Apresentamos um método in vitro de alta produtividade para quantificar a deposição pulmonar regional no nível do lóbulo usando modelos pulmonares impressos em 3D derivados da tomografia computadorizada com perfis de fluxo de ar tunable.
O desenvolvimento de terapias-alvo para doenças pulmonares é limitado pela disponibilidade de métodos de teste pré-clínicos com a capacidade de prever a entrega de aerossol regional. Aproveitando a impressão 3D para gerar modelos pulmonares específicos do paciente, descrevemos o design de uma configuração experimental in vitro de alta produtividade para quantificar a deposição pulmonar lobular. Este sistema é feito com uma combinação de componentes comercialmente disponíveis e impressos em 3D e permite que a taxa de fluxo através de cada lobo do pulmão seja controlada independentemente. A entrega de aerossóis fluorescentes em cada lobo é medida por meio de microscopia de fluorescência. Este protocolo tem o potencial de promover o crescimento da medicina personalizada para doenças respiratórias através de sua capacidade de modelar uma ampla gama de estados demográficos e doenças dos pacientes. Tanto a geometria do modelo pulmonar impresso em 3D quanto a configuração do perfil de fluxo de ar podem ser facilmente moduladas para refletir dados clínicos para pacientes com idade, raça e gênero variados. Dispositivos de entrega de medicamentos clinicamente relevantes, como o tubo endotraqueal mostrado aqui, podem ser incorporados à configuração de testes para prever com mais precisão a capacidade de um dispositivo de direcionar o parto terapêutico para uma região doente do pulmão. A versatilidade desta configuração experimental permite que ela seja personalizada para refletir uma infinidade de condições de inalação, aumentando o rigor dos testes terapêuticos pré-clínicos.
Muitas doenças pulmonares, como câncer de pulmão e doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) apresentam diferenças regionais nas características da doença; no entanto, faltam técnicas terapêuticas disponíveis para direcionar o fornecimento de medicamentos apenas para regiões doentes do pulmão1. Múltiplos modelos de dinâmica de fluidos computacionais (CFD) demonstraram que é possível modular perfis de deposição de medicamentos identificando aerodinâmicas específicas no pulmão2,3. O desenvolvimento de inaladores e adaptadores de tubos endotraqueais (ET) com capacidades regionais de segmentação estão em andamento em nosso laboratório para controlar a distribuição de aerossol para regiões pulmonares doentes. A extensão desses princípios ao uso clínico é limitada pela capacidade atual de teste pré-clínico. A localização precisa que uma droga deposita dentro do pulmão é conhecida por ser o melhor preditor de eficácia; no entanto, as avaliações farmacêuticas atuais de terapêutica inalável são mais frequentemente previstas usando correlações in vitro-in vivo do tamanho das partículas para deposição meramente aproximada4. Esta técnica não permite que qualquer análise espacial determine os efeitos de diferentes geometrias das vias aéreas na distribuição regional através dos vários lóbulos do pulmão. Além disso, este teste carece de geometrias pulmonares anatomicamente precisas, que os pesquisadores mostraram que podem ter um impacto significativo nos perfis de depoimento5. Alguns esforços foram feitos para incorporar geometrias pulmonares específicas do paciente em protocolos de teste através da adição das vias aéreas superiores; no entanto, a maioria dessas abordagens amostra a entrega de aerossol para várias gerações do pulmão em vez de cada lobo pulmonar6,7,8. O protocolo a seguir apresenta um método de alta produtividade de geração de modelos pulmonares específicos do paciente com a capacidade de quantificar a deposição relativa de partículas em cada um dos cinco lóbulos do pulmão9.
Os pulmões modelo anatomicamente precisos são gerados por tomografia computadorizada (TC) computada pelo paciente de impressão 3D. Quando usado em conjunto com um sistema de fluxo facilmente montado, as taxas de fluxo relativo através de cada um dos lóbulos do pulmão modelo podem ser controladas independentemente e adaptadas para imitar as de diferentes estados demográficos e/ou doenças do paciente. Com este método, os pesquisadores podem testar a eficácia de métodos terapêuticos potenciais em uma geometria pulmonar relevante e correlacionar o desempenho de cada método com a progressão da morfologia doente. Aqui, dois projetos de dispositivos desenvolvidos em nosso laboratório são testados para sua capacidade de aumentar a deposição em um lobo pulmonar desejado, controlando a localização da liberação de aerossol na boca ou traqueia. Este protocolo também tem o potencial de impactar significativamente o desenvolvimento de procedimentos personalizados para os pacientes, facilitando a rápida previsão da eficácia do tratamento em um modelo pulmonar específico aos dados de tomografia computadorizada daquele paciente.
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 n…
The authors have nothing to disclose.
Os autores agradecem ao Professor Yu Feng, Dr. Jenna Briddell, Ian Woodward e Lucas Attia por suas discussões úteis.
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 |