Avaliação do depoimento pulmonar regional usando modelos pulmonares impressos 3D específicos do paciente

Resumo

Apresentamos um método in vitro de alta produtividade para quantificar a deposição pulmonar regional no nível do lóbulo usando modelos pulmonares impressos em 3D derivados da tomografia computadorizada com perfis de fluxo de ar tunable.

Resumo

O desenvolvimento de terapias-alvo para doenças pulmonares é limitado pela disponibilidade de métodos de teste pré-clínicos com a capacidade de prever a entrega de aerossol regional. Aproveitando a impressão 3D para gerar modelos pulmonares específicos do paciente, descrevemos o design de uma configuração experimental in vitro de alta produtividade para quantificar a deposição pulmonar lobular. Este sistema é feito com uma combinação de componentes comercialmente disponíveis e impressos em 3D e permite que a taxa de fluxo através de cada lobo do pulmão seja controlada independentemente. A entrega de aerossóis fluorescentes em cada lobo é medida por meio de microscopia de fluorescência. Este protocolo tem o potencial de promover o crescimento da medicina personalizada para doenças respiratórias através de sua capacidade de modelar uma ampla gama de estados demográficos e doenças dos pacientes. Tanto a geometria do modelo pulmonar impresso em 3D quanto a configuração do perfil de fluxo de ar podem ser facilmente moduladas para refletir dados clínicos para pacientes com idade, raça e gênero variados. Dispositivos de entrega de medicamentos clinicamente relevantes, como o tubo endotraqueal mostrado aqui, podem ser incorporados à configuração de testes para prever com mais precisão a capacidade de um dispositivo de direcionar o parto terapêutico para uma região doente do pulmão. A versatilidade desta configuração experimental permite que ela seja personalizada para refletir uma infinidade de condições de inalação, aumentando o rigor dos testes terapêuticos pré-clínicos.

Introdução

Muitas doenças pulmonares, como câncer de pulmão e doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) apresentam diferenças regionais nas características da doença; no entanto, faltam técnicas terapêuticas disponíveis para direcionar o fornecimento de medicamentos apenas para regiões doentes do pulmão¹. Múltiplos modelos de dinâmica de fluidos computacionais (CFD) demonstraram que é possível modular perfis de deposição de medicamentos identificando aerodinâmicas específicas no pulmão^2,3. O desenvolvimento de inaladores e adaptadores de tubos endotraqueais (ET) com capacidades regionais de segmen....

Protocolo

1. Preparação de componentes experimentais impressos em 3D

NOTA: Todos os softwares utilizados no protocolo são indicados na Tabela de Materiais. Além disso, o software de fatiamento utilizado é específico para a impressora 3D listada na Tabela de Materiais; no entanto, este protocolo pode ser estendido a uma ampla gama de impressoras 3D estereotipografia (SLA).

1. Converter tomografias computadorizadas do paciente em objetos 3D (arquivos.stl).
   NOTA: Para uma discussão mais detalhada das características geométricas do modelo pulmonar específico utilizado nestes estudos, consulte Feng et al.

Resultados

Partículas nesta faixa de tamanho (1-5 μm) e condições de fluxo (1-10 L/min) seguem as linhas de fluxo de fluidos com base tanto no número teórico de Stokes quanto nos dados in vivo; portanto, na ausência de um dispositivo de entrega direcionado, espera-se que as partículas liberadas no modelo pulmonar sejam depositadas de acordo com a porcentagem do fluxo de ar total desviado para cada lobo. As quantidades relativas de entrega de partículas para cada lobo podem então ser comparadas aos dados da taxa de fluxo d.......

Discussão

O dispositivo de última geração atual para testes farmacêuticos pulmonares de uma dose completa de inalação é o Next Generator Impactor (NGI), que mede o diâmetro aerodinâmico de um aerossol⁴. Esses dados de dimensionamento são então usados para prever a geração pulmonar na qual o aerossol será depositado com base em uma correlação desenvolvida para um homem adulto saudável¹¹. Infelizmente, este método é limitado em sua capacidade de avaliar diferenças n.......

Materiais

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