Name: Author Spotlight: Developing a Disposable Dosator for Preclinical Testing of Dry Powder Inhalers in Small Animal Models
Uploaded: 2023-08-18T14:10:00
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Die Autoren bedanken sich bei der Finanzierung durch die National Institutes of Health (R01AI155922). Die Mikroskopie wurde am Chapel Hill Analytical and Nanofabrication Laboratory (CHANL) durchgeführt, einem Mitglied des North Carolina Research Triangle Nanotechnology Network, RTNN, das von der National Science Foundation, Grant ECCS-1542015, als Teil der National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, NNCI, unterstützt wird.

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 ...

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>

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...

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 Partikelerforderlich 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.

<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

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.

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 

Einweg-Dosierer für die Verabreichung von Trockenpulver an Mäuse

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...

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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.

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

Wir entwickeln neue und bestehende Medikamente für die inhalative Therapie von mykobakteriellen Erkrankungen. Unser Fokus liegt auf einem neuartigen Ansatz zur Behandlung arzneimittelresistenter Organismen, der die Sicherheit und Wirksamkeit von Trockenpulvern gewährleistet. Die ersten präklinischen Tests von Trockenpulver-Inhalatoren finden in der Regel in einem Mausmodell statt, bevor sie in ein größeres Tiermodell überführt werden.Eine wesentliche Einschränkung dieses Ansatzes ist das Fehlen geeigneter Gerätetechnologie für die genaue und reproduzierbare Abgabe von Trockenpulvern an Kleintiere. Die von uns entwickelten Einweg-Dosierer sind einfach herzustellen und damit für erste Proof-of-Concept-Studien an Mäusen zugänglich und kostengünstig. Die Einwegbeschaffenheit ermöglicht den Einsatz in Behandlungsräumen für Tiere, ohne dass man sich Gedanken über die Reinigung, das Nachfüllen und das Wiegen von Materialien für wiederverwendbare Geräte machen muss.In unserer zukünftigen Arbeit werden wir biotherapeutische Einheiten einsetzen, die auf den Erreger abzielen und jegliche Auswirkungen auf den Wirt vermeiden. Dieser Ansatz kann dann auf den Patienten zugeschnitten werden, da er erregerspezifisch ist.