Bewertung der regionalen Lungenabscheidung mit patientenspezifischen 3D-gedruckten Lungenmodellen
Summary
Wir präsentieren ein hochdurchlässiges In-vitro-Verfahren zur Quantifizierung der regionalen Lungenabscheidung auf Lappenebene mit CT-Scan-abgeleiteten, 3D-gedruckten Lungenmodellen mit abstimmbaren Luftstromprofilen.
Abstract
Die Entwicklung gezielter Therapien für Lungenerkrankungen wird durch die Verfügbarkeit präklinischer Testmethoden mit der Fähigkeit, die regionale Aerosolabgabe vorherzusagen, eingeschränkt. Mithilfe des 3D-Drucks zur Generierung patientenspezifischer Lungenmodelle skizzieren wir das Design eines hochdurchsatzigen In-vitro-Experimentalaufbaus zur Quantifizierung der lobularen Lungenablagerung. Dieses System besteht aus einer Kombination aus handelsüblichen und 3D-gedruckten Komponenten und ermöglicht die unabhängige Steuerung des Durchflusses durch jeden Lungenlappen. Die Lieferung von fluoreszierenden Aerosolen an jeden Lappen wird mittels Fluoreszenzmikroskopie gemessen. Dieses Protokoll hat das Potenzial, das Wachstum der personalisierten Medizin für Atemwegserkrankungen durch seine Fähigkeit zu fördern, eine breite Palette von Patienten demografien und Krankheitszuständen zu modellieren. Sowohl die Geometrie des 3D-gedruckten Lungenmodells als auch die Einstellung des Luftstromprofils können einfach moduliert werden, um klinische Daten für Patienten mit unterschiedlichem Alter, Rasse und Geschlecht widerzuspiegeln. Klinisch relevante Arzneimittelabgabegeräte, wie z. B. die hier gezeigte Endotrachealröhre, können in den Testaufbau integriert werden, um die Fähigkeit eines Geräts, die therapeutische Abgabe auf eine erkrankte Region der Lunge zu zielen, genauer vorherzusagen. Die Vielseitigkeit dieses experimentellen Setups ermöglicht es, angepasst zu werden, um eine Vielzahl von Inhalationsbedingungen widerzuspiegeln, was die Strenge der präklinischen therapeutischen Tests verbessert.
Introduction
Viele Lungenerkrankungen wie Lungenkrebs und chronisch obstruktive Lungenerkrankungen (COPD) weisen regionale Unterschiede in den Krankheitsmerkmalen auf; Es fehlt jedoch an therapeutischen Techniken, um die Medikamentenabgabe nur in erkrankte Regionen der Lunge1zu zielen. Mehrere Computerfluid-Dynamikmodelle (CFD) haben gezeigt, dass es möglich ist, Arzneimittelabscheidungsprofile zu modulieren, indem spezifische Stromlinien in der Lunge identifiziert werden2,3. Die Entwicklung von Inhalatoren und Endotracheal (ET) Rohradaptern mit regionalen Targeting-Fähigkeiten ist in unserem Labor im Gange, um die Aerosolverteilung in erkrankte Lungenregionen zu kontrollieren. Die Ausweitung dieser Prinzipien auf die klinische Anwendung wird durch die derzeitige präklinische Testkapazität begrenzt. Der genaue Ort, an dem sich ein Medikament in der Lunge ablagert, ist bekanntlich der beste Prädiktor für die Wirksamkeit; jedoch werden aktuelle pharmazeutische Bewertungen von inhalierbaren Therapeutika am häufigsten mit In-vitro-in-vivo-Korrelationen der Partikelgröße vorhergesagt, um nur ungefähre Ablagerung4. Diese Technik erlaubt keine räumliche Analyse, um die Auswirkungen verschiedener Atemwegsgeometrien auf die regionale Verteilung durch die verschiedenen Lungenlappen zu bestimmen. Darüber hinaus fehlt es bei diesem Test an anatomisch genauen Lungengeometrien, die Forscher n. Chr. signifikant auf ablagerungsprofile5auswirken können. Es wurden einige Anstrengungen unternommen, um patientenspezifische Lungengeometrien durch Zugabe der oberen Atemwege in Testprotokolle zu integrieren; jedoch, die meisten dieser Ansätze Probe Aerosol-Lieferung an verschiedene Generationen der Lunge anstatt jeder Lungenlappen6,7,8. Das folgende Protokoll stellt eine Methode mit hohem Durchsatz zur Generierung patientenspezifischer Lungenmodelle dar, mit der fähigkeit, die relative Partikelabscheidung in jedem der fünf Lappen der Lunge9zu quantifizieren.
Anatomisch genaue Modelllungen werden durch 3D-Druck-Patienten-Computertomographie (CT)-Scans erzeugt. In Verbindung mit einem leicht zu montierenden Strömungssystem können die relativen Durchflussraten durch die Lappen der Modelllunge unabhängig gesteuert und an die verschiedenen Demografischen und/oder Krankheitszustände des Patienten angepasst werden. Mit dieser Methode können Forscher die Wirksamkeit potenzieller therapeutischer Methoden in einer relevanten Lungengeometrie testen und die Leistung jeder Methode mit dem Fortschreiten der erkrankten Morphologie korrelieren. Hier werden zwei in unserem Labor entwickelte Gerätedesigns auf ihre Fähigkeit getestet, die Ablagerung in einem gewünschten Lungenlappen zu erhöhen, indem sie die Position der Aerosolfreisetzung im Mund oder in der Luftröhre steuern. Dieses Protokoll hat auch das Potenzial, die Entwicklung personalisierter Verfahren für Patienten erheblich zu beeinflussen, indem es die schnelle Vorhersage der Wirksamkeit der Behandlung in einer Modelllunge erleichtert, die für die CT-Scandaten dieses Patienten spezifisch ist.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das aktuelle hochmoderne Gerät zur pulmonalen pharmazeutischen Prüfung einer vollständigen Inhalationsdosis ist der Next Generator Impactor (NGI), der den aerodynamischen Durchmesser eines Aerosols4misst. Diese Größendaten werden dann verwendet, um die Lungengeneration vorherzusagen, bei der sich das Aerosol auf der Grundlage einer Korrelation ablagern wird, die für ein gesundes erwachsenes Männchen entwickelt wurde11. Leider ist diese Methode in ihrer Fähigkeit ein…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Professor Yu Feng, Dr. Jenna Briddell, Ian Woodward und Lucas Attia für ihre hilfreichen Diskussionen.
Materials
| 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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