Summary
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.
Abstract
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.
Introduction
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.
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Protocol
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).
- Converter tomografias computadorizadas do paciente em objetos 3D (arquivos.stl).
NOTA: Para uma discussão mais detalhada das características geométricas do modelo pulmonar específico utilizado nestes estudos, consulte Feng et al.5.- Fazer varreduras ct em um objeto 3D usando o software de tomografia computadorizada (ver Tabela de Materiais). Abra a tomografia computadorizada e crie uma máscara no espaço aéreo usando a ferramenta Limiar com uma configuração na faixa de -800 a -1000. Usando a ferramenta Visualização 3D, visualize a renderização 3D e exporte o objeto (Arquivo | Exportar) como um arquivo .stl.
- Importar os arquivos para software de edição de malha (ver Tabela de Materiais),remova quaisquer recursos irregulares usando a ferramenta Selecionar (Esculpir | Pincéis: "Encolher/Suavizar" | Propriedades: Força (50), Tamanho (10), Profundidade(0)). Suavize a superfície(Ctrl+A | Deform | | suave Suavização (0,2), Balança de Alisamento (1)).
- No software de edição de malha, estenda a parede desses objetos em 2 mm (Ctrl+A | Editar | Deslocamento), e permitir que o objeto interno permaneça oco de tal forma que apenas a parede permaneça. Corte o objeto(Selecione | Editar | Corte de plano) na traqueia para formar uma entrada e nas gerações 2 ou 3 onde o objeto se ramifica para cada lóbulo para criar tomadas(Figura 1A).
NOTA: A espessura de 2 mm foi escolhida com base nos tamanhos de características aceitáveis especificados pelo fabricante da impressora 3D listada na Tabela de Materiais. Esta espessura pode ser ajustada com base nas especificações da impressora 3D disponível se a geometria interior do modelo for mantida.
- Modificar as geometrias de saída do modelo pulmonar do paciente para serem compatíveis com componentes da tampa de saída do lobo previamente projetados(Figura 1B,C) listados na Tabela de Materiais.
- Importar o objeto 3D, que replica a tomografia computadorizada no interior, tem uma espessura de parede de 2 mm, e está aberto na entrada e nas tomadas, em software de modelagem 3D (ver Tabela de Materiais) como um Corpo Sólido (| Abertos Arquivos de malha | Opções | Corpo Sólido).
- Crie um plano baseado em um rosto em cada uma das tomadas(Insira | | de Geometria de Referência Avião). Usando a ferramenta de emenda, rastreie a parede interna e a parede externa da tomada em um esboço no plano (Sketch | Spline).
- Loft um cilindro (OD 18,5 mm, ID 12,5 mm, H 15,15 mm) para conectar à parede interna e externa do modelo, estendendo assim a saída para ser uniforme em cada lobo (Características | Chefe/Base Lofted). Adicione um entalhe ao redor da borda da tomada para combinar com a tampa (Características | Corte extrudado | Deslocamento).
NOTA: A tampa (Figura 1D) é um cilindro oco que corresponde às dimensões das tomadas e tem uma prateleira que se interliga com o entalhe da saída do modelo. Uma extremidade da tampa é bloqueada de tal forma que o ID é menor do que o resto da peça, isso garante um ajuste apertado em torno da conexão de tubulação farpada(Figura 1E). A conexão de tubos farpados é uma forma de cone farpado de tal forma que o barbing se encaixa através da abertura da tampa, mas o resto da peça não, permitindo que a conexão de tubos se encaixe firmemente na tampa. Assim, a tampa se encaixa firmemente em torno da conexão de tubos farpados e do modelo pulmonar(Figura 1F,G). - Modifique a entrada do modelo pulmonar dependendo das condições experimentais desejadas. As regiões de garganta e glotal podem ser incluídas para imitar um paciente que pode respirar por conta própria(Figura 1B). Regiões acima da traqueia podem ser removidas usando um corte extrudado para imitar um paciente entubado no suporte ao ventilador (Características | Corte Extrudado) (Figura 1C).
- Oriente e suporte componentes experimentais em software de corte fornecido pelo fabricante da impressora 3D.
- Importe arquivos de peça 3D em software de corte de impressora 3D e escolha a resina apropriada. Use uma resina dura para imprimir os modelos de pulmão e conexões de tubos farpados, e uma resina macia para imprimir as tampas.
NOTA: A resina usada para imprimir as tampas deve ter propriedades elásticas para permitir que ela se estendia sobre a saída do lóbulo e crie um selo hermético. - Defina a orientação parcial de tal forma que quaisquer "ilhas" e volumes nãoventados sejam minimizados. A melhor orientação para os modelos pulmonares é com as saídas de lóbulo voltadas para longe da plataforma de impressão. Certifique-se de que tanto as conexões de tubos farpados quanto as tampas têm as porções mais largas voltadas para a plataforma de impressão.
NOTA: As fatias individuais podem ser vistas para verificar o aparecimento de "ilhas", seções da peça que aparecem pela primeira vez em uma fatia sem serem conectadas ao corpo principal da peça. A função de revisão pode ser usada para verificar fatias com volumes nãoventados, áreas onde a resina nãocurada pode ficar presa dentro da peça durante a impressão. Tanto as "ilhas" quanto os volumes nãoventados diminuem a qualidade da impressão e podem levar à falha de impressão. - Visualizando cada fatia individualmente, adicione suportes a quaisquer "ilhas" restantes na peça, bem como a quaisquer áreas com saliências significativas. Exporte e visualize as fatias para a impressão para verificar se todas as áreas estão devidamente suportadas.
- Importe arquivos de peça 3D em software de corte de impressora 3D e escolha a resina apropriada. Use uma resina dura para imprimir os modelos de pulmão e conexões de tubos farpados, e uma resina macia para imprimir as tampas.
- Imprima componentes experimentais e complete o pós-processamento de acordo com as instruções do fabricante.
NOTA: Todas as etapas pós-processamento descritas abaixo são específicas da impressora 3D listada na Tabela de Materiais. Ao utilizar impressoras ou materiais alternativos, ajuste estas etapas para refletir as instruções do fabricante.- Para peças impressas em resina macia, lave com ≥99% de pureza isopropílico de álcool (IPA) para remover o excesso de resina não cura e cura térmica em um forno de convecção por 8h de acordo com as especificações do fabricante.
NOTA: As peças impressas em resina macia podem ser muito delicadas imediatamente após a impressão, por isso deve-se tomar cuidado especial durante as etapas de limpeza. A exposição ao IPA deve ser mantida abaixo do limite de exposição ao solvente do material para evitar a degradação da peça. - Para peças impressas em resina dura, lave com IPA para remover o excesso de resina não cura e cure em forno UV (luz de 365 nm a 5-10 mW/cm2) por 1 min por lado.
NOTA: Para avaliar a precisão da réplica impressa em 3D, recomenda-se usar a digitalização μCT da peça impressa e do software de tomografia computadorizada para comparar, quantitativamente, variações entre a renderização 3D original e a réplica impressa em 3D.
- Para peças impressas em resina macia, lave com ≥99% de pureza isopropílico de álcool (IPA) para remover o excesso de resina não cura e cura térmica em um forno de convecção por 8h de acordo com as especificações do fabricante.
2. Montagem do sistema de tubulação para controle da taxa de fluxo
- Parafuso 1/4" encaixes de tubo farpado na lateral do coletor com 6 portas(Figura 2A-6) e um tubo farpado de 3/8" encaixando-se na porta restante.
- Corte tubos de 1/4" nos comprimentos desejados e insira em cada extremidade das válvulas push-to-connect(Figura 2A-5). Conecte cada válvula a um dos encaixes de 1/4" inseridos no coletor.
- Conecte um medidor de fluxo(Figura 2A-4) à outra extremidade de cada válvula.
- Posicione o sistema de tubulação em cima da placa de madeira de tal forma que o único encaixe de 3/8" do coletor se estende além da borda da placa. Para fixar no lugar, adicione dois parafusos ao lado da tábua de madeira e conecte o coletor aos parafusos usando fio.
- Adicione quatro parafusos posicionados ao redor de cada uma das válvulas e medidores de fluxo e use o fio para fixar cada um deles na placa de madeira(Figura 2E).
- Com aproximadamente 6" de tubos de 3/8" de ID, conecte o coletor a um filtro de grau de vácuo de tamanho de poro de 0,1 μm em linha. Conecte a outra extremidade do filtro ao controlador de fluxo usando outro tubo de 3/8" de 3/8"
NOTA: O sistema de tubulação só precisa ser montado uma vez.
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.
- Insira conexão de tubos farpados na tampa com o bocal saliente através da abertura na base da tampa. Primeiro, insira uma extremidade da base de conexão de tubos farpados ovais na tampa. Em seguida, estique cuidadosamente a tampa flexível sobre a outra extremidade da base oval, tomando cuidado especial para não quebrar a base fina.
NOTA: As tampas recém-impressas podem ser mais rígidas do que o desejado e podem ser esticadas correndo dois dedos ao longo do interior da tampa. - Corte 10 μm de papel filtro de tal forma que ele é ligeiramente maior do que a área de saída. Dobre o papel do filtro sobre a saída do lóbulo e segure no lugar com uma mão.
- Por outro lado, use pinças para esticar a tampa com conexão de tubos farpados sobre a tomada. Pressione a tampa para baixo até que o entalhe da tampa corresponda com o entalhe correspondente na saída do lóbulo(Figura 2C).
NOTA: Rasgar o papel do filtro nesta etapa pode invalidar os resultados, por isso deve-se tomar cuidado especial para evitar força excessiva ao pressionar a tampa na tomada. - Repita para todas as saídas restantes dolobo (Figura 2D).
4. Geração de perfil de fluxo de ar clinicamente relevante
NOTA: Esta parte do protocolo deve ser concluída antes de cada execução experimental.
- Conecte cada saída do lobo do modelo pulmonar à tubulação do medidor de fluxo e da válvula correspondentes, tomando cuidado para não aplicar muita pressão lateral à conexão de tubulação farpada. Conecte o medidor de fluxo eletrônico à entrada da boca modelo pulmonar para medir a taxa total de fluxo de ar ao modelo pulmonar.
- Ligue o controlador de fluxo(Figura 2A-7) e a bomba de vácuo(Figura 2A-8). Selecione a configuração "configuração de teste" no controlador de fluxo e aumente lentamente a taxa de fluxo até que o medidor de fluxo eletrônico exiba a taxa de fluxo total desejada.
- Utilizando as válvulas(Figura 2E-5),ajuste a taxa de fluxo através de cada um dos cinco lóbulos pulmonares: Upper Direito (RU), Meio Direito (RM), Inferior Direito (RL), Superior Esquerdo (LU) e Inferior Esquerdo (LL). Uma vez que as taxas de fluxo do lobo mostradas nos medidores de fluxo (Figura 2E-4) estejam estáveis no valor desejado, verifique novamente a taxa de fluxo global no medidor de fluxo eletrônico para verificar se não há vazamentos no sistema.
- Se houver uma discrepância na taxa de fluxo total, diminua a taxa de fluxo com o controlador de fluxo, defina todas as válvulas para a configuração totalmente aberta e repita as etapas 4.2 e 4.3.
NOTA: Os resultados aqui apresentados foram obtidos utilizando-se perfis de fluxo de ar com base em dados relatados por Sul et al.10 Estas frações de fluxo de lobar foram calculadas utilizando-se imagens de tomografia computadorizada de fatia fina dos pulmões do paciente em plena inspiração e expiração, comparando as alterações relativas no volume de cada lobo pulmonar. Os resultados são apresentados para duas condições de fluxo distintas, ambas com uma taxa de fluxo de entrada global de 1 L/min. O perfil de fluxo de saída do lobo pulmonar saudável é distribuído a cada tomada pelo seguinte percentual do fluxo de entrada: LL-23,7%, LU-23,7%, RL-18,7%, RM-14,0%, RU-20,3%. O perfil de fluxo de saída de lobe copd é distribuído entre cada tomada pelo seguinte percentual do fluxo de entrada: LL-10,0%, LU-29,0%, RL-13,0%, RM-5,0%, RU-43,0%9,10.
- Se houver uma discrepância na taxa de fluxo total, diminua a taxa de fluxo com o controlador de fluxo, defina todas as válvulas para a configuração totalmente aberta e repita as etapas 4.2 e 4.3.
- Saia da função "configuraçãode teste " do controlador de fluxo, mas deixe a bomba de vácuo em funcionamento.
NOTA: Desligar a bomba de vácuo entre a definição das taxas de fluxo e a realização do experimento de deposição pode levar a imprecisões no perfil de fluxo gerado. Recomenda-se deixar a bomba de vácuo em uma vez que as taxas de fluxo desejadas são definidas para completar o teste de deposição de aerossol.
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.
- Encha o nebulizador com solução de partículas fluorescentes desejadas(Figura 2A-1) e conecte-se à entrada do modelo pulmonar(Figura 2B).
NOTA: Os resultados aqui apresentados foram obtidos utilizando-se 30 mL de uma diluição de 1:100 de partículas de poliestireno fluorescente de 1 μm em metanol.- Para validar a configuração experimental, conecte o nebulizador diretamente à entrada do modelo pulmonar sem qualquer dispositivo de mira.
- Para medir a eficácia de um dispositivo de destino, conecte o nebulizador ao dispositivo e insira o dispositivo no modelo pulmonar.
- Conecte a linha de ar comprimido ao nebulizador e feche a faixa do capô da fumaça o máximo possível.
- Defina o controlador de fluxo para executar para um teste de 10 s. Antes de pressionar a partida, abra ligeiramente a válvula de ar comprimido para começar a gerar um aerossol dentro do nebulizador.
- Pressione o controlador de fluxo e abra imediatamente a válvula de ar comprimido totalmente. Uma vez que o controlador de fluxo atinja cerca de 9 s, comece a fechar a válvula de ar comprimido.
- Uma vez que a válvula de ar comprimido esteja totalmente fechada, desconecte o nebulizador da linha de ar comprimido, feche totalmente a faixa do capô da fumaça, desligue a bomba de vácuo e deixe que todos os aerossóis se limpem do capô da fumaça por cerca de 10 minutos.
NOTA: É importante desligar a bomba de vácuo depois de completar uma corrida para evitar que um vácuo se construa dentro do sistema de tubos. - Depois de esperar por um tempo suficiente, desconecte o modelo pulmonar do sistema de tubulação, tomando cuidado especial para não quebrar as conexões de tubos farpados.
- Remova as tampas de saída do lóbulo executando um par de pinças sob a borda da tampa e levantando-a suavemente do modelo pulmonar.
- Remova o papel do filtro da tampa e coloque-o em uma placa de 24 poços com o lado sobre o qual as partículas depositadas estão na parte inferior de frente para o poço da placa. Repita para as demais tomadas e rotule o poço correspondente a cada lobo.
NOTA: Para evitar que qualquer deposição de partículas residuais impacte os experimentos subsequentes, é importante enxaguar tanto o modelo pulmonar quanto os componentes da tampa com IPA ou solvente apropriado entre as corridas. Isso pode ser coletado e incluído na análise conforme desejado. Além disso, um registro é mantido para garantir que todas as réplicas usadas tenham sido minimamente expostas ao IPA para manter a integridade das peças, e a inspeção de peças visuais é recomendada antes do uso.
6. Imagem de papel do filtro de saída
- Coloque a placa do poço no microscópio de fluorescência digital e coloque o microscópio em ampliação de 4x e o canal de fluorescência apropriado.
- Identificar visualmente qual papel filtro do lobo tem a maior quantidade de deposição de partículas e usar a função "Auto Expose". Tome nota dos valores de tempo de exposição e integração resultantes.
- Aplique essa exposição a todos os filtros para a execução e avalie se a configuração produz uma imagem satisfatória para todas as áreas de deposição elevadas dos filtros.
NOTA: As configurações de foco podem ser alteradas de filtro para filtro; no entanto, todos os filtros para uma determinada execução devem ser analisados nas mesmas configurações de exposição. Só é possível ter um quadro de foco por vez, de modo que curvas ou lágrimas no papel filtro podem impedir que todas as partículas depositadas à vista estejam em foco. Isso pode ser evitado garantindo que o papel filtro esteja plano contra a parte inferior da placa do poço. - Pegue pelo menos três imagens do papel filtro de cada lóbulo em locais aleatórios e salve como .tiff arquivos.
7. Quantificação da deposição de partículas
- Importe todas as imagens de papel do filtro para uma determinada execução em uma sessão ImageJ.
- Altere o tipo de cada imagem para 8 bits selecionando | de imagem Tipo | 8 bits.
- Abra a imagem com a maior fluorescência e selecione Imagem | Ajuste | Limiar para abrir uma janela de limiar. Ajuste os valores limiares para minimizar o sinal de fundo do papel filtro e defina claramente as bordas das partículas. Consulte a Figura 3 para representações de limiares de boa qualidade e má qualidade.
NOTA: Para filtros com altos níveis de deposição, pode ser observada uma "coroa" de fluorescência, causada pela difração da luz pelas fibras de papel do filtro, em torno de grandes agrupamentos de partículas. Ao limiar dessas imagens, um intervalo muito grande exibe pequenos pontos ou formas "semelhantes a penas" em torno desses agrupamentos, como observado nas imagens limiares "pobres" na Figura 3. Isso pode ser melhorado aumentando gradualmente o limite inferior do limiar até que o sinal das fibras de papel do filtro seja minimizado sem ocultar o sinal das próprias partículas. - Propague as configurações limiares para a imagem de fluorescência mais alta para todas as outras imagens.
- Quantifique o número de partículas e a área fluorescente total selecionando Analisar | Analisar partículas.
NOTA: Os conjuntos de dados são comparados usando o Teste de Comparações Múltiplas do Sidak e um ANOVA bidirecional. Além disso, a deposição apenas no lóbulo de interesse é comparada usando um teste T estudantil assumindo igual variância.
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Representative Results
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 clínico obtidos através da análise da tomografia computadorizada de alta resolução específica do paciente (HRCT)10. Uma configuração experimental validada produzirá um perfil de deposição de partículas não-direcionada que não tenha diferença estatisticamente significativa em do perfil de fluxo de ar clínico. Os dados de validação são apresentados para duas condições distintas de fluxo: 1 L/min em um pulmão saudável (Figura 4A) e 1 L/min em um pulmão afetado pela DPOC(Figura 4B). Em ambas as condições, o perfil de deposição experimentalmente determinado não foi estatisticamente diferente dos dados clínicos, demonstrando que a configuração imita com precisão a distribuição do fluxo de ar para cada um dos lóbulos pulmonares. Esses perfis de deposição de linha de base serviram como o controle contra o qual os perfis de depoimento de partículas direcionados são comparados.
Para ilustrar a capacidade deste protocolo de quantificar alterações na deposição pulmonar regional, foram incluídos dados para o teste dedois dispositivos de mira diferentes: um tubo endotraqueal modificado (ET) e um dispositivo de cilindro concêntrico(Figura 5E). Ambos os dispositivos apresentavam uma tomada de 2 mm ID com localização tunable para liberação de partículas direcionadas. O tubo ET modificado foi avaliado com o modelo pulmonar entubado para sua capacidade de direcionar a deposição de partículas tanto para o Lobo Inferior Esquerdo (LL) quanto para o Lóbe Inferior Direito (RL). Em comparação com o perfil de deposição de partículas não-direcionada, este dispositivo gerou um aumento de quase quatro vezes na entrega do Lóbe LL (teste T=0,004, n=3) além de desviar mais de 96% das partículas entregues para o Pulmão Esquerdo (teste T p=0,0001, n=3)(Figura 5A). Alterando a configuração de localização de liberação para atingir o RL Lobe, este dispositivo gerou mais do que o dobro da entrega de partículas para o RL Lobe (T-test p=0,02, n=3) e desviou 94% das partículas entregues para o Pulmão Direito (T-test p=0,0005, n=3)(Figura 5C). Isso indica que o dispositivo é altamente bem sucedido na produção da modulação do perfil de deposição pretendida. O dispositivo de cilindro concêntrico foi testado no modelo pulmonar completo com um alvo pretendido do Lobo Superior Esquerdo (LU). Em comparação com o perfil de deposição de partículas não-direcionada, este dispositivo causou um aumento de quase três vezes na entrega do Lóbe LU (T-test p=0,0003, n=3) além de desviar mais de 87% das partículas entregues para o Pulmão Esquerdo (teste T p=0,002, n=3)(Figura 5D). A eficiência de segmentação também pode ser observada qualitativamente comparando as imagens do filtro lóbulo alvo com os outros filtros de saída. Como descrito na Figura 3,o método de mira mais eficaz produzirá alta deposição de partículas no lobo de interesse pretendido e baixo depoimento nas saídas restantes do lobo. Para mais demonstrações das capacidades deste protocolo, consulte os experimentos realizados por Kolewe et al9.
Figura 1: Componentes experimentais impressos em 3D. (A) Tomografia computadorizada do paciente convertida em arquivo de peça 3D usando computador de tomografia computadorizada e software de edição de malha. (B) Modelo pulmonar com modificações de saída de lóbulo feitas em edição de malha e software de modelagem 3D. (C) Modelo pulmonar com entrada modificada em software de modelagem 3D para refletir um paciente entubado. (D) Conexão de tubulação barbeada e(E) tampa projetada em software de modelagem 3D. (F) Seção transversal do modelo 3D que retrata a natureza entrelaçada das saídas do modelo pulmonar com a tampa e a conexão de tubulação farpada. (G) Visão explodida do conjunto da tampa de saída do modelo pulmonar. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: Montagem de configuração experimental. (A) Esquema de configuração experimental incluindo (1) nebulizador, (2) modelo pulmonar, (3) tampas de saída, (4) medidores de fluxo, (5) válvulas, (6) coletores, (7) controlador de fluxo e (8) uma bomba de vácuo. (B) Configuração totalmente montada. (C) Close-up de saída de lóbulo com tampa montada. (D) Modelo pulmonar com todas as tampas adicionadas. (E) Close-up da rede de tubos para definir as taxas de fluxo de saída do lobo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: Filtrar o processamento da imagem em papel. As imagens brutas apresentadas foram coletadas durante um experimento para atingir o pulmão esquerdo usando partículas de poliestireno fluorescente de 1 μm a 1 L/min sob um perfil de respiração saudável. As imagens de depoimento "altas" e "baixas" retratam os filtros LL e RU Lobe, respectivamente. O limiar "bom", aplicado com uma faixa de 43 a 255, mantém bordas definidas entre partículas individuais e evita a detecção de fibras de papel filtro. O limiar "pobre", aplicado com uma faixa de 17 a 255, obscurece as bordas individuais de partículas e superestima a área fluorescente do filtro. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 4: Validação experimental da configuração. (A) Resultados de validação para pacientes saudáveis e (B) paciente com DPOC a 1 L/min. Todos os dados apresentados são médias ± DP com três réplicas (exceto dados clínicos de DPOC, onde apenas um paciente foi notificado). Os dados de referência clínica para pacientes saudáveis e dpoc foram obtidos a partir do Sul, et al10. Os conjuntos de dados foram comparados usando o Teste de Comparações Múltiplas de Sidak, e todas as diferenças não são significativas. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 5: Exemplos de dados para testes de destino. (A) Lobo Inferior Esquerdo e(C) Direção inferior direita do Lobo alcançado utilizando (B) um sistema de entrega de tubo ET modificado. (D) Direção do Lobo Superior Esquerdo alcançado utilizando(E) um sistema de entrega de tubos concêntrico. Para todos os três conjuntos de dados, o anel interno representa o perfil de deposição não-direcionado obtido durante a validação da configuração, e o anel externo representa o perfil de deposição produzido com a adição do dispositivo de destino indicado. Os meios de três réplicas para cada configuração são mostrados. Os conjuntos de dados foram comparados usando o Teste de Comparações Múltiplas de Sidak e um teste T estudantil assumindo variância igual. Todas as três configurações produziram um aumento significativo na entrega ao lobo de interesse: LL Lobe (T-test p=0,004, n=3), RL Lobe (T-test p=0,02, n=3) e LU Lobe (T-test p=0,0003, n=3). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
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Discussion
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 regional, determinar os efeitos das condições da doença no parto farmacêutico e prever perfis de depoimento para várias faixas etárias, raças e gêneros12,13,14. O protocolo aqui delineado tem a capacidade de atender a essas necessidades de teste, permitindo que os pesquisadores gerem modelos pulmonares anatomicamente precisos com a capacidade de quantificar a deposição relativa no nível do lóbulo, com base no comportamento de fluxo de fluidos previamente demonstrado nos modelos computacionais3,5,15. Utilizando este método, a dosagem e o parto farmacêutico podem ser melhor avaliados para geometrias pulmonares pediátricas e doentes antes de entrar em ensaios clínicos.
Como mostrado nas Figuras 4 e Figura 5,a deposição no nível do lobo pode ser medida com precisão e rapidez para aerossóis de inalação direcionados e não-direcionados. Na ausência de um dispositivo de destino, partículas nesta faixa de tamanho (1-5 μm) e condições de fluxo (1-10 L/min) seguem as aerodinâmicas do fluido e o perfil total de fluxo de ar desviado para cada lobo(Figura 4). Notavelmente, vários dispositivos inalador e acessórios de tubo ET podem ser desenvolvidos para concentrar medicamentos inalados em locais controlados do lobo. Como descrito em nosso trabalho recente e em outros, muitas características do dispositivo inalador, perfil de fluxo e geometria das vias aéreas contribuem para o comportamento de deposição direcionado2,3,9,16. Em geral, a segmentação regional eficiente, como demonstrado por nossos modelos in vitro únicos, requer uma distribuição estreita do tamanho do aerossol e baixas taxas de fluxo de inalação para evitar turbulências nas vias aéreas especificamente encontradas dentro da traqueia. A inclusão das vias aéreas superiores completas dentro do nosso modelo in vitro permite a recriação precisa desses padrões de fluxo de ar que são conhecidos por influenciar a distribuição a jusante do nível dolobo 9. Por causa desses fluxos complexos, o trabalho recente demonstrou aumento da segmentação abaixo do glottis9. Nossos resultados na Figura 5 destacam especificamente o benefício do uso de um adaptador de tubo ET para atingir regionalmente lóbulos individuais de liberação abaixo do glottis, com direcionamento eficiente específico do lobo mostrado para lóbulos dos pulmões direito e esquerdo em eficiências que variam entre 62-74% da dose total. Isso representa um aumento em relação à eficiência regional de liberação bucal relatada anteriormente e é um importante caminho para a implementação clínica desta abordagem9. É importante ressaltar que o protocolo permite medições experimentais de distribuição de lobos de uma dose farmacêutica completa de uma ampla gama de potenciais dispositivos de mira regionais além dos demonstrados aqui.
Com apenas uma tomografia computadorizada, um modelo pulmonar específico do paciente pode ser rapidamente impresso em 3D para testar um potencial método de entrega terapêutica. Este protocolo não apenas fornecerá uma abordagem experimental em escala de laboratório para apoiar o design de novos dispositivos inalador, mas também criará oportunidade para dispositivos de inalação personalizados sob demanda na prática clínica. A resina dura usada neste protocolo custa ~$0,12/mL; portanto, hospitais com infraestrutura de impressão 3D existente poderiam imprimir um modelo pulmonar por apenas US $ 15 em materiais17 e montar uma via aérea personalizada em menos de um dia. Notavelmente, os tempos de impressão e os custos materiais na fabricação aditiva continuam a diminuir rapidamente, aumentando a viabilidade geral dessa abordagem. Nossa configuração experimental pode ser facilmente modificada para refletir uma série de condições de fluxo de ar através da utilização de um modelo pulmonar diferente ou configuração de distribuição de fluxo de ar, seguindo a validação experimental mostrada na Figura 4. As diferenças nos perfis de fluxo pulmonar e geometrias devido a características como idade, raça e sexo são bem documentadas na literatura e podem ser prontamente incorporadas em nossa abordagem de modelagem18,19,20. Especificamente, variações geométricas na laringe, faringe e traqueia dos modelos pulmonares podem ter um impacto significativo no fluxo de ar e nos subsequentes padrões regionais de deposição15,21,22, que este protocolo está bem equipado para detectar. Assim, espera-se que a incorporação dessa abordagem de modelagem personalizada tenha impacto significativo no desenvolvimento de terapêuticas personalizadas de inalação.
Aqui, as taxas de fluxo de lobos foram alteradas para refletir as de um estado de doença da DPOC caracterizado pela diminuição do fluxo de ar para os lobos inferiores(Figura 4B),mas as tomografias de DPOC derivadas do paciente também poderiam ser utilizadas para imitar com mais precisão a arquitetura pulmonar doente e possíveis obstruções23. Com uma biblioteca de modelos pulmonares do paciente e perfis de fluxo, os efeitos da progressão da doença na eficiência do parto podem ser investigados. Há uma ampla gama de varreduras de código aberto disponíveis de organizações, como os Institutos Nacionais de Saúde (NIH) e o Cancer Imaging Archive (TCIA)24. Embora esses modelos atualmente só possam replicar a geometria do paciente até a segunda ou terceira geração para medir adequadamente a distribuição do nível do lobo, o trabalho está em andamento para desenvolver modificações que podem incorporar as vias aéreas inferiores para análises mais detalhadas. Este protocolo também pode incorporar dispositivos de entrega de medicamentos clinicamente relevantes, como um tubo ET, como retratado na Figura 5B. Os pesquisadores podem avaliar vários dispositivos de entrega para revelar características que podem aumentar ou diminuir a eficiência do tratamento. Por exemplo, a eficácia do alvo é reduzida quando tentada no modelo pulmonar completo em oposição ao modelo pulmonar entubado(Figura 5). Essa diferença indica que contornar a região glotal evita áreas de mistura turbulenta que diminuem a capacidade de mira.
Este protocolo é limitado por sua incapacidade de imitar com precisão a interface ar-líquido biológico. Como resultado, os aerossóis que normalmente se depositam por impacto inercial podem, em vez disso, saltar das paredes rígidas do modelopulmonar 25. Para amenizar isso, as direções futuras incluem explorar modificações de superfície e revestimentos para imitar a camada mucosa do epitélio pulmonar. Revestimentos como óleo de silício e glicerina têm sido investigados para a prevenção do salto de partículas em um NGI e poderiam ser facilmente incorporados nos modelos de pulmão impressos em 3D26. Outras técnicas como bioimpressão e cultivo de células em modelos impressos em 3D estão sendo investigadas por sua capacidade de incorporar uma resposta celular no protocolo27. Além disso, este protocolo utiliza equipamentos otimizados para taxas de fluxo de 1-15 L/min; no futuro, taxas de fluxo mais elevadas de 30-60 L/min, a faixa normal de pico de vazão inspiratória, poderiam ser utilizadas trocando as válvulas de controle e medidores de fluxo para as apropriadas para a faixa de fluxo desejada28,29. Com o modelo controlador de fluxo utilizado, o sistema só é capaz de modelar inspiração em vez de um ciclo de respiração cíclica completo. A incorporação de padrões de respiração transitórios através do uso de um respirador ou de um sistema de fluxo mais complexo provavelmente melhoraria a precisão dos resultados experimentais em relação à eficiência de deposição de partículas30. Por fim, os experimentos de deposição só foram realizados com esferas de poliestireno fluorescente monodisperse variando em tamanho de 1-5 μm. A quantificação da deposição depende da fluorescência aerossol, de modo que o uso deste protocolo com aerossóis não fluorescentes pode exigir a incorporação de um rótulo fluorescente como isothiocyanato de fluoresceína (FITC) para análise31. No entanto, técnicas analíticas adicionais poderiam ser aplicadas para analisar o filtro dependendo da composição do aerossol, como cromatografia líquida de alto desempenho (HPLC) e ou espectrometria de massa.
Nosso protocolo demonstra a primeira configuração experimental in vitro com a capacidade de quantificar a deposição pulmonar lobular em uma geometria pulmonar específica do paciente. Espera-se que a obtenção da distribuição controlada do nível do lóbulo aumente a eficácia terapêutica terapêutica da inalação, que só será alcançada através de avanços em medições in vitro de dose integral. Com o crescente interesse pela medicina personalizada, este protocolo tem o potencial de estimular o desenvolvimento de novas terapias pulmonares direcionadas, permitindo previsões mais precisas da eficácia potencial do tratamento.
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Disclosures
Os autores não têm nada a revelar.
Acknowledgments
Os autores agradecem ao Professor Yu Feng, Dr. Jenna Briddell, Ian Woodward e Lucas Attia por suas discussões úteis.
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 |
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