 (3), 283-287 (2018).
- Galliger, Z., Vogt, C. D., Panoskaltsis-Mortari, A. 3D bioprinting for lungs and hollow organs. Translational Research. 211, 19-34 (2019).
- Schwarz, K., Biller, H., Windt, H., Koch, W., Hohlfeld, J. M. Characterization of exhaled particles from the healthy human lung--a systematic analysis in relation to pulmonary function variables. Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 23 (6), 371-379 (2010).
- Patton, J. S., Byron, P. R. Inhaling medicines: delivering drugs to the body through the lungs. Nature Reviews Drug Discovery. 6 (1), 67-74 (2007).
- Zhang, Z., Kleinstreuer, C., Kim, C. S. Cyclic micron-size particle inhalation and deposition in a triple bifurcation lung airway model. Journal of Aerosol Science. 33 (2), 257-281 (2002).
- Ju, Y., et al. Engineering of Nebulized Metal-Phenolic Capsules for Controlled Pulmonary Deposition. Advanced Science. 7 (6), 1902650 (2020).
