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

המחברים מבקשים להכיר במימון מהמכונים הלאומיים לבריאות (R01AI155922). מיקרוסקופיה בוצעה במעבדה האנליטית והננו-פבריקציה של צ'אפל היל (CHANL), חברה ברשת הננוטכנולוגיה של משולש המחקר של צפון קרוליינה, RTNN, הנתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע, Grant ECCS-1542015, כחלק מהתשתית הלאומית לננוטכנולוגיה מתואמת, NNCI.

כל הניסויים בבעלי חיים נערכו בהתאם לחוק צער בעלי חיים ולמדיניות שירותי בריאות הציבור בנושא טיפול הומני ושימוש בחיות מעבדה. פרוטוקול המחקר אושר על ידי הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים של המרכז למדעי הבריאות באוניברסיטת טנסי. נקבות בריאות של עכברי BALB/c, ~ 6-8 שבועות, קיבלו את תכולת האבק...

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>

מכיוון שעכברים מחויבים לנשום אף, העברה באמצעות שאיפה פסיבית למחקרי הוכחת היתכנות ראשוניים הופכת את היעילות והערכת המינון למאתגרת מכיוון שהאבקה חייבת לעבור את האף והגרון באופן התלוי בתכונות החלקיקים וביעילות פיזור האבקה 7,8,14. השימו?...

השימוש במשאפים אבקה יבשה (DPIs) למתן תרופות ריאה זכה להתעניינות משמעותית בשלושת העשורים האחרונים עקב הפסקת השימוש העולמי בדלקי כלורופלואורופחמן 1,2. DPIs מציעים יתרונות רבים על פני מערכות העברת ריאות אחרות, כגון משאפים במינון מדוד ונבולייזרים, כולל יציבות פורמולציה, ניידות, קלות שימוש ומנגנוני פיזור ללא דלק2. עם זאת, לפני העברת מוצרי DPI לתרגום קליני, יש לבצע מספר מחקרים פרה-קליניים, שרבים מהם הושלמו בתחילה באמצעות מודל מורין. עם זאת, הטכנולוגיות הזמינות להעברת אבקות יבשות באופן מדויק ומשכפל לבעלי חיים קטנים מוגבלות.
שיטות נפוצות להעברת אבקות יבשות לבעלי חיים קטנים, כגון עכברים, כוללות שאיפה פסיבית 3,4,5,6,7 ומתן ישיר 8,9,10,11,12,13. שאיפה פסיבית דורשת בדרך כלל תא מותאם אישית המשתמש במינונים גדולים של אבקה מיובשת בריסוס כדי להכין ענן תרסיס מספיק. מכיוון שעכברים חייבים לנשום אף14, העברה בשאיפה פסיבית דורשת מהאבקה לעבור דרך האף והגרון כדי להגיע לריאות, מה שמחייב שמירה על ענן אירוסול בעל תכונות אווירודינמיות מספיקות של חלקיקים 7,8. בעוד טכניקה שימושית כי הוא רלוונטי יותר מבחינה פיזיולוגית מאשר משלוח ישיר עקב שאיפה כתוצאה של נשימה נורמלית14, זה לא יכול להיות מתאים למחקרים ראשוניים שבהם מסת אבקה מוגבלת.
לחלופין, דווח על מספר מכשירי מסירה תוך טרכיאליים למשלוח ישיר של אבקה יבשה 8,9,10,11,12,13. התקנים תוך טרכיאליים עוקפים את האף והגרון, מעבירים את האבקה ישירות לריאות ומאפשרים שליטה עדינה יותר על המינון המועבר14. בנוסף, מכשירים מסוימים, במיוחד אלה שהוכנו באמצעות הליך טעינת טמפינג9, יכולים להיות מוכנים עם כמויות קטנות יותר, וזה שיקול חשוב למחקרי הוכחת היתכנות ראשוניים. המחסור במכשירי העברה תוך-טרכיאליים זמינים באופן אוניברסלי פגע בפוטנציאל השימוש שלהם, הגביל את זמינותם והוביל להבדלים בין-מעבדתיים14. במחקר זה, אנו מציעים מינון פשוט, זול וחד פעמי להעברה תוך טרכאלית שניתן להשתמש בו למחקרי הוכחת היתכנות בפיתוח אירוסולים של אבקה יבשה.

<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

משאפים אבקה יבשה מציעים יתרונות רבים להעברת תרופות לריאות, כולל פורמולציות יציבות של תרופות מצב מוצק, ניידות מכשירים, מדידה ומינון בולוס, ומנגנון פיזור ללא דלק. כדי לפתח מוצרי תרסיס אבקה יבשה פרמצבטיים, בדיקות in vivo חזקות הן חיוניות. בדרך כלל, מחקרים ראשוניים כוללים שימוש במודל מורין להערכה ראשונית לפני ביצוע מחקרים רשמיים במינים גדולים יותר של בעלי חיים. עם זאת, מגבלה משמעותית בגישה זו היא היעדר טכנולוגיית מכשיר מתאימה כדי לספק אבקות יבשות באופן מדויק ומשכפל לבעלי חיים קטנים, מה שפוגע בתועלת של דגמים כאלה. כדי להתמודד עם אתגרים אלה, פותחו במיוחד מזרקים חד-פעמיים להעברה תוך-ריאתית של אבקות יבשות במינונים המתאימים לעכברים. מינונים אלה מעמיסים ומספקים כמות קבועה מראש של אבקה המתקבלת ממצע אבקה אחיד בצפיפות תפזורת. שליטה דיסקרטית זו מושגת על ידי החדרת מחט קהה לעומק קבוע (טמפינג) לתוך מיטת האבקה, הסרת כמות קבועה בכל פעם. יש לציין כי דפוס מינון זה הוכח כיעיל עבור מגוון אבקות מיובשות בתרסיס. בניסויים שכללו ארבעה דגמים שונים של אבקות מיובשות בריסוס, המינונים הדגימו את היכולת להשיג מינונים בטווח של 30 עד 1100 מיקרוגרם. המינון שהושג הושפע מגורמים כגון מספר החותמות, גודל מחט המינון והנוסחה הספציפית בה נעשה שימוש. אחד היתרונות העיקריים של מינונים אלה הוא קלות הייצור שלהם, מה שהופך אותם לנגישים וחסכוניים לאספקת אבקות יבשות לעכברים במהלך מחקרי הוכחת היתכנות ראשוניים. האופי החד פעמי של המינונים מאפשר שימוש בחדרי פרוצדורות לבעלי חיים, שבהם ניקוי ומילוי מחדש של מערכות רב פעמיות וחומרי שקילה אינו נוח. לפיכך, פיתוח מינונים חד פעמיים של מזרקים טיפל במכשול משמעותי באספקת אבקה יבשה מורין למחקרי הוכחת היתכנות, ואיפשר לחוקרים לבצע מחקרים ראשוניים מדויקים יותר וניתנים לשחזור במודלים של בעלי חיים קטנים למתן תרופות ריאתיות.

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 

מינונים חד פעמיים המיועדים למשלוח אבקה יבשה לעכברים

ביצועי התרסיס של אבקות שונות המיובשות בתרסיס נקבעו לפני השימוש במחקר זה. התפלגות גודל החלקיקים האווירודינמית (APSD) תוארה על ידי הקוטר האווירודינמי החציוני של המסה (MMAD), המייצג את הגודל המחלק את ההתפלגות לשנייםבאחוזון 50 (d50), וסטיית התקן הגיאומטרית (GSD), המשקפת את רוחב ההתפלגות. GSD מ...

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

פיתוח אבקה יבשה פרמצבטית דורש בדיקות אמינות in vivo , לעתים קרובות באמצעות מודל מורין. טכנולוגיית המכשיר לאספקה מדויקת וניתנת לשחזור של תרסיסי אבקה יבשה לעכברים מוגבלת. מחקר זה מציג מינונים חד פעמיים להעברת תרופות ריאתי במינונים הרלוונטיים לעכברים, ומסייע למחקר הוכחת היתכנות ראשוני.

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

אנחנו מפתחים תרופות חדשות וקיימות לטיפול באינהלציה של מחלה מיקובקטריאלית. אנו מתמקדים בגישה חדשנית לטיפול באורגניזמים עמידים לתרופות, המבטיחה בטיחות ויעילות באמצעות אבקות יבשות. הבדיקות הפרה-קליניות הראשוניות של מוצרי משאף אבקה יבשה מתרחשות בדרך כלל במודל מורין לפני המעבר למודל גדול יותר של בעלי חיים.מגבלה משמעותית לגישה זו היא היעדר טכנולוגיית מכשיר מתאימה לאספקה מדויקת וניתנת לשחזור של אבקות יבשות לבעלי חיים קטנים. המינונים החד פעמיים שפיתחנו קלים לייצור, מה שהופך אותם לנגישים וחסכוניים למחקרי הוכחת היתכנות ראשוניים בעכברים. האופי החד פעמי מאפשר שימוש בהם בחדרי פרוצדורות לבעלי חיים ללא חשש לניקוי, מילוי מחדש ושקילת חומרים למכשירים רב פעמיים.העבודה העתידית שלנו תעסיק מוטיבים ביותרפיים הממוקדים בפתוגן שימנעו השפעות על הפונדקאי. גישה זו יכולה להיות מותאמת למטופל מכיוון שהיא ספציפית לפתוגן.