Yöntem makalesi

Hastaya Özgü 3D Baskılı Akciğer Modelleri Kullanılarak Bölgesel Pulmoner Birikimin Değerlendirilmesi

DOI:

10.3791/61706

⸱

11 Kasım 2020

 ,  , 
1Department of Chemical and Biomolecular Engineering, University of Delaware

Bu makalede

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Ayarlanabilir hava akış profillerine sahip CT tarama türevli, 3D baskılı akciğer modellerini kullanarak lob seviyesinde bölgesel pulmoner birikimi ölçmek için yüksek verimli, in vitro bir yöntem sunuyoruz.

Özet

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Pulmoner hastalıklar için hedefe yönelik tedavilerin geliştirilmesi, bölgesel aerosol doğumunun öngörülebilmesi ile preklinik test yöntemlerinin mevcudiyeti ile sınırlıdır. Hastaya özgü akciğer modelleri oluşturmak için 3D baskıdan yararlanarak, lobuler pulmoner birikimi ölçmek için yüksek verimli, in vitro deneysel bir kurulumun tasarımını özetliyoruz. Bu sistem, piyasada bulunan ve 3D baskılı bileşenlerin bir kombinasyonu ile yapılır ve akciğerin her lobunun akış hızının bağımsız olarak kontrol edilmesine izin verir. Floresan aerosollerin her loba teslimi floresan mikroskopi kullanılarak ölçülür. Bu protokol, çok çeşitli hasta demografisini ve hastalık durumlarını modelleme yeteneği ile solunum yolu hastalıkları için kişiselleştirilmiş tıbbın büyümesini teşvik etme potansiyeline sahiptir. Hem 3D baskılı akciğer modelinin geometrisi hem de hava akış profili ayarı, değişen yaş, ırk ve cinsiyete sahip hastalar için klinik verileri yansıtacak şekilde kolayca modüle edilebilir. Burada gösterilen endotrakeal tüp gibi klinik olarak ilgili ilaç dağıtım cihazları, bir cihazın akciğerin hastalıklı bir bölgesine terapötik teslimatı hedefleme kapasitesini daha doğru tahmin etmek için test kurulumuna dahil edilebilir. Bu deneysel kurulumun çok yönlülüğü, çok sayıda inhalasyon koşullarını yansıtacak şekilde özelleştirilmesini sağlar ve klinik öncesi terapötik testlerin titizliğini artırır.

Giriş

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Akciğer kanseri ve kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) gibi birçok akciğer hastalığı hastalık özelliklerinde bölgesel farklılıklar göstermektedir; bununla birlikte, akciğerin sadece hastalıklı bölgelerine ilaç verilmesini hedeflemek için terapötik tekniklerin eksikliğivardır 1. Birden fazla hesaplamalı akışkan dinamiği (CFD) modeli, akciğer 2,3'teki belirli düzenleri tanımlayarak ilaç biriktirme profillerini modüleetmeninmümkün olduğunu göstermiştir. Hastalıklı akciğer bölgelerine aerosol dağılımını kontrol etmek için laboratuvarımızda bölgesel hedefleme yeteneklerine sahip hem inhalatörlerin hem de endotrakeal (ET) tüp adaptörlerinin geliştirilmesi devam etmektedir. Bu ilkelerin klinik kullanıma genişletilmesi mevcut preklinik test kapasitesi ile sınırlıdır. Bir ilacın akciğer içinde biriktirdİğİ kesin konum, etkinliğin en iyi tahmincisi olarak bilinir; bununla birlikte, solunabilir terapötiklerin mevcut farmasötik değerlendirmeleri en sık parçacık boyutunun in vitro-in vivo korelasyonları kullanılarak sadece yaklaşık biriktirme4kullanılarak tahmin edilmektedir. Bu teknik, farklı hava yolu geometrilerinin akciğerin çeşitli lobları aracılığıyla bölgesel dağılım üzerindeki etkilerini belirlemek için herhangi bir mekansal analize izin vermez. Ek olarak, bu test anatomik olarak doğru akciğer geometrilerinden yoksun, araştırmacıların gösterdiği biriktirme profilleri üzerinde önemli bir etkisi olabilir5. Hastaya özgü akciğer geometrilerinin üst hava yollarının eklenmesi yoluyla test protokollerine dahil etmek için bazı çabalar yapılmıştır; bununla birlikte, bu yaklaşımların çoğu her akciğer lob6,7,8yerine akciğerin çeşitli nesillerine aerosol iletimini örnekler. Aşağıdaki protokol, akciğer9'unbeş lobunun her birinde bağıl parçacık birikimini ölçme kapasitesine sahip hastaya özgü akciğer modelleri üretmek için yüksek verimli bir yöntem sunar.

Anatomik olarak doğru model akciğerler 3D baskı hasta bilgisayarlı tomografi (BT) taramaları ile üretilir. Kolayca monte edilmiş bir akış sistemi ile birlikte kullanıldığında, model akciğer loblarının her biri aracılığıyla göreli akış hızları bağımsız olarak kontrol edilebilir ve farklı hasta demografisi ve/ veya hastalık durumlarını taklit etmek için uyarlanabilir. Bu yöntemle araştırmacılar, potansiyel terapötik yöntemlerin etkinliğini ilgili bir akciğer geometrisinde test edebilir ve her yöntemin performansını hastalıklı morfolojinin ilerlemesiyle ilişkilendirebilir. Burada laboratuvarımızda geliştirilen iki cihaz tasarımı, ağızda veya trakeadaki aerosol salınımının yerini kontrol ederek istenilen akciğer lobunda birikimi artırma yetenekleri açısından test edilmektedir. Bu protokol ayrıca, o hastanın BT tarama verilerine özgü bir model akciğerde tedavi etkinliğinin hızlı tahminini kolaylaştırarak hastalar için kişiselleştirilmiş prosedürlerin gelişimini önemli ölçüde etkileme potansiyeline sahiptir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. 3D baskılı deneysel bileşenlerin hazırlanması

NOT: Protokolde kullanılan tüm yazılımlar Malzeme Tablosunda belirtilmiştir. Ayrıca, kullanılan dilimleme yazılımı Malzeme Tablosundalistelenen 3D yazıcıya özgüdür; ancak, bu protokol çok çeşitli stereolitografi (SLA) 3D yazıcılara genişletilebilir.

  1. Hasta CT taramalarını 3D nesnelere (.stl dosyaları) dönüştürün.
    NOT: Bu çalışmalarda kullanılan spesifik akciğer modelinin geometrik özelliklerinin daha ayrıntılı bir şekilde tartışılması için Feng veark.
    1. CT tarama yazılımını kullanarak CT taramalarını bir 3D nesneye dönüştür (bkz. Malzeme Tablosu). CT taramasını açın ve -800 ila -1000 aralığında bir ayara sahip Eşik aracını kullanarak hava sahasında bir maske oluşturun. 3D Önizleme aracını kullanarak, 3D işlemeyi görüntüleyin ve nesneyi dışa aktarın (Dosya | Verme) .stl dosyası olarak.
    2. Dosyaları kafes düzenleme yazılımına içe aktarma (bkz. Malzeme Tablosu), Seç aracını kullanarak pürüzlü özellikleri kaldırın (Heykel | Fırçalar: "Shrink/Smooth" | Özellikler: Mukavemet (50), Boyut (10), Derinlik(0)). Yüzeyi düzleştirin (Ctrl+A | Deformasyon | Pürüzsüz | Yumuşatma (0,2), Yumuşatma Ölçeği (1)).
    3. Mesh düzenleme yazılımında, bu nesnelerin duvarını 2 mm uzatın (Ctrl+A | | Düzenle Uzaklık) ve iç nesnenin sadece duvar kalacak şekilde içi boş kalmasına izin verin. Nesneyi dilimleme (| seçin | Düzenle Plane Cut) trakeada bir giriş oluşturmak için ve nesnenin çıkış oluşturmak için her loba dallandığı 2 veya3.
      NOT: 2 mm kalınlığı, Malzeme Tablosunda listelenen 3D yazıcının üreticisi tarafından belirtilen kabul edilebilir özellik boyutlarına göre seçilmiştir. Bu kalınlık, modelin iç geometrisi korunursa mevcut 3D yazıcının özelliklerine göre ayarlanabilir.
  2. Hasta akciğer modeli çıkış geometrilerini, Malzeme Tablosundalistelenen daha önce tasarlanmış lob çıkış kapağı bileşenleriyle(Şekil 1B,C)uyumlu olacak şekilde değiştirin.
    1. CT taramasını içeride çoğaltan, duvar kalınlığı 2 mm olan ve giriş ve çıkışlarda açık olan 3B nesneyi Katı Gövde olarak 3D modelleme yazılımına (bkz. Malzeme Tablosu)içe aktarın (Açık | Kafes Dosyaları | Seçenekler | Katı Gövde).
    2. Prizlerin her birinde yüze dayalı bir düzlem oluşturma (| Referans Geometri | Düzlem). Birleştirme aracını kullanarak, düzlemdeki bir çizimde çıkışın iç duvarını ve dış duvarını takip edin(Çizim | Spline).
    3. Modelin iç ve dış duvarına bağlanmak için bir silindire (OD 18,5 mm, ID 12,5 mm, H 15,15 mm) çatı katı, böylece çıkış her lobda düzgün olacak şekilde genişletilir (Özellikler | Loftlu Patron/Taban). Kapakla eşleştirmek için çıkışın kenarına bir çentik ekleyin (Özellikler | Ekstrüde Kesim | Uzaklık).
      NOT: Kapak (Şekil 1D) çıkışların boyutlarına uyan ve model çıkışının çentiğiyle birbirine bağlanan bir rafa sahip içi boş bir silindirdir. Kapağın bir ucu, kimliğin parçanın geri kalanından daha küçük olacak şekilde engellenir, bu dikenli boru bağlantısının etrafına sıkı bir uyum sağlar(Şekil 1E). Dikenli boru bağlantısı, dikenli koni şeklindedir, böylece dikenli kapak açıklığından geçer, ancak parçanın geri kalanı uymaz, bu da boru bağlantısının kapağa güvenli bir şekilde oturmasını sağlar. Böylece, kapak hem dikenli boru bağlantısının hem de akciğer modelinin etrafına sıkıca oturur (Şekil 1F,G).
    4. akciğer modelinin giriş kısmını istenen deneysel koşullara bağlı olarak değiştirin. Boğaz ve glottal bölgeler, kendi kendine nefes alabilen bir hastayı taklit etmek için dahil edilebilir (Şekil 1B). Trakeanın üzerindeki bölgeler, ventilatör desteğinde entübe bir hastayı taklit etmek için ekstrüde bir kesim kullanılarak çıkarılabilir (Özellikler | Ekstrüde Kesim) (Şekil 1C).
  3. 3D yazıcı üreticisi tarafından sağlanan dilimleme yazılımında deneysel bileşenleri yönlendirin ve destekleyin.
    1. 3D parça dosyalarını 3D yazıcı dilimleme yazılımına içe aktarın ve uygun reçineyi seçin. Akciğer modellerini ve dikenli boru bağlantılarını yazdırmak için sert bir reçine ve kapakları yazdırmak için yumuşak bir reçine kullanın.
      NOT: Kapakları yazdırmak için kullanılan reçine, lob çıkışının üzerine gerilmesine ve hava geçirmez bir conta oluşturmasına izin vermek için elastik özelliklere sahip olmalıdır.
    2. Parça yönünü, herhangi bir "ada" ve keşfedilmemiş hacim en aza indirilmiş olacak şekilde ayarlayın. Akciğer modelleri için en iyi yönelim, baskı platformundan uzağa bakan lob çıkışlarıdır. Hem dikenli boru bağlantılarının hem de kapakların baskı platformuna bakan daha geniş kısımlara sahip olduğundan emin olun.
      NOT: Tek tek dilimler, parçanın ana gövdesine bağlı olmadan bir dilimde ilk kez görünen bölümlerinin "adaların" görünümünü kontrol etmek için görüntülenebilir. Gözden geçirme işlevi, düzensiz hacimli dilimleri, yazdırma sırasında parçanın içine sıkıştırılmış reçinenin yer alabileceği alanları kontrol etmek için kullanılabilir. Hem "adalar" hem de keşfedilmemiş hacimler baskı kalitesini düşürür ve yazdırma hatasına neden olabilir.
    3. Her dilimi ayrı ayrı görüntüleyerek, parçada kalan "adalara" ve önemli çıkıntlara sahip alanlara destek ekleyin. Tüm alanların düzgün desteklendiğini doğrulamak için yazdırma dilimlerini dışa aktarın ve görüntüleyin.
  4. Deneysel bileşenleri yazdırın ve üretici talimatlarına göre tam işlem sonrası.
    NOT: Aşağıda açıklanan tüm işlem sonrası adımlar, Malzeme Tablosu 'nda listelenen 3D yazıcıya özgüdir. Alternatif yazıcılar veya malzemeler kullanırken, üretici yönergelerini yansıtacak şekilde bu adımları ayarlayın.
    1. Yumuşak reçine ile basılan parçalar için, üretici özelliklerine göre 8 saat boyunca bir konveksiyon fırınında fazla kesilmemiş reçine ve termal kür çıkarmak için % 99 saflıkta izopropil alkol (IPA) ≥ yıkayın.
      NOT: Yumuşak reçine ile basılan parçalar baskıdan hemen sonra çok hassas olabilir, bu nedenle temizleme adımları sırasında özel dikkat edilmelidir. Parça bozulmasını önlemek için IPA'ya maruz kalma, malzemenin çözücü maruz kalma sınırının altında tutulmalıdır.
    2. Sert reçineye basılan parçalar için, fazla işlenmemiş reçineyi çıkarmak için IPA ile yıkayın ve bir UV fırınında (5-10 mW/ cm2'de365 nm ışık) yan başına 1 dakika kürleyin.
      NOT: 3D baskılı kopyanın doğruluğunu değerlendirmek için, orijinal 3D işleme ile 3D baskılı kopya arasındaki varyasyonları karşılaştırmak için basılı parçanın μCT taramasının ve CT tarama yazılımının kullanılması önerilir.

2. Akış hızı kontrolü için boru sisteminin montajı

  1. 1/4" dikenli boru bağlantı parçalarını manifoldun yanına 6 bağlantı noktası (Şekil 2A-6) ve kalan bağlantı noktasına oturan 3/8" dikenli tüp ile vidala.
  2. 1/4" boruyu istediğiniz uzunluklarda kesin ve bağlantıya itme vanalarının her bir ucuna yerleştirin(Şekil 2A-5). Her vanayı manifolda takılan 1/4" bağlantı parçalarından birine takın.
  3. Her vananın diğer ucuna bir akış ölçer (Şekil 2A-4) bağlayın.
  4. Boru sistemini ahşap tahtanın üzerine, manifoldun tek 3/8" bağlantı parçasının tahtanın kenarından uzanacak şekilde yerleştirin. Yerinde sabitlemek için, ahşap tahtanın yanına iki vida ekleyin ve manifoldu tel kullanarak vidalara takın.
  5. Vanaların ve akış ölçerlerin her birinin etrafına yerleştirilmiş dört vida ekleyin ve her birini ahşap tahtaya sabitlemek için tel kullanın (Şekil 2E).
  6. Yaklaşık 6" 3/8" ID boru ile manifoldu sıralı 0,1 μm gözenek boyutu vakum sınıfı filtreye bağlayın. Filtrenin diğer ucunu başka bir 6" 3/8" kimlik tüpü kullanarak akış denetleyicisine bağlayın
    NOT: Boru sisteminin sadece bir kez monte edilmesi gerekir.

3. Hasta akciğer modeli ile lob çıkış kapaklarının montajı

NOT: Protokolün bu bölümü her deneysel çalıştırmadan önce tamamlanmalıdır.

  1. Kapak tabanındaki açıklıktan çıkıntılı nozül ile kapağa dikenli boru bağlantısı yerleştirin. İlk olarak, oval dikenli boru bağlantı tabanının bir ucunu kapağa yerleştirin. Daha sonra, esnek kapağı oval tabanın diğer ucuna dikkatlice uzatın ve ince tabanı kırmamaya özel dikkat edin.
    NOT: Yeni basılan kapaklar istenilenden daha sert olabilir ve kapak iç kısmı boyunca iki parmak çalıştırılarak uzatılabilir.
  2. 10 μm filtre kağıdını çıkış alanından biraz daha büyük olacak şekilde kesin. Filtre kağıdını lob çıkışının üzerine katlayın ve bir elinizle yerinde tutun.
  3. Öte yandan, dikenli boru bağlantısına sahip kapağı çıkış üzerine germek için cımbız kullanın. Kapağın çentiği lob çıkışındaki ilgili çentikle eşleşene kadar kapağı aşağı bastırın (Şekil 2C).
    NOT: Bu adımda filtre kağıdının yırtılması sonuçları geçersiz kılabilir, bu nedenle kapağı prize bastırırken aşırı güçten kaçınmak için özel dikkat gösterilmelidir.
  4. Kalan tüm lob çıkışları için tekrarlayın (Şekil 2D).

4. Klinik olarak ilgili hava akış profilinin üretimi

NOT: Protokolün bu bölümü her deneysel çalıştırmadan önce tamamlanmalıdır.

  1. Dikenli boru bağlantısına çok fazla yanal basınç uygulamamaya dikkat ederek, her akciğer modeli lob çıkışını ilgili akış ölçerin ve vananın tüpüne bağlayın. Akciğer modeline toplam hava debisini ölçmek için elektronik akış ölçeri akciğer modeli ağız girişine takın.
  2. Akış kontrol cihazını (Şekil 2A-7) ve vakum pompasını(Şekil 2A-8)açın. Akış denetleyicisinde "test kurulumu" ayarını seçin ve elektronik akış ölçer istenen toplam akış hızını görüntüleyene kadar akış hızını yavaşça artırın.
  3. Valfleri kullanarak (Şekil 2E-5), beş akciğer lobunun her biri boyunca akış hızını ayarlayın: Sağ Üst (RU), Sağ Orta (RM), Sağ Alt (RL), Sol Üst (LU) ve Sol Alt (LL). Akış ölçerlerde gösterilen lob akış hızları(Şekil 2E-4)istenilen değerde sabit kaldıktan sonra, sistemde herhangi bir sızıntı olmadığını doğrulamak için elektronik akış ölçerdeki genel akış hızını tekrar kontrol edin.
    1. Toplam akış hızında bir tutarsızlık varsa, akış denetleyicisiyle akış hızını düşürin, tüm vanaları tamamen açık konfigürasyona ayarlayın ve 4.2 ve 4.3 adımlarını yineleyin.
      NOT: Burada sunulan sonuçlar, Sul ve arkadaşları tarafından bildirilen verilere dayanarak hava akış profilleri kullanılarak elde edilmiştir.10 Bu lobar akış fraksiyonları, her akciğer lobunun hacmindeki göreceli değişiklikler karşılaştırılarak, hasta akciğerlerinin tam ilham ve son kullanma tarihindeki ince dilim bilgisayarlı tomografi görüntüleri kullanılarak hesaplanmıştır. Sonuçlar, her ikisi de 1 L/dk'luk genel giriş akış hızında iki ayrı akış koşulu için sunulur. Sağlıklı akciğer lob çıkış akış profili her çıkışa giriş akışının aşağıdaki yüzdesiyle dağıtılır: LL-23.7%, LU-23.7%, RL-18.7%, RM-14.0%, RU-20.3%. KOAH lob çıkış akış profili her çıkış arasında giriş akışının aşağıdaki yüzdesiyle dağıtılır: LL-10.0%, LU-29.0%, RL-13.0%, RM-5.0%, RU-43.0%9,10.
  4. Akış kontrol cihazının "test kurulumu" işlevinden çıkın, ancak vakum pompasını açık bırakın.
    NOT: Vakum pompasını akış hızlarını ayarlamak ve biriktirme deneyini gerçekleştirmek arasında kapatmak, oluşturulan akış profilinde yanlışlıklara yol açabilir. Aerosol biriktirme testini tamamlamak için istenen akış hızları ayarlandıktan sonra vakum pompasının açık bırakılması önerilir.

5. Aerosollerin akciğer modeline teslimi

NOT: Deneyler, nebülizör tarafından oluşturulan aerosollere maruz kalmayı en aza indirmek için kanat kapalı bir duman kaputunda yapılmalıdır.

  1. Nebülizörü istenen floresan parçacıkların çözeltisi ile doldurun (Şekil 2A-1) ve akciğer modeli girişine bağlanın (Şekil 2B).
    NOT: Burada sunulan sonuçlar, metanoldeki 1 μm floresan polistiren parçacıklarının 1:100 seyreltilmesinin 30 mL'si kullanılarak elde edilmiştir.
    1. Deneysel kurulumu doğrulamak için, nebülizörü herhangi bir hedefleme cihazı olmadan doğrudan akciğer modeli girişine bağlayın.
    2. Bir hedefleme cihazının etkinliğini ölçmek için, nebülizörü cihaza bağlayın ve cihazı akciğer modeline yerleştirin.
  2. Basınçlı hava hattını nebülizöre bağlayın ve duman davlumbaz kuşağını mümkün olduğunca kapatın.
  3. Akış denetleyicisini bir 10 s deneme için çalışacak şekilde ayarlayın. Çalıştırmaya basmadan önce, basınçlı hava vanasını hafifçe açarak nebülizör içinde bir aerosol üretmeye başlayın.
  4. Akış kontrol cihazına basın ve basınçlı hava vanasını hemen tamamen açın. Akış kontrolörü yaklaşık 9 s'ye ulaştığında, basınçlı hava vanasını kapatmaya başlayın.
  5. Basınçlı hava valfi tamamen kapatıldıktan sonra, nebülizörü basınçlı hava hattından çıkarın, duman davlumbazını tamamen kapatın, vakum pompasını kapatın ve duman kaputundan yaklaşık 10 dakika boyunca aerosollerin temizlenmesini sağlar.
    NOT: Boru sistemi içinde bir vakumun birikmesini önlemek için bir çalıştırmayı tamamladıktan sonra vakum pompasının kapatılması önemlidir.
  6. Yeterli süre bekledikten sonra, dikenli boru bağlantılarını kırmamaya özel dikkat ederek akciğer modelini boru sisteminden çıkarın.
  7. Kapağın kenarının altında bir çift cımbız çalıştırarak ve akciğer modelinden hafifçe kaldırarak lob çıkış kapaklarını çıkarın.
  8. Filtre kağıdını kapaktan çıkarın ve altta biriken parçacıkların plakanın kuyusuna bakacak şekilde 24 kuyu plakasına yerleştirin. Kalan çıkışlar için tekrarlayın ve her loba karşılık gelen kuyuyu etiketleyin.
    NOT: Herhangi bir kalıntı parçacık birikiminin sonraki deneyleri etkilemesini önlemek için, hem akciğer modelini hem de kapak bileşenlerini IPA veya uygun çözücü ile çalıştırmalar arasında durulamak önemlidir. Bu, istenildiği gibi toplanabilir ve analize dahil edilebilir. Ayrıca, kullanılan tüm çoğaltmaların parça bütünlüğünü korumak için IPA'ya minimum düzeyde maruz kaldığına emin olmak için bir günlük tutulur ve kullanımdan önce görsel parça incelemesi önerilir.

6. Çıkış filtresi kağıt görüntüleme

  1. Kuyu plakasını dijital floresan mikroskobuna yerleştirin ve mikroskobu 4 kat büyütmeye ve uygun floresan kanalına ayarlayın.
  2. Hangi lobun filtre kağıdının en yüksek miktarda parçacık birikimine sahip olduğunu görsel olarak belirleyin ve "Otomatik Açığa Çıkar" işlevini kullanın. Ortaya çıkan pozlama ve tümleştirme süresi değerlerini not alın.
  3. Bu pozlamayı çalıştırma için tüm filtrelere uygulayın ve ayarın filtrelerin tüm yüksek biriktirme alanları için tatmin edici bir görüntü üretip üretmediğini değerlendirin.
    NOT: Odak ayarları filtreden filtreye değiştirilebilir; ancak, belirli bir çalıştırma için tüm filtreler aynı pozlama ayarlarında analiz edilmelidir. Aynı anda yalnızca bir odak çerçevesine sahip olmak mümkündür, bu nedenle filtre kağıdındaki bükülmeler veya yırtılmalar görünümdeki biriken tüm parçacıkların odakta olmasını engelleyebilir. Filtre kağıdının kuyu plakasının altına karşı düz olmasını sağlayarak bu önlenebilir.
  4. Her lobun filtre kağıdının rastgele konumlarında en az üç görüntü alın ve .tiff dosyaları olarak kaydedin.

7. Parçacık birikiminin nicelleştirilmesi

  1. Belirli bir çalıştırma için tüm filtre kağıdı resimlerini bir ImageJ oturumuna içe aktarın.
  2. Görüntü | seçerek her görüntünün türünü 8 bit olarak değiştirme | yazın 8-bit.
  3. Resmi en yüksek floresanla açın ve Görüntü | | ayarlama Eşik penceresi açmak için eşik. Filtre kağıdından gelen arka plan sinyalini en aza indirmek ve parçacıkların kenarlarını açıkça tanımlamak için eşik değerlerini ayarlayın. Bkz. Şekil 3, kaliteli ve düşük kaliteli eşik tasvirleri için.
    NOT: Yüksek düzeyde biriktirmeye sahip filtreler için, ışığın filtre kağıdı lifleri tarafından kırınımının neden olduğu bir floresan "koronası" büyük parçacık gruplandırmaları etrafında gözlemlenebilir. Bu görüntüleri eşiklerken, çok büyük bir aralık, Şekil 3'teki"zayıf" eşik görüntülerinde gözlemlendiği gibi, bu gruplandırmaların etrafında küçük noktalar veya "tüy benzeri" şekiller görüntüler. Bu, filtre kağıdı liflerinden gelen sinyal parçacıkların kendisinden gelen sinyali gizlemeden en aza indirilene kadar eşiğin alt sınırını kademeli olarak artırarak geliştirilebilir.
  4. En yüksek floresan görüntünün eşik ayarlarını diğer tüm görüntülere yay.
  5. Analiz |'ni seçerek parçacıkların sayısını ve toplam floresan alanını ölçün Parçacıkları Analiz Edin.
    NOT: Veri kümeleri Sidak'ın Çoklu Karşılaştırma Testi ve iki yönlü ANOVA kullanılarak karşılaştırılır. Ayrıca, sadece ilgi lobunda biriktirme, eşit varyans varsayarak bir Öğrenci T testi kullanılarak karşılaştırılır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Bu boyut aralığındaki (1-5 μm) ve akış koşullarındaki (1-10 L/dk) parçacıklar, hem teorik Stokes sayılarına hem de in vivo verilerine göre akışkan akışı çizgilerini takip eder; bu nedenle, hedeflenen bir teslimat cihazının yokluğunda, akciğer modeline salınan parçacıkların, her loba yönlendirilen toplam hava akışının yüzdesine göre birikmesi beklenir. Daha sonra her loba göreli miktarda partikül iletimi, hastaya özgü yüksek çözünürlüklü bilgisayarlı tomografi (HRCT) taramaları10analiz edilerek eld...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tam bir inhalasyon dozunun pulmoner farmasötik testi için mevcut son teknoloji cihaz, bir aerosolün aerodinamik çapını ölçen Next Generator Impactor'dur(NGI). Bu boyutlandırma verileri daha sonra sağlıklı bir yetişkin erkek için geliştirilen bir korelasyona dayanarak aerosolin çökeceği akciğer neslini tahmin etmek için kullanılır11. Ne yazık ki, bu yöntem bölgesel akciğer birikimindeki farklılıkları değerlendirme, hastalık koşullarının farmasötik doğum üzerindeki etkilerini...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Teşekkürler

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Yazarlar profesör Yu Feng, Dr. Jenna Briddell, Ian Woodward ve Lucas Attia'ya yardımcı tartışmaları için teşekkür ediyor.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
1/4 "Plastik Dikenli Boru BağlantısıMcMaster Carr5372K111
10 um FiltreKağıdı Fisher1093-110
1um Floresan Polistiren ParçacıklarPolysciences15702-10
1um Floresan Olmayan Polistiren ParçacıklarPolysciences8226
2-PropanolFisherA516-4Atıfta bulunulan protokolde "IPA" olarak
/8" Plastik Dikenli Boru BağlantısıMcMaster Carr5372K117
Hava Akış Ölçer (1 - 280 mL/dak)McMaster Carr41695K32Protokolde "akış ölçer" olarak anılacaktırKarbon
M1 3D YazıcıKarbon 3Dhttps://www.carbon3d.com/, Protokolde "dilimleme yazılımı" olarak adlandırılan ilişkili yazılımCollison
Jet NebulizatörCH TechnologiesARGCNB0008 (CN-25)6 Cam kavanoz ile Jet MRE tarzı yatay çarpışma, Protokolde "nebulizatör" olarak anılır, http://chtechusa.com/Manuals/MRE_Collison_Manual.pdf
Konveksiyonlu FırınYamatoDKN602
Copley Kritik Akış Kontrol Cihazı TPK2000 Reve 120VMSP Corp0001-01-9810Protokolde "akış kontrolörü"
olarak anılırCopley Yüksek Kapasiteli Pompa Modeli HCP5MSP Corp0001-01-9982Protokolde "vakum pompası" olarak anılır
CytationBioTekCYT5MPV4x/20x/40x objektifler ve DAPI/GFP/TexasRed lazer/filtre küpleri ile donatılmış Çok Fonksiyonlu Spektrofotometre/Floresan görüntüleyici
EPU40 ReçineKarbon 3Dhttps://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/, Protokolde "yumuşak reçine" olarak anılırvakum
pompası için filtreWhatman6722-5000
Akış Ölçer Model DFM 2000MSP Corp0001-01-8764Protokolde "elektronik akış ölçer" olarak anılırImageJ
YazılımıImageJhttps://imagej.nih.gov/ij/download.html
Hat İçi Hava Akış Kontrol Vanası (Bas-Bağlan)McMaster Carr62005K333Protokolde "valf" olarak anılırHat
Filtre CihazlarıWhatmanWHA67225000
Denizcilik Sınıfı Kontrplak LevhaMcMaster Carr62005K333Protokolde "ahşap tahta" olarak anılırMateryalize
Taklit YazılımSomutlaştırhttps://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite, Protokolde "CT tarama yazılımı" olarak anılırMeshmixer
YazılımıAutodeskhttp://www.meshmixer.com/, Protokolde "ağ düzenleme yazılımı" olarak anılırMethanol
FisherA454-4
Opticure LED CubeAPM Technica102843Protokolde "UV fırını" olarak anılır
PR25 ReçineKarbon 3Dhttps://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate, / Protokolde "sert reçine" olarak anılır
Kimyasallar için PVC BoruMcMaster Carr5231K1611/4 "ID
Vidalar
SolidWorks YazılımıDassault Syst & egrave; mes  SolidWorks Corporationhttps://www.solidworks.com/, Protokolde "3D modelleme yazılımı" olarak anılacaktır
Düz Akışlı Dikdörtgen ManifoldMcMaster Carr1125T31
Boru - Akış Kontrol CihazıMcMaster Carr5233K653/8" ID
Kablosu
3 İçi

Kaynaklar

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. 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).
  3. 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).
  4. 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).
  5. 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).
  6. 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).
  7. 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).
  8. 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).
  9. 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).
  10. 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).
  11. Martonen, T. B., Katz, I. Deposition Patterns of Polydisperse Aerosols Within Human Lungs. Journal of Aerosol Medicine. 6 (4), 251-274 (1993).
  12. 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).
  13. 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).
  14. 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).
  15. 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).
  16. Kleinstreuer, C., Seelecke, S. Inhaler system for targeted maximum drug-aerosol delivery. United States patent. , (2005).
  17. Pietila, T. How Medical 3D Printing is Gaining Ground in Top Hospitals. , Available from: https://www.materialise.com/en/blog/3d-printing-hospitals (2019).
  18. Weber, P. W., Price, O. T., McClellan, G. E. Demographic Variability of Inhalation Mechanics: A Review. Defense Threat Reduction Agency. , (2016).
  19. 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).
  20. 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).
  21. 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).
  22. 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).
  23. 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).
  24. The Cancer Imaging Archive. , Available from: https://www.cancerimagingarchive.net/ (2020).
  25. 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).
  26. 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).
  27. Galliger, Z., Vogt, C. D., Panoskaltsis-Mortari, A. 3D bioprinting for lungs and hollow organs. Translational Research. 211, 19-34 (2019).
  28. 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).
  29. 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).
  30. 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).
  31. Ju, Y., et al. Engineering of Nebulized Metal-Phenolic Capsules for Controlled Pulmonary Deposition. Advanced Science. 7 (6), 1902650(2020).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

3B Yazd r lm Akci er ModelleriHastaya zg Akci er ModelleriFloresan Aerosol UygulamasAk H z KontrolFloresan MikroskopiEndotrakeal T p TestiLob k Kapa D zeneklemesiNebulizat r Aerosol retimiFiltre Ka d Birikimi

İlgili makaleler