JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

This manuscript reviews the modeling and simulations of different protocols to deliver medications to the olfactory region in image-based nasal airway models. Multiple software modules are used to develop the anatomically accurate nose model, generate computational mesh, simulate nasal airflows, and predict particle deposition at the olfactory region.

Аннотация

Есть много преимуществ прямой нос к мозгу доставки лекарственных средств в лечении неврологических расстройств. Тем не менее, его применение ограничено крайне низкой эффективностью доставки (<1%) к обонятельной выстилки, которая непосредственно соединяет мозг. Крайне важно разработать методики новых более эффективно доставлять лекарства к неврологическим обонятельной области. Целью данного исследования является разработка численного платформу для моделирования и улучшения интраназально обонятельный доставки лекарств. Спаренная метод изображения CFD был представлен, что синтезировали развитие на основе образа модели, качество Meshing, моделирование жидкости и отслеживание магнитной частицы. С помощью этого метода, выступления трех интраназальных протоколов доставки численно оценивались и сравнивались. Были также изучены численно Влияния дыхательных маневров, магнит макета, напряженность магнитного поля, положения высвобождения лекарственного средства и размера частиц на обонятельный дозировке.

Из хimulations, мы обнаружили, что клинически значимым обонятельная дозировка (до 45%) было осуществлено с использованием комбинации расположения магнита и селективного высвобождения лекарственного средства. 64-кратная выше поставка дозы было предсказано в случае с магнитофоретического руководством по сравнению со случаем без него. Тем не менее, точное наведение интраназально вдыхаемых аэрозолей в обонятельной области остается сложной из-за нестабильного характера магнитофореза, а также высокой чувствительности обонятельного дозировке пациенто, Device- и факторов частиц, связанных с.

Введение

Лекарственные средства , поставляемые в обонятельную область может обойти гематоэнцефалический барьер и непосредственно проникают в мозг, что приводит к эффективному поглощению и быстрое начало действия препаратов 1,2. Однако обычные носовые устройства , такие как назальные спреи насосов и обеспечивают чрезвычайно низкие дозы в обонятельной области (<1%) через носовые пути 3,4. Это в первую очередь связано со сложной структурой человеческого носа , который состоит из узких, запутанных проходов (рисунок 1). Обонятельная область размещает над верхним проходом, где лишь очень небольшая часть вдыхаемого воздуха может достигать 5,6. Кроме того, обычные устройства для ингаляции зависит от аэродинамических сил для транспортировки терапевтических агентов для целевой области 7. Там нет никакого дальнейшего контроля над движениями частиц после их освобождения. Таким образом, переноса и осаждения этих частиц преимущественно зависят от их начальных скоростей и положений выпуска. В связина свернутой носовой ход, а также отсутствие контроля частиц, большинство частиц лекарственного средства оказались в ловушке в переднем отделе носа и не может достичь обонятельной области 8.

Хотя есть много вариантов носовых устройств, те , которые предназначены специально для целевой доставки обонятельной редко сообщалось 7,9. Одним из исключений является Hoekman и Ho 10 , который разработал обонятельный преференциальный устройства доставки и продемонстрировали более высокие уровни лекарственного средства Кора-на-крови у крыс в противоположность использованию капли носа. Тем не менее, масштабирование результатов осаждения у крыс для человека не является простым делом, принимая во внимание огромные анатомо-физиологические различия между этими двумя видами 11. Многие существуют ограничения при использовании адаптированных версий стандартных назальных устройств для обонятельных поставок. Одним из основных регресс является то, что только очень небольшая часть препаратов, могут быть доставлены в обонятельную слизистую оболочку, через которую лекарственные средства могут войти вголовной мозг. Численное моделирование предсказывает , что менее 0,5% от интраназально наночастиц может внести в обонятельной области 3,5. Скорость осаждения еще ниже (0,007%) для частиц микронных 12. Для того, чтобы сделать доставку нос к мозгу клинически осуществимым, обонятельная скорость осаждения должна быть значительно улучшена.

Там существует несколько возможных подходов к улучшению обонятельный доставки. Один из возможных подходов является смарт - идея ингалятор , предложенный Kleinstreuer и др. 13 , в качестве частицы выпавшие в одном регионе, в основном , от одной конкретной области на входе, то можно доставить частицы в сайт - мишень, выпуская их только из определенных областей на входе , Смарт - метод доставки , как было показано , чтобы создать гораздо более эффективную доставку легких , чем традиционные методы. 13,14 Предполагается , что эта идея смарт - доставки также может быть применен в интраназальной доставки лекарственных средств к Improve дозировок к обонятельной выстилки. Выпуская частицы в различные положения при открытии ноздрей и из разных глубин в полости носа, улучшение обонятельные эффективности доставки и сокращение отходов лекарственного средства в переднем отделе носа возможны.

Другой возможный способ активно управлять движением частиц в носовую полость с помощью различных полевых сил, таких как электрический или магнитной силы. Электрический контроль заряженных частиц было предложено для адресной доставки лекарств для человеческого носа и легких 15-17. Си и др. 18 численно протестировали производительность электрического руководством заряженных частиц и предсказанную значительно улучшились обонятельные дозы. Точно так же, наведение ферромагнитных частиц лекарственного средства с соответствующим магнитным полем также имеет потенциал для частиц мишени в обонятельную слизистую оболочку. Поведения ингаляционных агентов, если ферромагнитное, может быть изменена путем введения соответствующих магнитных сил 19. ДАМ и др. 20 показали , что это практично целевой ферромагнитных частиц в конкретных областях в легких мышей. По упаковки терапевтических агентов с наночастицами суперпарамагнитных оксида железа, осаждение в одном легком мыши под воздействием сильного магнитного поля была значительно увеличена по сравнению с другими 20 легких.

Частицы считались сферическими и варьировались от 150 нм до 30 мкм в диаметре. Основное уравнение 21:
(1) figure-introduction-4879

Выше уравнение описывает движение частицы , регулируемой силы сопротивления, силы тяжести, Саффмана подъемной силы 22, броуновского силы для наночастиц и магнитофоретического силы , если их поместить в магнитное поле. Здесь v я скорость частицы, U I является скорость потока, τ рвремя отклика частиц, С С поправочный коэффициент Cunningham, и α представляет собой отношение плотности воздуха / частиц. Для того, чтобы эффективно руководить интраназально наркотики в обонятельной области, необходимо для приложенные магнитофоретического силы, чтобы преодолеть как инерцию частицы и силы тяготения. В этом исследовании, композит 20% маггемиту (γ-Fe 2 O 3, 4,9 г / см 3) и 80% активного агента предполагалось, что дает плотность приблизительного 1,78 г / см 3 и относительную магнитную проницаемость 50. выбор гамма-Fe 2 O 3 было обусловлено его низкой цитотоксических. Железо (3+) , ионы широко распространены в человеческом организме , и немного выше , концентрация ионов не вызывает значительных побочных эффектов 23.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

протокол

Изображения МРТ были предоставлены Хамнер институты для медицинских наук и использование этих изображений было одобрено советом институционального обзора Университета Содружества Вирджинии.

1. Изображение основе Носовые в дыхательных путях Приготовление

  1. Приобретать магнитного резонанса (МР) изображений здорового без табачного 53-летний мужчина (вес 73 кг и высотой 173 см) , которые состоят из 72 корональных сечений на расстоянии 1,5 мм друг от друга , охватывающую ноздрей до носоглотки 4.
  2. Открытый визуализации программы (например, мимика)
    1. Чтобы импортировать изображения, нажмите кнопку "Файл", "Импорт изображений". Выберите изображения MR и нажмите кнопку "Ok".
    2. Для построения модели 3-D, нажмите кнопку "Сегментация", затем "Порог", чтобы установить диапазон шкалы серого между -1020 и -500. Нажмите кнопку "Сегментация", "Рассчитать 3D".
    3. Нажмите кнопку "Сегментация" и "Рассчитать" полилинии. Выберите 3-Д Тело, и нажмите кнопку "ОК" для создания ломаных линий, которые определяют твердую геометрию. Экспорт полилиний как файл IGES.
  3. Открытая модель разработки программного обеспечения (например, гамбит)
    1. Нажмите кнопку "Файл", "Импорт", "IGES", чтобы импортировать файл IGES в программу. Нажмите кнопку "Грань команду" на правой панели; нажмите кнопку "Создать Edge" и выберите "NURBS" реконструировать плавными обводами.
    2. Нажмите кнопку "Face команду", затем нажмите кнопку "Form лицо". Выберите "Каркасная", чтобы построить поверхность от краев. Продолжайте строить все поверхности, которые охватывают всю дыхательные пути. Сохранил носовые анатомических деталей , таких как язычка, epiglottal складки и гортани пазухи (рисунок 1). Нажмите кнопку "Файл", "Экспорт" "IGES" экспортировать носовую модель воздушной трассы.
  4. Open раскатывания Программное обеспечение (например, ICEM CFD)
    1. Нажмите кнопку "Файл"," Импорт геометрии "," Наследие "и" STEP / IES ", чтобы импортировать носовую модель воздушной трассы Нажмите." Создание частей ", чтобы разделить поверхности воздушной трассы на пять различных областей: преддверия носа, носового клапана, носовая область, обонятельные, и носоглотки.
    2. Для создания расчетной сетки внутри дыхательные пути, нажмите на кнопку "Mesh", "Global Mesh Setup". Укажите максимальный размер ячеек 0,1 мм и нажмите кнопку "Применить".
    3. Для добавления тела-изготовителе сетки в пристеночной области, нажмите кнопку "Compute Mesh", "Призма Mesh". Укажите количество слоев, как 5 и расширяющийся соотношение как 1,25 и нажмите кнопку "Применить".

2. Контроль пассива частиц

  1. Вестибулярная интубации: передний против. назад
    1. Открытая модель развития программного обеспечения для разработки модели носового с передним вестибулярного интубации. Нажмите кнопку "Volume", а затем "Переместить / копировать", чтобы изменить расположение пebulizer катетер 5 мм в сени из ноздрей наконечника. Нажмите кнопку "инъекции", чтобы выпустить 60000 частиц (150 нм) в ноздрю.
    2. Откройте программу моделирования жидкости (например, ANSYS Fluent) для расчета скорости осаждения частиц внутри носа. Для вычисления поля потока воздуха внутри воздуховода, выберите модель ламинарного потока, нажав кнопку "Определить", "Модели", "вязкая"; выбрал "ламинарного" под "Вязкая модель".
    3. Выберите "дискретной фазы Модель" для отслеживания движения частиц. Проверить "Саффмана подъемная сила" под "дискретной фазовой модели". Нажмите кнопку "Отчет", затем выберите "образец" Траектории; выберите "назальный" под "границами" и нажмите кнопку "Compute", чтобы найти число частиц, осажденных в предопределенной обонятельной области. Вычислить скорость осаждения как отношение количества осажденного частиц к количеству частиц, поступающих в ноздри.
    4. Повторите шаги2.1.2 для частиц размером 1 мкм.
    5. Следуйте шаг 2.1.1, вставьте распылительного сопла 5 мм в сени из задней части ноздрю. Повторите шаги 2.1.2 и 2.1.3 для расчета скорости осаждения на 150 нм частиц. Повторите шаг 2.1.4 для частиц 1 мкм (обратно-интубации).
  2. Deep интубации
    1. Выполните процедуру 2.1.1, чтобы вставить ингалятора катетер прямо под обонятельной области. Выпуск 60000 субмикронных частиц (150 нм) от ингалятора.
    2. Используйте жидкости и моделирования программного обеспечения для расчета скорости осаждения частиц внутри носа на как общего, так и местной основе, следуя аналогичным процедурам, как указано в пункте 2.1.2. Повторите эту процедуру для частиц 1 мкм.
    3. Повторите описанные выше процедуры во время тренировки дыхания-холдинг и выдоха, соответственно. Нажмите кнопку "Определить", а затем "граничные условия", чтобы открыть панель граничного условия. Указать нулевую скорость на двух ноздрей для дыхания-холдинг, Укажите давление вакуума (200 Па) при ноздрей и нулевое давление на выходе для выдоха.

3. Активное управление: магнитофоретического Руководство

  1. Тест в два-Plate канала
    1. Открытое программное обеспечение отслеживания магнитных частиц (например, COMSOL). Нажмите кнопку "Геометрия" и "Прямоугольник", чтобы построить канал из двух пластин. Нажмите "Прямоугольник", чтобы построить магниты вокруг канала две пластины.
    2. Вычисление траектории частиц и скорость осаждения. Нажмите "Модель 1", "ламинарный поток" и "1" Входное отверстие; указать скорость на входе до 0,5 м / с. Нажмите "Модель 1", "Магнитные поля", и "Magnetic сохранения потока", указать силу трех магнитов (1 × 10 5 А / м).
    3. Нажмите "Модель 1", "Отслеживание частиц для протекания жидкости" и "Свойства частиц"; указать диаметр частиц (15 мкм), плотность (1.78 г / см 3). Нажмите кнопку "Inlet", чтобы выпустить 3000 частиц. Нажмите кнопку "магнитофоретического Force", указать относительную проницаемость частиц (50). Нажмите кнопку "Compute".
    4. Для того, чтобы найти, как много частиц, осаждение в выбранной области, нажмите кнопку "Результаты", "1D Plot Group" и "Участок". Вычислить скорость осаждения как отношение количества частиц, осажденного в определенной области к количеству частиц, попадающих в геометрию.
    5. Для регулировки силы магнита, нажмите "Модель 1", затем "магнитных полей"; выбрать "Магнитные сохранения потока", и изменить силу магнита под "Намагниченность". Увеличение силы магнита приращение 1 × 10 4 А / м и нажмите кнопку "Compute".
    6. Повторите эту процедуру до тех пор, расположение соответствующих магнитов не было получено для эффективной доставки лекарственных средств к обонятельной области.
  2. Тест в 2-D Идеализированное Нос модели
    1. Применить магнитные силы, полученные в 3.1 в модели носа 2-D, поставив по три магнитов 1 мм над носом. Нажмите "Модель 1", "Геометрия 1", чтобы указать размер и положение магнита. Нажмите "Модель 1", "Отслеживание частиц для протекания жидкости", "на входе" выпустить 3000 частиц в левую ноздрю. Нажмите кнопку "Свойства частиц", чтобы указать размер частиц в 15 мкм.
    2. Имитировать траектории частиц и последующего обонятельные эффективности доставки, выполнив аналогичные процедуры, перечисленные в разделе 3.1.2.
    3. Отрегулируйте расположение магнита и силы, чтобы повысить эффективность доставки обонятельный. Для регулировки размера магнита и положение, нажмите "Модель 1", затем "Геометрия 1"; выбрать магнит интереса, изменять значения ширины, глубины, высоты или х, у, г. Следуйте 3.1.5, чтобы регулировать силу магнита.
  3. Тест в 3-D анатомически Точный нос модели
    1. чертенокорт 3-D модель носового дыхательные пути в магнитном программное обеспечение отслеживания частиц. Выполните процедуру 3.2.1, поставить четыре магнита 1 мм над носом и выпустить 3000 частиц 15 мкм в диаметре только от одной выбранной точки.
    2. С помощью магнитно-программного обеспечения отслеживания частиц для отслеживания траектории частиц и вычислить обонятельные эффективность доставки, выполнив аналогичные процедуры, перечисленные в разделе 3.2.1 - 3.2.3.
    3. После 3.2.3, настроить расположение магнита и силы в 3D-модели для улучшения адресной доставки в обонятельной области.
    4. Тест размер частиц в пределах от 1 - 30 мкм, чтобы найти правильный размер частиц для оптимальной магнитофоретического руководства к обонятельной области.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Результаты

Случай управления:
Рисунок 3 показывает поле потока воздуха и осаждения частиц в дыхательные пути носа со стандартными назальных устройств. Это четко показывает , что воздушный поток от передней ноздрю вентилируется с верхним каналом и воздушны?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Обсуждение

Спаренная метод изображения CFD был представлен в данном исследовании, который включал разработку изображения на основе модели, качество сцепление, моделирование воздушных потоков и отслеживание магнитного частиц. Несколько программных модулей были реализованы в достижение этой цел?...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Раскрытие информации

Авторы не сообщают об отсутствии конфликта интересов в этой работе.

Благодарности

Это исследование было профинансировано Центрального Мичиганского университета инновационных исследований Grant P421071 и начале карьеры Грант P622911.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
MIMICS 13Materialise Inc, Ann Arbor, MIMR image segmentation
GambitANSYS Inc, Canonsburg, PA Model development
ANSYS ICEMCFDANSYS Inc, Canonsburg, PA Meshing
ANSYS FluentANSYS Inc, Canonsburg, PA Fluid and particle simulation
COMSOL MultiphsicsCOMSOL Inc, Burlington, MAMagnetic particle tracing

Ссылки

  1. Mistry, A., Stolnik, S., Illum, L. Nanoparticles for direct nose-to-brain delivery of drugs. Int. J. Pharm. 379 (1), 146-157 (2009).
  2. Alam, S., et al. Development and evaluation of thymoquinone-encapsulated chitosan nanoparticles for nose-to-brain targeting: a pharmacoscintigraphic study. Int. J. Nanomedicine. 7 (11), 5705-5718 (2012).
  3. Shi, H., Kleinstreuer, C., Zhang, Z. Laminar airflow and nanoparticle or vapor deposition in a human nasal cavity model. J. Biomech. Eng. 128 (5), 697-706 (2006).
  4. Si, X., Xi, J., Kim, J., Zhou, Y., Zhong, H. Modeling of release position and ventilation effects on olfactory aerosol drug delivery. Respir. Physiol. Neurobiol. 186 (1), 22-32 (2013).
  5. Si, X., Xi, J., Kim, J. Effect of laryngopharyngeal anatomy on expiratory airflow and submicrometer particle deposition in human extrathoracic airways. Open J. Fluid D. 3 (4), 286-301 (2013).
  6. Xi, J., Longest, P. W. Numerical predictions of submicrometer aerosol deposition in the nasal cavity using a novel drift flux approach. Int. J. Heat Mass Transfer. 51 (23), 5562-5577 (2008).
  7. Illum, L. Nasal drug delivery: new developments and strategies. Drug Discov. Today. 7 (23), 1184-1189 (2002).
  8. El Taoum, K. K., Xi, J., Kim, J. W., Berlinski, A. In vitro evaluation of aerosols delivered via the nasal route. Respir. Care. 60 (7), 1015-1025 (2015).
  9. Misra, A., Kher, G. Drug delivery systems from nose to brain. Curr. Pharm. Biotechnol. 13 (12), 2355-2379 (2012).
  10. Hoekman, J. D., Ho, R. J. Y. Effects of Localized Hydrophilic Mannitol and Hydrophobic Nelfinavir Administration Targeted to Olfactory Epithelium on Brain Distribution. Aaps Pharmscitech. 12 (2), 534-543 (2011).
  11. Corley, R. A., et al. Comparative Computational Modeling of Airflows and Vapor Dosimetry in the Respiratory Tracts of Rat, Monkey, and Human. Toxicol. Sci. 128 (2), 500-516 (2012).
  12. Shi, H., Kleinstreuer, C., Zhang, Z. Modeling of inertial particle transport and deposition in human nasal cavities with wall roughness. J. Aerosol Sci. 38 (4), 398-419 (2007).
  13. Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Donohue, J. F. Targeted drug-aerosol delivery in human respiratory system. Annu. Rev. Biomed. Eng. 10 (4), 195-220 (2008).
  14. Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Li, Z., Roberts, W. L., Rojas, C. A new methodology for targeting drug-aerosols in the human respiratory system. Int. J. Heat Mass Transfer. 51 (23), 5578-5589 (2008).
  15. Wilson, I. B. The deposition of charged particles in tubes, with reference to the retention of therapeutic aerosols in the human lung. J. Colloid Sci. 2 (2), 271-276 (1947).
  16. Wong, J., Chan, H. -K., Kwok, P. C. L. Electrostatics in pharmaceutical aerosols for inhalation. Ther Deliv. 4 (8), 981-1002 (2013).
  17. Bailey, A. G. The inhalation and deposition of charged particles within the human lung. Journal of Electrostatics. 42 (1), 25-32 (1997).
  18. Xi, J., Si, X. A., Gaide, R. Electrophoretic particle guidance significantly enhances olfactory drug delivery: a feasibility study. PLoS ONE. 9 (1), e86593(2014).
  19. Martin, A., Finlay, W. Alignment of magnetite-loaded high aspect ratio aerosol drug particles with magnetic fields. Aerosol Sci. Technol. 42 (4), 295-298 (2008).
  20. Dames, P., et al. Targeted delivery of magnetic aerosol droplets to the lung. Nature Nanotechnology. 2 (8), 495-499 (2007).
  21. Xi, J., Longest, P. W. Transport and deposition of micro-aerosols in realistic and simplified models of the oral airway. Ann. Biomed. Eng. 35 (4), 560-581 (2007).
  22. Longest, P. W., Xi, J. Effectiveness of direct Lagrangian tracking models for simulating nanoparticle deposition in the upper airways. Aerosol Sci. Technol. 41 (4), 380-397 (2007).
  23. Xi, J., Zhang, Z., Si, X. A., Yang, J., Deng, W. Optimization of magnetophoretic-guided drug delivery to the olfactory region in a human nose model. Biomech. Model. Mechanobiol. In. , (2015).
  24. Longest, P. W., Hindle, M., Das Choudhuri, S., Xi, J. X. Comparison of ambient and spray aerosol deposition in a standard induction port and more realistic mouth-throat geometry. J. Aerosol Sci. 39 (7), 572-591 (2008).
  25. Xi, J., et al. Design and Testing of Electric-Guided Delivery of Charged Particles to the Olfactory Region: Experimental and Numerical Studies. Curr. Drug Deliv. 13 (9), 1-15 (2015).
  26. Zhou, Y., Guo, M., Xi, J., Irshad, H., Cheng, Y. -S. Nasal deposition in infants and children. Journal of aerosol medicine and pulmonary drug delivery. 27 (2), 110-116 (2014).
  27. Xi, J., Yuan, J. E., Si, X. A., Hasbany, J. Numerical optimization of targeted delivery of charged nanoparticles to the ostiomeatal complex for treatment of rhinosinusitis. Int. J. Nanomedicine. 10 (7), 4847-4861 (2015).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

111

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены