Bewertung der regionalen Lungenabscheidung mit patientenspezifischen 3D-gedruckten Lungenmodellen

Zusammenfassung

Wir präsentieren ein hochdurchlässiges In-vitro-Verfahren zur Quantifizierung der regionalen Lungenabscheidung auf Lappenebene mit CT-Scan-abgeleiteten, 3D-gedruckten Lungenmodellen mit abstimmbaren Luftstromprofilen.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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 werden^2,3. Die Entwicklung von Inhalatoren und Endotracheal (ET) Rohradaptern mit regionalen Targeting-Fähigkeiten ist in unserem Labor ....

Protokoll

1. Herstellung von 3D-gedruckten Versuchskomponenten

HINWEIS: Alle im Protokoll verwendeten Software sind in der Tabelle der Materialienangegeben. Darüber hinaus ist die verwendete Schneidesoftware spezifisch für den in der Tabelle der Materialienaufgeführten 3D-Drucker; Dieses Protokoll kann jedoch auf eine Breite von 3D-Druckern (Stereolithographie) erweitert werden.

1. Konvertieren Sie Patienten-CT-Scans in 3D-Objekte (.stl-Dateien).
   HINWEIS: Eine ausführlichere Erläuterung der geometrischen Merkmale des spezifischen Lungenmodells, das in diesen Studien verwendet wird, finden Sie unter Feng et ....

Ergebnisse

Partikel in diesem Größenbereich (1-5 m) und Strömungsbedingungen (1-10 l/min) folgen den Strömungslinien, die sowohl auf ihrer theoretischen Stokes-Zahl als auch auf in-vivo-Daten basieren; Daher wird erwartet, dass sich in Ermangelung eines gezielten Abgabegeräts freigesetzte Partikel entsprechend dem Prozentsatz des gesamten Luftstroms ablagern, der zu jedem Lappen umgeleitet wird. Die relativen Mengen der Partikelzufuhr zu jedem Lappen können dann mit den Daten der klinischen Lappendurchflussrate verglichen wer.......

Diskussion

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.......

Materialien

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