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Method Article
Presentamos un método in vitro de alto rendimiento para cuantificar la deposición pulmonar regional a nivel del lóbulo utilizando modelos pulmonares impresos en 3D derivados de tomografía computarizada con perfiles de flujo de aire ajustable.
El desarrollo de terapias específicas para enfermedades pulmonares está limitado por la disponibilidad de métodos de prueba preclínicos con la capacidad de predecir el suministro regional de aerosoles. Aprovechando la impresión 3D para generar modelos pulmonares específicos del paciente, delineamos el diseño de una configuración experimental in vitro de alto rendimiento para cuantificar la deposición pulmonar lobular. Este sistema está fabricado con una combinación de componentes impresos 3D y disponibles comercialmente y permite controlar de forma independiente el caudal a través de cada lóbulo del pulmón. La entrega de aerosoles fluorescentes a cada lóbulo se mide mediante microscopía de fluorescencia. Este protocolo tiene el potencial de promover el crecimiento de la medicina personalizada para enfermedades respiratorias a través de su capacidad para modelar una amplia gama de estados de demografía y enfermedades de los pacientes. Tanto la geometría del modelo pulmonar impreso en 3D como el ajuste del perfil de flujo de aire se pueden modular fácilmente para reflejar datos clínicos de pacientes con diferentes edades, raza y género. Los dispositivos de administración de fármacos clínicamente relevantes, como el tubo endotraqueal que se muestra aquí, se pueden incorporar a la configuración de pruebas para predecir con mayor precisión la capacidad de un dispositivo para dirigir el parto terapéutico a una región enferma del pulmón. La versatilidad de esta configuración experimental permite personalizarla para reflejar multitud de condiciones de inhalación, mejorando el rigor de las pruebas terapéuticas preclínicas.
Muchas enfermedades pulmonares como el cáncer de pulmón y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) presentan diferencias regionales en las características de la enfermedad; sin embargo, hay una falta de técnicas terapéuticas disponibles para el tratamiento de fármacos dirigidos a sólo las regiones enfermas del pulmón1. Múltiples modelos dinámicos de fluido computacional (CFD) han demostrado que es posible modular los perfiles de deposición de fármacos mediante la identificación de agilizaciónes específicas en el pulmón2,3. El desarrollo tanto de inhaladores como de adaptadores de tubo endotraqueal (ET) con capacidades de segmentación regionales está en marcha en nuestro laboratorio para controlar la distribución de aerosoles a las regiones pulmonares enfermas. La extensión de estos principios al uso clínico está limitada por la capacidad actual de pruebas preclínicas. La ubicación precisa de un medicamento deposita dentro del pulmón se sabe que es el mejor predictor de eficacia; sin embargo, las evaluaciones farmacéuticas actuales de las terapias inhalables se predicen con mayor frecuencia utilizando correlaciones in vitro-in vivo del tamaño de las partículas para limitarse a aproximar la deposición4. Esta técnica no permite ningún análisis espacial para determinar los efectos de diferentes geometrías de las vías respiratorias en la distribución regional a través de los diversos lóbulos del pulmón. Además, esta prueba carece de geometrías pulmonares anatómicamente precisas, que los investigadores han demostrado que pueden tener un impacto significativo en los perfiles de deposición5. Se han hecho algunos esfuerzos para incorporar geometrías pulmonares específicas del paciente en los protocolos de prueba a través de la adición de las vías respiratorias superiores; sin embargo, la mayoría de estos enfoques muestra la entrega de aerosoles a varias generaciones del pulmón en lugar de cada lóbulo pulmonar6,7,8. El siguiente protocolo presenta un método de alto rendimiento para generar modelos pulmonares específicos del paciente con capacidad para cuantificar la deposición relativa de partículas en cada uno de los cinco lóbulos del pulmón9.
Los pulmones modelo anatómicamente precisos son generados por la impresión 3D de tomografía computarizada (TC) del paciente. Cuando se utiliza junto con un sistema de flujo fácilmente ensamblado, los caudales relativos a través de cada uno de los lóbulos del pulmón modelo se pueden controlar y adaptar de forma independiente para imitar los de diferentes estados de demografía y/o enfermedad de los pacientes. Con este método, los investigadores pueden probar la eficacia de los métodos terapéuticos potenciales en una geometría pulmonar relevante y correlacionar el rendimiento de cada método con la progresión de la morfología enferma. Aquí, dos diseños de dispositivos desarrollados en nuestro laboratorio son probados por su capacidad para aumentar la deposición en un lóbulo pulmonar deseado mediante el control de la ubicación de la liberación de aerosoles en la boca o la tráquea. Este protocolo también tiene el potencial de afectar significativamente el desarrollo de procedimientos personalizados para los pacientes facilitando la rápida predicción de la eficacia del tratamiento en un pulmón modelo específico de los datos de la tomografía computarizada de ese paciente.
1. Preparación de componentes experimentales impresos en 3D
NOTA: Todo el software utilizado en el protocolo se indica en la Tabla de materiales. Además, el software de corte utilizado es específico de la impresora 3D que aparece en la Tabla de Materiales; sin embargo, este protocolo se puede extender a una amplia gama de impresoras 3D de estereolitografía (SLA).
2. Montaje del sistema de tubos para el control del caudal
3. Montaje de tapas de salida de lóbulo con modelo pulmonar del paciente
NOTA: Esta parte del protocolo debe completarse antes de cada ejecución experimental.
4. Generación de perfil de flujo de aire clínicamente relevante
NOTA: Esta parte del protocolo debe completarse antes de cada ejecución experimental.
5. Entrega de aerosol al modelo pulmonar
NOTA: Los experimentos deben realizarse en una campana de humo con la faja cerrada para minimizar la exposición a cualquier aerosol generado por el nebulizador.
6. Imagen del papel filtrante de salida
7. Cuantificación de la deposición de partículas
Las partículas en este rango de tamaño (1-5 μm) y las condiciones de flujo (1-10 L/min) siguen las líneas de flujo de fluidos basadas tanto en su número teórico de Stokes como en los datos in vivo; por lo tanto, en ausencia de un dispositivo de entrega dirigido, se espera que las partículas liberadas en el modelo pulmonar se depositen de acuerdo con el porcentaje de flujo de aire total desviado a cada lóbulo. Las cantidades relativas de administración de partículas a cada lóbulo se pueden comparar con los dato...
El dispositivo actual de última generación para pruebas farmacéuticas pulmonares de una dosis completa de inhalación es el Next Generator Impactr (NGI), que mide el diámetro aerodinámico de un aerosol4. Estos datos de tamaño se utilizan entonces para predecir la generación pulmonar a la que el aerosol se depositará en función de una correlación desarrollada para un macho adulto sanode 11años. Desafortunadamente, este método es limitado en su capacidad para eval...
Los autores no tienen nada que revelar.
Los autores agradecen al profesor Yu Feng, a la Dra. Jenna Briddell, Ian Woodward y Lucas Attia por sus útiles discusiones.
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 |
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