Hastaya Özgü 3D Baskılı Akciğer Modelleri Kullanılarak Bölgesel Pulmoner Birikimin Değerlendirilmesi
November 11th, 2020
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.
Bu protokol, bölgesel birikimin klinik öncesi tahminlerini mümkün kılarak yeni hedefe yönelik pulmoner terapötiklerin geliştirilmesini sağlama potansiyeline sahiptir. Bu teknik, potansiyel tedavilerin etkinliği ile ilgili kişiselleştirilmiş öngörücü sonuçların hızlı bir şekilde üretilmesi için hastanın BT taramalarından 3D olarak basılan anatomik olarak doğru akciğer modellerini içerir. Bu teknik, akciğer kanseri veya KOAH gibi bölgesel alan tıkanıklıkları ile karakterize hastalıklar için hedef dışı etkileri en aza indiren hedefe yönelik tedaviler geliştirmek için kullanılabilir.
Deneysel bileşenleri yazdırdıktan ve üreticinin talimatlarına göre son işlemi tamamladıktan sonra, yumuşak reçineye basılmış parçaları en az %99 saflıkta izopropil alkol ile dikkatlice yıkayın ve fazla kürlenmemiş reçineyi çıkarın, ardından parçaları bir konveksiyonlu fırında sekiz saat boyunca termal kürlemeden önce üreticinin spesifikasyonlarına göre. Ardından, fazla kürlenmemiş reçineyi çıkarmak için sert reçineye basılmış parçaları alkolle yıkayın ve parçaları bir UV fırınında her iki tarafta bir dakika kürleyin. Lob çıkış kapağı montajı için, esnek kapağı oval tabanın diğer ucuna dikkatlice germeden önce oval dikenli boru bağlantı tabanının bir ucunu kapağa yerleştirin, ince tabanı çatlatmamaya özellikle dikkat edin ve nozul kapak tabanındaki açıklıktan dışarı çıkacak şekilde.
Ardından, 10 mikrolitrelik filtre kağıdını çıkış alanından biraz daha büyük bir boyutta kesin ve filtre kağıdını bir elinizle yerinde tutarak lob çıkışının üzerine katlayın. Ardından, dikenli boru bağlantısı olan kapağı prizin üzerine germek için diğer elinizle cımbız kullanın ve çentik, lob çıkışındaki ilgili çentikle eşleşene kadar kapağı aşağı doğru bastırın. Her deney çalışmasından önce, dikenli boru bağlantısına çok fazla yanal basınç uygulamamaya dikkat ederek her bir akciğer model lob çıkışını ilgili akış ölçerin ve valfin borusuna bağlayın.
Akciğer modeline giden toplam hava akış hızını ölçmek için elektronik akış ölçeri akciğer modeli ağız girişine takın ve akış kontrol cihazını ve vakum pompasını açın. Akış kontrol cihazında, test kurulum ayarını seçin ve elektronik akış ölçer istenen toplam akış hızını gösterene kadar akış hızını yavaşça artırın. Sağ üst, sağ orta, sağ alt, sol üst ve sol alt akciğer loblarından akış hızını ayarlamak için valfleri kullanın.
Akış ölçerlerde gösterilen yük akış hızları istenen değerde sabit kaldığında, sistemde sızıntı olmadığını doğrulamak için elektronik akış ölçerde genel akış hızını tekrar kontrol edin. Ardından, vakum pompasını açık bırakarak akış kontrol cihazındaki test kurulumundan çıkın. Akciğer modeline aerosol iletimi için, bir nebulizatörü istenen floresan parçacıklarından oluşan bir çözelti ile doldurun ve nebulizatörü akciğer modeli girişine bağlayın.
Hedefleme cihazının etkinliğini ölçmek için, cihazı akciğer modeline yerleştirin ve nebulizatörü cihaza bağlayın. Sıkıştırılmış hava yolunu nebulizatöre bağlayın. Akış kontrol cihazını on saniyelik bir deneme için çalışacak şekilde ayarlayın ve nebulizatör içinde bir aerosol oluşturmaya başlamak için basınçlı hava valfini hafifçe açın.
Akış kontrol cihazında başlat düğmesine basın ve hemen basınçlı hava valfini tamamen açın. Akış kontrolörü yaklaşık dokuz saniyeye ulaştığında, basınçlı hava valfini kapatmaya başlayın ve çeker ocak kanadını mümkün olduğunca kapatın. Valf tamamen kapandıktan sonra, nebulizatörü basınçlı hava yolundan ayırın.
Çeker ocak kanadını tamamen kapatın, vakum pompasını kapatın ve çeker ocaktaki aerosollerin temizlenmesini sağlayın. Yaklaşık 10 dakika sonra, dikenli boru bağlantılarını kırmamaya dikkat ederek akciğer modelini boru sisteminden ayırın ve kapakları çıkışlardan çıkarmak için her lob çıkış kapağının kenarının altına bir cımbız çalıştırın. Daha sonra filtre kağıdını her bir kapaktan 24 oyuklu bir plaka partikül biriktirme tarafı aşağı bakacak şekilde ayrı kuyucuklara aktarın.
Filtre kağıdının tamamı toplandığında, plakayı bir dijital floresan mikroskobu tablasına yerleştirin ve mikroskobu 4X büyütmeye ve uygun floresan kanalına ayarlayın. Ardından, her lobdan rastgele konumlarda filtre kağıdının en az üç görüntüsünü alın ve görüntüleri TIF dosyaları olarak kaydedin. Sağlıklı bir akciğerde dakikada bir litre toplama koşulları altında, KOAH'tan etkilenerek sona erdiğinde, deneysel olarak belirlenen birikim profili, kurulumun akciğer loblarının her birine hava akışının dağılımını doğru bir şekilde taklit ettiğini gösteren klinik verilerden istatistiksel olarak farklı değildir.
Hedeflenmemiş partikül biriktirme profili ile karşılaştırıldığında, modifiye edilmiş bir endotrakeal tüpün kullanılması, sol alt lob iletiminde yaklaşık dört kat artışa neden olur. Verilen partiküllerin %96'sından fazlasını sol akciğere yönlendirmenin yanı sıra. Sağ alt lobu hedeflemek için serbest bırakma konumu ayarını değiştiren bu cihaz, sağ loba partikül iletiminin iki katından fazlasını üretir ve verilen partiküllerin %94'ünü sağ akciğere yönlendirir.
Hedeflenmemiş partikül biriktirme profili ile karşılaştırıldığında, konsantrik silindir cihazı, verilen partiküllerin %87'sinden fazlasını sol akciğere yönlendirmenin yanı sıra sol üst lob iletiminde yaklaşık üç kat artışa neden olur. Hedefleme verimliliği, hedef lob filtresinin görüntüleri diğer çıkış filtreleriyle karşılaştırılarak kalitatif olarak da gözlemlenebilir. Gösterildiği gibi, en etkili hedefleme yöntemi, amaçlanan ilgili lobda yüksek bir partikül birikimi ve kalan lob çıkışlarında düşük bir birikim sağlayacaktır.
Sızıntılar biriktirme sonuçlarını etkileyeceğinden, sistem içindeki sızıntıları önlemek için bileşenlerin doğru şekilde bağlandığından emin olmak önemlidir. Bu protokol, araştırmacıların klinik çalışmalardan önce akciğerin belirli bölgelerini hedeflemek için potansiyel ilaç dağıtım cihazlarını test etmelerine izin vererek, insan hastalarda ilaç geliştirme ve etkinlik artırma ile ilişkili maliyeti azaltır.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu çalışma, CT taraması ile elde edilen, 3D baskılı akciğer modelleri kullanarak lob seviyesinde bölgesel pulmoner depozisyonu ölçmek için yüksek verimli, in vitro bir yöntem sunmaktadır. Teknik, bölgesel depozisyonun pre-klinik tahminlerini sağlayarak hedeflenen pulmoner tedavi yöntemlerinin geliştirilmesini artırmayı amaçlamaktadır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Pulmoner tedavi yöntemleri
- 3D baskı teknolojisi
- In vitro modelleme
Arka Plan
- Hedeflenen tedaviler, hedef dışı etkileri en aza indirmek için kritik öneme sahiptir.
- Akciğer kanseri ve KOAH gibi hastalıklar genellikle bölgesel tıkanıklıkları içerir.
- Kişiselleştirilmiş tahmine dayalı sonuçlar tedavi etkinliğini artırabilir.
- 3D baskılı akciğer modelleri hastaya özgü CT taramalarından türetilebilir.
Çalışmanın Amacı
- Pulmoner depozisyonu ölçmek için bir yöntem geliştirmek.
- Kişiselleştirilmiş tedavi stratejilerinin oluşturulmasını kolaylaştırmak.
- Tedavi etkinliği için tahmine dayalı sonuçların hızlı bir şekilde üretilmesini sağlamak.
Kullanılan Yöntemler
- CT taramalarından akciğer modellerinin 3D baskısı.
- Baskılan bileşenlerin izopropil alkol kullanılarak işlenmesi.
- Yumuşak reçine parçaların konveksiyonlu fırında termal kürlenmesi.
- Son montaj için sert reçine parçaların UV ile kürlenmesi.
Ana Sonuçlar
- Yöntem, pulmoner depozisyonun doğru modellenmesine izin verir.
- Kişiselleştirilmiş modeller, tedavi etkinliğini etkili bir şekilde tahmin edebilir.
- Spesifik akciğer hastalıkları için hedeflenen tedaviler geliştirilebilir.
- Yöntem, tedavi sırasında hedef dışı etkileri en aza indirir.
Sonuçlar
- Bu teknik, pulmoner tedavi yöntemleri için önemli sonuçlara sahiptir.
- Kişiselleştirilmiş tıp yaklaşımlarının geliştirilmesini destekler.
- Gelecek çalışmalar bu yöntemi daha geniş uygulamalar için geliştirebilir.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This protocol addresses a critical gap in pulmonary therapeutic development by enabling preclinical prediction of regional aerosol delivery, a key determinant of target engagement and therapeutic index. By quantifying lobular deposition using patient-specific 3D printed lung models, the method supports mechanistic de-risking of inhalation therapies and informs go/no-go decisions in early discovery. The ability to model diverse patient demographics and disease states enhances translational relevance and portfolio prioritization for respiratory indications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by quantifying regional drug delivery to diseased lung lobes.
- Operational Value: Supports biological de-risking through anatomically accurate, patient-derived models that reflect age, race, and gender variability.
- Predictive Value: Enhances target confidence by correlating in vitro deposition profiles with clinical airflow distribution data.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides quantitative, fluorescence-based readouts of particle deposition per lobe for comparative device or formulation screening.
- Operational Value: Enables assay standardization via independent lobe flow control and leak-resistant system design for reproducible results.
- Scalability: Compatible with high-throughput workflows using commercially available flow meters, valves, and microscopy platforms.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Facilitates translational continuity by modeling inhalation conditions that reflect clinical device performance, such as endotracheal tube targeting.
- Operational Value: Allows rapid iteration of device or formulation designs to optimize regional delivery before costly in vivo studies.
- Risk Mitigation: Reduces late-stage failure risk by identifying off-target deposition patterns early in preclinical evaluation.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification, providing quantitative deposition data that informs structure-activity relationships and device optimization efforts prior to preclinical efficacy studies.
- Discovery Biology: Supports pathway and target validation by linking drug delivery efficiency to lobular deposition in disease-relevant lung models.
- Screening: Enables ready-to-use assay formats for comparing aerosol delivery across drug carriers, devices, or formulations under controlled flow conditions.
- Analytics: Generates quantitative fluorescence intensity measurements per lobe, allowing statistical comparison of targeting efficiency and off-target accumulation.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity by incorporating clinically relevant delivery devices and modeling disease-specific airflow alterations.
- Enterprise Reuse: Represents a modular, adaptable platform for evaluating multiple therapeutic candidates across diverse patient-derived lung geometries.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target engagement by delivering lobe-specific, quantitative deposition data.
- Operational Value: Ensures reproducibility through standardized post-processing, flow calibration, and imaging protocols.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by reducing reliance on iterative in vivo studies for device or formulation optimization.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted advancement decisions based on demonstrated regional targeting capability in human-relevant models.
Implementation Considerations
- Requires expertise in 3D model preparation, resin handling, and fluorescence microscopy for accurate deposition quantification.
- Dependent on access to 3D printers capable of soft and hard resin curing, flow controllers, valves, and vacuum systems for lobe-specific airflow control.
- Necessitates cross-team standardization of image analysis protocols to ensure consistent fluorescence quantification across lobes and experimental runs.
- Must account for model-specific variability in airway geometry when extrapolating results across patient populations or disease states.
- Limited to in vitro conditions; does not incorporate mucociliary clearance, epithelial permeability, or alveolar macrophage activity that may affect in vivo deposition.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:04
Introduction
0:39
3D Printed Experimental Component Preparation
1:20
Lobe Outlet Cap Assembly
2:14
Clinically Relevant Air Flow Profile Generation
3:28
Aerosol Delivery
5:09
Outlet Paper Imaging
5:36
Results: Representative Setup Validation and Targeting Experiment Data
7:19
Conclusion
