Name: Author Spotlight: Developing a Disposable Dosator for Preclinical Testing of Dry Powder Inhalers in Small Animal Models
Uploaded: 2023-08-18T14:10:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Developing a Disposable Dosator for Preclinical Testing of Dry Powder Inhalers in Small Animal Models at JoVE.com

De auteurs willen de financiering van de National Institutes of Health (R01AI155922) erkennen. Microscopie werd uitgevoerd in het Chapel Hill Analytical and Nanofabrication Laboratory (CHANL), een lid van het North Carolina Research Triangle Nanotechnology Network, RTNN, dat wordt ondersteund door de National Science Foundation, Grant ECCS-1542015, als onderdeel van de National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, NNCI.

Alle dierproeven zijn uitgevoerd in overeenstemming met de Wet op het dierenwelzijn en het beleid van de GGD inzake humane verzorging en gebruik van proefdieren. Het onderzoeksprotocol werd goedgekeurd door de Institutional Animal Care and Use Committee van het Health Science Center van de Universiteit van Tennessee. Gezonde vrouwelijke BALB/c-muizen, ~6-8 weken oud, kregen het drogepoedergehalte van één doseerder toegediend door intrapulmonale aërosoltoediening voor een farmacokinetisch onderzoek met spectinamide 159...

Customizable Disposable Dosators to Deliver Dry Powder Aerosol Drugs to Mice

<ol>
	<li>Wu, X., Li, X., Mansour, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface+analytical+techniques+in+solid-state+particle+characterization+for+predicting+performance+in+dry+powder+inhalers.">Surface analytical techniques in solid-state particle characterization for predicting performance in dry powder inhalers.</a> KONA Powder and Particle Journal. 28, 3-18 (2010).</li><li>Maloney, S. E., Mecham, J. B., Hickey, A. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Performance+testing+for+dry+powder+inhaler+products:+towards+clinical+relevance.">Performance testing for dry powder inhaler products: towards clinical relevance.</a> KONA Powder and Particle Journal. 40, 172-185 (2023).</li><li>Maloney, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Spray+dried+tigecycline+dry+powder+aerosols+for+the+treatment+of+nontuberculous+mycobacterial+pulmonary+infections.">Spray dried tigecycline dry powder aerosols for the treatment of nontuberculous mycobacterial pulmonary infections.</a> Tuberculosis. 139, 102306 (2023).</li><li>Kaur, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+hand-held+apparatus+for+&amp;#34;nose-only&amp;#34;+exposure+of+mice+to+inhalable+microparticles+as+a+dry+powder+inhalation+targeting+lung+and+airway+macrophages.">A hand-held apparatus for &amp;#34;nose-only&amp;#34; exposure of mice to inhalable microparticles as a dry powder inhalation targeting lung and airway macrophages.</a> European Journal of Pharmaceutical Sciences. 34 (1), 56-65 (2008).</li><li>Yi, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Whole-body+nanoparticle+aerosol+inhalation+exposures.">Whole-body nanoparticle aerosol inhalation exposures.</a> Journal of Visualized Experiments. (75), e50263 (2013).</li><li>Chung, Y. H., Han, J. H., Lee, Y. -. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+study+on+subchronic+inhalation+toxicology+of+1-chloropropane.">A study on subchronic inhalation toxicology of 1-chloropropane.</a> Toxicological Research. 31 (4), 393-402 (2015).</li><li>Kuehl, P. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Regional+particle+size+dependent+deposition+of+inhaled+aerosols+in+rats+and+mice.">Regional particle size dependent deposition of inhaled aerosols in rats and mice.</a> Inhalation Toxicology. 24 (1), 27-35 (2012).</li><li>Manser, M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Design+considerations+for+intratracheal+delivery+devices+to+achieve+proof-of-concept+dry+powder+biopharmaceutical+delivery+in+mice.">Design considerations for intratracheal delivery devices to achieve proof-of-concept dry powder biopharmaceutical delivery in mice.</a> Pharmaceutical Research. 40, 1165-1176 (2023).</li><li>Stewart, I. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+and+characterization+of+a+dry+powder+formulation+for+anti-tuberculosis+drug+spectinamide+1599.">Development and characterization of a dry powder formulation for anti-tuberculosis drug spectinamide 1599.</a> Pharmaceutical Research. 36 (9), 136 (2019).</li><li>Durham, P. G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Disposable+dosators+for+pulmonary+insufflation+of+therapeutic+agents+to+small+animals.">Disposable dosators for pulmonary insufflation of therapeutic agents to small animals.</a> Journal of Visualized Experiments. (121), e55356 (2017).</li><li>Miwata, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intratracheal+administration+of+siRNA+dry+powder+targeting+vascular+endothelial+growth+factor+inhibits+lung+tumor+growth+in+mice.">Intratracheal administration of siRNA dry powder targeting vascular endothelial growth factor inhibits lung tumor growth in mice.</a> Molecular Therapy: Nucleic Acids. 12, 698-706 (2018).</li><li>Duret, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Pharmacokinetic+evaulation+in+mice+of+amorphous+itraconazole-based+dry+powder+formulations+for+inhalation+with+high+bioavailability+and+extended+lung+retention.">Pharmacokinetic evaulation in mice of amorphous itraconazole-based dry powder formulations for inhalation with high bioavailability and extended lung retention.</a> European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 86 (1), 46-54 (2014).</li><li>Maloney, S. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+strategies+of+the+anti-mycobacterial+drug+bedaquiline+for+intrapulmonary+routes+of+administration.">Preparation strategies of the anti-mycobacterial drug bedaquiline for intrapulmonary routes of administration.</a> Pharmaceuticals. 16 (5), 729 (2023).</li><li>Price, D. N., Kunda, N. K., Muttil, P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Challenges+associated+with+the+pulmonary+delivery+of+therapeutic+dry+powders+for+preclinical+testing.">Challenges associated with the pulmonary delivery of therapeutic dry powders for preclinical testing.</a> KONA Powder and Particle Journal. 36, 129-144 (2019).</li><li>Qiu, Y., Liao, Q., Chow, M. Y. T., Lam, J. K. W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Intratracheal+administration+of+dry+powder+formulation+in+mice.">Intratracheal administration of dry powder formulation in mice.</a> Journal of Visualized Experiments. (161), e61469 (2020).</li><li>Fiegel, J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Preparation+and+in+vivo+evaluation+of+a+dry+powder+for+inhalation+of+capreomycin.">Preparation and in vivo evaluation of a dry powder for inhalation of capreomycin.</a> Pharmaceutical Research. 25 (4), 805-811 (2008).</li></ol>

Aangezien muizen obligate neusademhalers zijn, maakt toediening via passieve inhalatie voor eerste proof-of-concept-studies de efficiëntie en dosisschatting een uitdaging, aangezien het poeder de neus en keel moet passeren op een manier die afhankelijk is van de deeltjeseigenschappen en de efficiëntie van de poederdispersie 7,8,14. Het gebruik van de hierin ontwikkelde dosators omzeilt de neus en keel, waarbij de dosa...

Het gebruik van droge poederinhalatoren (DPI's) voor de toediening van geneesmiddelen in de longen heeft de afgelopen drie decennia veel belangstelling gewekt vanwege de wereldwijde uitfasering van drijfgassen met chloorfluorkoolwaterstoffen 1,2. DPI's bieden tal van voordelen ten opzichte van andere pulmonale toedieningssystemen, zoals inhalatoren en vernevelaars met afgemeten dosis, waaronder formuleringsstabiliteit, draagbaarheid, gebruiksgemak en drijfgasvrije verspreidingsmechanismen2. Voordat DPI-producten echter in de richting van klinische vertaling worden gebracht, moeten verschillende preklinische onderzoeken worden uitgevoerd, waarvan er vele in eerste instantie worden voltooid met behulp van een muizenmodel. Niettemin zijn de beschikbare technologieën om droge poeders nauwkeurig en reproduceerbaar aan kleine dieren te leveren beperkt.
Gebruikelijke methoden om droge poeders toe te dienen aan kleine dieren, zoals muizen, zijn passieve inhalatie 3,4,5,6,7 en directe toediening 8,9,10,11,12,13. Passieve inhalatie vereist meestal een aangepaste kamer die grote doses gesproeidroogd poeder gebruikt om een voldoende aerosolwolk te bereiden. Aangezien muizen obligate neusademhalerszijn 14, vereist toediening door passieve inhalatie dat het poeder door de neus en keel reist om de longen te bereiken, waardoor het noodzakelijk is een aërosolwolk in stand te houden met voldoende aërodynamische eigenschappen van de deeltjes 7,8. Hoewel het een nuttige techniek is die fysiologisch relevanter is dan directe toediening als gevolg van inademing als gevolg van normale ademhaling14, is het mogelijk niet geschikt voor initiële onderzoeken waarbij de poedermassa beperkt is.
Als alternatief zijn een aantal intratracheale toedieningsapparaten voor directe toediening van droog poeder gerapporteerd 8,9,10,11,12,13. Intratracheale apparaten omzeilen de neus en keel, waardoor het poeder rechtstreeks in de longen terechtkomt en een fijnere controle over de toegediende dosismogelijk is 14. Bovendien kunnen sommige apparaten, met name apparaten die zijn bereid met behulp van een aanstampingsprocedure9, worden bereid met kleinere hoeveelheden, wat een belangrijke overweging is voor de eerste proof-of-concept-studies. Het gebrek aan universeel verkrijgbare intratracheale toedieningsapparaten heeft hun gebruikspotentieel belemmerd, de beschikbaarheid beperkt en geleid tot verschillen tussen laboratoria14. In deze studie stellen we een eenvoudige, goedkope, wegwerpbare dosator voor intratracheale toediening voor die kan worden gebruikt voor proof-of-concept muizenstudies bij de ontwikkeling van aerosolen met droog poeder.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>0.6 mL microcentrifuge tubes</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>05-408-120</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Analytical balance</td>
			<td>Mettler Toledo</td>
			<td>AR1140</td>
			<td>Any analytical balance with sufficient range can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blunt stainless-steel needle, 1 inch, 21 G</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>75165A681</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blunt stainless-steel needle, 1 inch, 22 G</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>75165A683</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Blunt stainless-steel needle, 1 inch, 25 G</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>75165A687</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Disposable syringe with luer lock (1 mL)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>14-823-30</td>
			<td>3-mL syringes can also be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Female BALB/c mice&#160;</td>
			<td>Charles River, Wilmington, MA, USA</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-performance cascade impactor&#160;</td>
			<td>Next Generation Impactor</td>
			<td>Apparatus 5</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Lab film (e.g., Parafilm)</td>
			<td>Fisher Scientific</td>
			<td>S37440</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low-lint wiper (e.g., Kimwipes)</td>
			<td>Kimberly-Clark Professional</td>
			<td>34133</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Low-resistance dry powder inhaler&#160;</td>
			<td>RS01 mod 7</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polypropylene needle, 1.5 inch, 16 G</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>6934A111</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polypropylene needle, 1.5 inch, 18 G</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>6934A53</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Polypropylene needle, 1.5 inch, 20 G</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>6934A55</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Precision sectioning saw</td>
			<td>TedPella</td>
			<td>812-300</td>
			<td>Belt sander can be used as an alternative</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PTFE needle, 2 inch, 20 G</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>75175A694</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>USP General Chapter &#60;601&#62;&#160;</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td>http://www.uspbpep.com/usp31/v31261/usp31nf26s1_c601.asp</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

disposable dosators intended for dry powder delivery to mice

Droge poederinhalatoren bieden tal van voordelen voor het toedienen van geneesmiddelen aan de longen, waaronder stabiele vastestofformuleringen, draagbaarheid van het apparaat, bolusdosering en -dosering, en een drijfgasvrij verspreidingsmechanisme. Om farmaceutische aërosolproducten met droog poeder te ontwikkelen, zijn robuuste in vivo tests essentieel. Doorgaans omvatten de eerste studies het gebruik van een muizenmodel voor voorlopige evaluatie voordat formele studies worden uitgevoerd bij grotere diersoorten. Een belangrijke beperking in deze aanpak is echter het ontbreken van geschikte apparaattechnologie om droge poeders nauwkeurig en reproduceerbaar aan kleine dieren te leveren, waardoor het nut van dergelijke modellen wordt belemmerd. Om deze uitdagingen het hoofd te bieden, zijn er speciaal voor de intrapulmonale toediening van droge poeders in doses die geschikt zijn voor muizen ontwikkeld. Deze doseerders laden en leveren een vooraf bepaalde hoeveelheid poeder die wordt verkregen uit een uniform poederbed met bulkdichtheid. Deze discrete controle wordt bereikt door een stompe naald op een vaste diepte (aanstampen) in het poederbed te steken, waarbij telkens een vaste hoeveelheid wordt verwijderd. Dit doseringspatroon is met name effectief gebleken voor een reeks gesproeidroogde poeders. In experimenten met vier verschillende modellen gesproeidroogde poeders toonden de dosators aan dat ze in staat waren doses te bereiken tussen 30 en 1100 μg. De bereikte dosis werd beïnvloed door factoren zoals het aantal tamps, de grootte van de dosatornaald en de specifieke formulering die werd gebruikt. Een van de belangrijkste voordelen van deze doseerders is hun productiegemak, waardoor ze toegankelijk en kosteneffectief zijn voor het leveren van droge poeders aan muizen tijdens de eerste proof-of-concept-studies. Het wegwerpkarakter van de doseerders vergemakkelijkt het gebruik in behandelkamers voor dieren, waar het reinigen en bijvullen van herbruikbare systemen en weegmaterialen onhandig is. De ontwikkeling van doseerders voor wegwerpspuiten heeft dus een belangrijke hindernis weggenomen bij de afgifte van droog poeder bij muizen voor proof-of-concept-studies, waardoor onderzoekers nauwkeurigere en reproduceerbare voorstudies kunnen uitvoeren in kleine diermodellen voor de toediening van longgeneesmiddelen.

The use of dry powder inhalers (DPIs) for pulmonary drug delivery has garnered significant interest over the past three decades due to the global phase-out of chlorofluorocarbon propellants1,2. DPIs offer numerous benefits over other pulmonary delivery systems, such as metered dose inhalers and nebulizers, including formulation stability, portability, ease of use, and propellant-free dispersal mechanisms2. However, before moving DPI products toward clinical translation, several preclinical studies must be conducted, many of which are initially completed using a murine model. Nevertheless, technologies available to deliver dry powders accurately and reproducibly to small animals are limited.
Common methods to deliver dry powders to small animals, such as mice, include passive inhalation3,4,5,6,7 and direct administration8,9,10,11,12,13. Passive inhalation typically requires a custom chamber that utilizes large doses of spray-dried powder to prepare a sufficient aerosol cloud. As mice are obligate nose breathers14, delivery by passive inhalation requires the powder to travel through the nose and throat to reach the lungs, necessitating the maintenance of an aerosol cloud with sufficient particle aerodynamic properties7,8. While a useful technique that is more physiologically relevant than direct delivery due to inhalation as a result of normal breathing14, it may not be suitable for initial studies where powder mass is limited.
Alternatively, a number of intratracheal delivery devices for direct dry powder delivery have been reported8,9,10,11,12,13. Intratracheal devices bypass the nose and throat, delivering the powder directly to the lungs and allowing for finer control over the delivered dose14. Additionally, some devices, especially those prepared using a tamping loading procedure9, can be prepared with smaller quantities, which is an important consideration for initial proof-of-concept studies. The lack of universally available intratracheal delivery devices has hindered their potential for use, limiting availability and leading to interlaboratory differences14. In this study, we propose a simple, inexpensive, disposable dosator for intratracheal delivery that can be utilized for proof-of-concept murine studies in the development of dry powder aerosols.

Author Spotlight: Developing a Disposable Dosator for Preclinical Testing of Dry Powder Inhalers in Small Animal Models 

Wegwerpdoseerders bedoeld voor de toediening van droog poeder aan muizen

De aërosolprestaties van verschillende gesproeidroogde poeders werden voorafgaand aan gebruik in dit onderzoek vastgesteld. De aerodynamische deeltjesgrootteverdeling (APSD) werd beschreven door de massamediane aerodynamische diameter (MMAD), die de grootte vertegenwoordigt die de verdeling in tweeën deelt bij het 50epercentiel (d50), en de geometrische standaarddeviatie (GSD), die de breedte van de verdeling weergeeft. De GSD wordt gedefinieerd door de vierkantswortel van de aerodynamische diamet...

Watch this Scientific Journal Video about Developing a Disposable Dosator for Preclinical Testing of Dry Powder Inhalers in Small Animal Models at JoVE.com

De ontwikkeling van farmaceutisch droog poeder vereist betrouwbare in vivo testen, vaak met behulp van een muizenmodel. Apparaattechnologie voor het nauwkeurig en reproduceerbaar toedienen van aerosolen met droog poeder aan muizen is beperkt. Deze studie presenteert wegwerpdosators voor pulmonale medicijnafgifte in muisrelevante doses, wat helpt bij het eerste proof-of-concept-onderzoek.

Dry powder inhalers offer numerous advantages for delivering drugs to the lungs, including stable solid-state drug formulations, device portability, bolus ...

We ontwikkelen nieuwe en bestaande geneesmiddelen voor inhalatietherapie van mycobacteriële ziekten. Onze focus ligt op een nieuwe benadering voor de behandeling van resistente organismen, waarbij de veiligheid en werkzaamheid met behulp van droge poeders worden gegarandeerd. De eerste preklinische tests van inhalatorproducten met droog poeder vinden meestal plaats in een muizenmodel voordat wordt overgestapt op een groter diermodel.Een belangrijke beperking van deze aanpak is het ontbreken van geschikte apparaattechnologie voor nauwkeurige en reproduceerbare levering van droge poeders aan kleine dieren. De wegwerpdoseerders die we hebben ontwikkeld, zijn eenvoudig te produceren, waardoor ze toegankelijk en kosteneffectief zijn voor de eerste proof-of-concept-studies bij muizen. Het wegwerpkarakter maakt het gebruik ervan in behandelkamers voor dieren mogelijk zonder dat u zich zorgen hoeft te maken over het reinigen, bijvullen en wegen van materialen voor herbruikbare apparaten.Ons toekomstige werk zal gebruik maken van biotherapeutische groepen die gericht zijn op de ziekteverwekker en die effecten op de gastheer zullen voorkomen. Deze aanpak kan dan worden afgestemd op de patiënt omdat deze specifiek is voor ziekteverwekkers.