Einweg-Dosierer für die Verabreichung von Trockenpulver an Mäuse

Zusammenfassung

Die Entwicklung pharmazeutischer Trockenpulver erfordert zuverlässige In-vivo-Tests , häufig unter Verwendung eines Mausmodells. Die Gerätetechnologie zur genauen und reproduzierbaren Abgabe von Trockenpulveraerosolen an Mäuse ist eingeschränkt. In dieser Studie werden Einwegdosierer für die pulmonale Verabreichung von Medikamenten in mausrelevanten Dosen vorgestellt, um die erste Proof-of-Concept-Forschung zu unterstützen.

Zusammenfassung

Trockenpulverinhalatoren bieten zahlreiche Vorteile für die Verabreichung von Medikamenten in die Lunge, darunter stabile Festkörperformulierungen, Gerätetragbarkeit, Bolusmessung und -dosierung sowie einen treibgasfreien Dispergiermechanismus. Für die Entwicklung von pharmazeutischen Trockenpulver-Aerosolprodukten sind robuste In-vivo-Tests unerlässlich. In der Regel beinhalten erste Studien die Verwendung eines Mausmodells für die vorläufige Bewertung, bevor formale Studien an größeren Tierarten durchgeführt werden. Eine wesentliche Einschränkung bei diesem Ansatz ist jedoch das Fehlen geeigneter Gerätetechnologie, um trockene Pulver genau und reproduzierbar an Kleintiere zu verabreichen, was die Nützlichkeit solcher Modelle behindert. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurden Einweg-Spritzendosierer speziell für die intrapulmonale Verabreichung von trockenen Pulvern in für Mäuse geeigneten Dosen entwickelt. Diese Dosierer laden und fördern eine vorbestimmte Menge an Pulver, die aus einem Pulverbett mit gleichmäßiger Schüttdichte gewonnen wird. Diese diskrete Kontrolle wird erreicht, indem eine stumpfe Nadel mit einer festen Tiefe (Stopfen) in das Pulverbett eingeführt wird, wobei jedes Mal eine feste Menge entfernt wird. Insbesondere hat sich dieses Dosierungsmuster für eine Reihe von sprühgetrockneten Pulvern bewährt. In Experimenten mit vier verschiedenen sprühgetrockneten Modellpulvern zeigten die Dosierer, dass sie Dosen im Bereich von 30 bis 1100 μg erreichen können. Die erreichte Dosis wurde durch Faktoren wie die Anzahl der Stempel, die Größe der Dosiernadel und die verwendete spezifische Formulierung beeinflusst. Einer der Hauptvorteile dieser Dosierer ist ihre einfache Herstellung, die sie für die Verabreichung von trockenen Pulvern an Mäuse während der ersten Proof-of-Concept-Studien zugänglich und kostengünstig macht. Der Einwegcharakter der Dosierer erleichtert den Einsatz in Tierbehandlungsräumen, in denen das Reinigen und Nachfüllen von Mehrwegsystemen und Wägematerialien umständlich ist. Somit hat die Entwicklung von Einwegspritzendosierern eine bedeutende Hürde bei der Verabreichung von murinem Trockenpulver für Proof-of-Concept-Studien beseitigt und es den Forschern ermöglicht, genauere und reproduzierbarere Vorstudien in Kleintiermodellen für die pulmonale Arzneimittelverabreichung durchzuführen.

Einleitung

Der Einsatz von Trockenpulverinhalatoren (DPIs) für die Verabreichung von Medikamenten in der Lunge hat in den letzten drei Jahrzehnten aufgrund des weltweiten Ausstiegs aus Fluorchlorkohlenwasserstoff-Treibmitteln großes Interesse geweckt ^1,2. DPIs bieten zahlreiche Vorteile gegenüber anderen pulmonalen Verabreichungssystemen, wie z. B. Dosieraerosolen und Verneblern, einschließlich Formulierungsstabilität, Portabilität, Benutzerfreundlichkeit und treibgasfreien Verteilungsmechanismen². Bevor DPI-Produkte jedoch in die klinische Translation überführt werden können, müssen mehrere präklinische Studien durchgeführt werden, von denen viele zunächst mit einem Mausmodell durchgeführt werden. Dennoch sind die verfügbaren Technologien, um trockene Pulver präzise und reproduzierbar an Kleintiere zu verabreichen, begrenzt.

Gängige Methoden zur Verabreichung von trockenen Pulvern an Kleintiere, wie z. B. Mäuse, umfassen die passive Inhalation 3,4,5,6,7 und die direkte Verabreichung 8,9,10,11,12,13. Die passive Inhalation erfordert in der Regel eine kundenspezifische Kammer, in der große Dosen sprühgetrocknetes Pulver verwendet werden, um eine ausreichende Aerosolwolke herzustellen. Da Mäuse obligate Nasenatmer¹⁴ sind, erfordert die Verabreichung durch passive Inhalation, dass das Pulver durch Nase und Rachen in die Lunge gelangt, was die Aufrechterhaltung einer Aerosolwolke mit ausreichenden aerodynamischen Eigenschaften der Partikel^{erforderlich macht 7,8}. Obwohl es sich um eine nützliche Technik handelt, die physiologisch relevanter ist als die direkte Verabreichung durch Inhalation als Folge der normalen Atmung¹⁴, ist sie möglicherweise nicht für erste Studien geeignet, bei denen die Pulvermasse begrenzt ist.

Alternativ wurde über eine Reihe von intratrachealen Verabreichungsvorrichtungen für die direkte Verabreichung von trockenem Pulver berichtet 8,9,10,11,12,13. Intratracheale Geräte umgehen Nase und Rachen, geben das Pulver direkt an die Lunge ab und ermöglichen eine feinere Kontrolle über die abgegebene Dosis¹⁴. Darüber hinaus können einige Vorrichtungen, insbesondere solche, die unter Verwendung eines Stopfladeverfahrens⁹ hergestellt wurden, mit kleineren Mengen hergestellt werden, was eine wichtige Überlegung für erste Proof-of-Concept-Studien ist. Der Mangel an universell verfügbaren intratrachealen Verabreichungsgeräten hat ihr Einsatzpotenzial behindert, die Verfügbarkeit eingeschränkt und zu Unterschieden zwischen den Laboratorien geführt¹⁴. In dieser Studie schlagen wir einen einfachen, kostengünstigen Einwegdosierer für die intratracheale Verabreichung vor, der für Proof-of-Concept-Studien an Mäusen bei der Entwicklung von Trockenpulveraerosolen verwendet werden kann.

Protokoll

Alle Tierversuche wurden in Übereinstimmung mit dem Tierschutzgesetz und der Richtlinie des öffentlichen Gesundheitsdienstes zur humanen Pflege und Verwendung von Versuchstieren durchgeführt. Das Studienprotokoll wurde vom Institutional Animal Care and Use Committee des Health Science Center der University of Tennessee genehmigt. Gesunden weiblichen BALB/c-Mäusen, ~6-8 Wochen alt, wurde der Trockenpulvergehalt eines Dosierers durch intrapulmonale Aerosolabgabe für eine pharmakokinetische Studie mit Spectinamid 1599 Trockenpulvern verabreicht⁹. Die Tiere stammten aus einer kommerziellen Quelle (siehe Materialtabelle).

1. Vorbereitung des Dosierers und der Abfüllkomponenten

1. Schneiden Sie den Kunststoff-Luer-Teil einer 2,54 cm (1 Zoll) langen stumpfen Edelstahlnadel (21-25 g) entweder mit einer Präzisionstrennsäge (siehe Materialtabelle) oder einem Bandschleifer ab, bis 2-3 mm des Kunststoff-Luers übrig bleiben (Abbildung 1A und Abbildung 2A).
   HINWEIS: Wenn ein Bandschleifer verwendet wird, muss die Edelstahlnadel möglicherweise mit einer kleineren Nadel oder einem kleineren Draht gereinigt werden, um mögliche Hindernisse zu entfernen.
2. Schneiden Sie die Spitze (1-1,5 cm) eines konischen 0,6-ml-Zentrifugenröhrchens ab. Füllen Sie die Spitze des Röhrchens mit 30-35 mg Pulver.
   HINWEIS: Siehe Repräsentative Ergebnisse für die Details der Beispielpulver, die für die vorliegende Studie verwendet wurden. Die Leistung von Pulveraerosolen sollte vor der Verwendung in dieser Anwendung gemäß der Standardmethodik bewertet werden, wie sie im USP General Chapter <601> beschrieben ist (siehe Materialtabelle).
3. Wenn Sie das Pulver lagern und/oder transportieren, verwenden Sie die Röhrchenkappe (abgeschnitten), um die Durchstechflasche zu verschließen. Mit Paraffinfolie versiegeln, um die Exposition des Pulvers gegenüber Umgebungsfeuchtigkeit bei Lagerung und/oder Transport zu minimieren.

2. Bestückung und Montage von Dosierern

1. Stampfen Sie die getrimmte Edelstahlnadel so oft wie nötig in das Pulverbett der konischen 0,6-ml-Zentrifugenröhrchenspitze, um die gewünschte Dosis zu erreichen (Abbildung 2B). Wischen Sie die Seiten der Edelstahlnadel vorsichtig mit einem fusselarmen Wischtuch ab, um überschüssiges Pulver zu entfernen (Abbildung 3).
2. Führen Sie die eingelegte Edelstahlnadel vorsichtig in eine 3,81 cm (1,5 Zoll) lange Polypropylen- oder 5,08 cm (2 Zoll) Polytetrafluorethylen (PTFE)-Nadel (16-20 G) ein (siehe Materialtabelle), um zu vermeiden, dass sich Pulver löst (Abbildung 1B, C und Abbildung 2C).

3. Betätigung von Dosierern

1. Ziehen Sie eine Einwegspritze auf das gewünschte Volumen zurück, das je nach Anwendung variieren kann.
   HINWEIS: Für die intrapulmonale Verabreichung bei Mäusen sind 0,15-0,6 ml in der Regel angemessen ^8,9.
2. Befestigen Sie die Spritze am Luer-Lock der Polypropylen- oder PTFE-Nadel (Abbildung 2D).
3. Führen Sie das Nadelende des Dosierers in das gewünschte Ziel ein. Um den Pulvergehalt und die Reproduzierbarkeit zu analysieren, führen Sie die Nadel durch ein perforiertes Gummiseptum oder einen Paraffinfilm in ein Fläschchen ein, das eine kleine Menge (z. B. 1-5 ml) Wasser und/oder organisches Lösungsmittel (z. B. Ethanol) enthält, wobei die Identität und das Volumen des Lösungsmittels von den physikalischen Eigenschaften des pharmazeutischen Wirkstoffs (API) und der Quantifizierungsmethode abhängen.
   1. Für die Verabreichung an Mäuse wird die Nadel bis zur ersten Bronchialbifurkation der Luftröhre von anästhesierten Mäusen gemäß den festgelegten Protokollen ^9,15 eingeführt.
4. Drücken Sie die Spritze kräftig herunter und stoßen Sie das Pulver aus dem Gerät in die Sammeldurchstechflasche (Abbildung 2E).
   HINWEIS: Die gleiche Technik muss für die Abgabe des Pulvers an die Lunge der Maus angewendet werden.
5. Verwenden Sie für die Analyse des Inhalts und der Reproduzierbarkeit aus dem Entnahmefläschchen eine geeignete Analysemethode für den jeweiligen Wirkstoff, z. B. UV-Vis-Spektrophotometrie (UV-Vis) oder Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC).

Ergebnisse

Die Aerosolleistung verschiedener sprühgetrockneter Pulver wurde vor der Verwendung in dieser Studie ermittelt. Die aerodynamische Partikelgrößenverteilung (APSD) wurde durch den medianen aerodynamischen Massendurchmesser (MMAD) beschrieben, der die Größe darstellt, die die Verteilung am 50. Perzentil (d₅₀) in zwei Teile teilt, und die geometrische Standardabweichung (GSD), die die Breite der Verteilung widerspiegelt^. Die GSD ist definiert durch die Quadratwurzel des aerodynamischen Durchmesser...

Diskussion

Da Mäuse obligate Nasenatmer sind, macht die Verabreichung durch passive Inhalation für erste Proof-of-Concept-Studien die Effizienz und Dosisabschätzung schwierig, da das Pulver Nase und Rachen in Abhängigkeit von den Partikeleigenschaften und der Pulverdispersionseffizienz passieren muss ^7,8,14. Die Verwendung der hierin entwickelten Dosierer umgeht die Nase und den Rachen, wobei der Dosierer in die erste Bronchia...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
0.6 mL microcentrifuge tubes	Fisher Scientific	05-408-120
Analytical balance	Mettler Toledo	AR1140	Any analytical balance with sufficient range can be used
Blunt stainless-steel needle, 1 inch, 21 G	McMaster-Carr	75165A681
Blunt stainless-steel needle, 1 inch, 22 G	McMaster-Carr	75165A683
Blunt stainless-steel needle, 1 inch, 25 G	McMaster-Carr	75165A687
Disposable syringe with luer lock (1 mL)	Fisher Scientific	14-823-30	3-mL syringes can also be used
Female BALB/c mice	Charles River, Wilmington, MA, USA
High-performance cascade impactor	Next Generation Impactor	Apparatus 5
Lab film (e.g., Parafilm)	Fisher Scientific	S37440
Low-lint wiper (e.g., Kimwipes)	Kimberly-Clark Professional	34133
Low-resistance dry powder inhaler	RS01 mod 7
Polypropylene needle, 1.5 inch, 16 G	McMaster-Carr	6934A111
Polypropylene needle, 1.5 inch, 18 G	McMaster-Carr	6934A53
Polypropylene needle, 1.5 inch, 20 G	McMaster-Carr	6934A55
Precision sectioning saw	TedPella	812-300	Belt sander can be used as an alternative
PTFE needle, 2 inch, 20 G	McMaster-Carr	75175A694
USP General Chapter <601>			http://www.uspbpep.com/usp31/v31261/usp31nf26s1_c601.asp