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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Os autores agradecem o financiamento do National Institutes of Health (R01AI155922). A microscopia foi realizada no Chapel Hill Analytical and Nanofabrication Laboratory (CHANL), membro da North Carolina Research Triangle Nanotechnology Network, RTNN, que é apoiada pela National Science Foundation, Grant ECCS-1542015, como parte da National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, NNCI.

Todos os experimentos com animais foram conduzidos de acordo com a Lei de Bem-Estar Animal e a Política de Serviços de Saúde Pública sobre Cuidados Humanizados e Uso de Animais de Laboratório. O protocolo do estudo foi aprovado pelo Comitê Institucional de Cuidados e Uso de Animais do Centro de Ciências da Saúde da Universidade do Tennessee. Camundongos BALB/c fêmeas saudáveis, ~6-8 semanas de idade, receberam o conteúdo de pó seco de um dosador por aerossol intrapulmonar para um estudo farmacocinético usand...

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>

Como camundongos são respiradores nasais obrigatórios, a administração via inalação passiva para estudos iniciais de prova de conceito torna a eficiência e a estimativa da dose desafiadoras, pois o pó deve passar pelo nariz e garganta de forma dependente das propriedades das partículas e da eficiência de dispersão do pó 7,8,14. O uso dos dosadores aqui desenvolvidos contorna o nariz e a garganta, com o dosad...

O uso de inaladores de pó seco (IPS) para liberação pulmonar de fármacos tem despertado interesse significativo nas últimas três décadas devido à eliminação global dos propelentes clorofluorcarbono 1,2. As IPPs oferecem inúmeros benefícios em relação a outros sistemas de liberação pulmonar, como inaladores dosimetrados e nebulizadores, incluindo estabilidade da formulação, portabilidade, facilidade de uso e mecanismos de dispersão sem propelente2. No entanto, antes de mover os produtos de DPI para a tradução clínica, vários estudos pré-clínicos devem ser conduzidos, muitos dos quais são inicialmente concluídos usando um modelo murino. No entanto, as tecnologias disponíveis para fornecer pós secos de forma precisa e reprodutível a pequenos animais são limitadas.
Métodos comuns para administração de pós secos a pequenos animais, como camundongos, incluem inalação passiva 3,4,5,6,7 e administração direta 8,9,10,11,12,13. A inalação passiva normalmente requer uma câmara personalizada que utiliza grandes doses de pó seco por pulverização para preparar uma nuvem de aerossol suficiente. Como camundongos são respiradores nasais obrigatórios14, a administração por inalação passiva requer que o pó percorra o nariz e a garganta para chegar aos pulmões, sendo necessária a manutenção de uma nuvem de aerossol com propriedades aerodinâmicas de partículas suficientes 7,8. Embora seja uma técnica útil e fisiologicamente mais relevante do que a administração direta devido à inalação como resultado da respiração normal14, ela pode não ser adequada para estudos iniciais em que a massa de pó é limitada.
Alternativamente, vários dispositivos de entrega intratraqueal para entrega direta de pó seco têm sido relatados 8,9,10,11,12,13. Os dispositivos intratraqueais contornam o nariz e a garganta, entregando o pó diretamente aos pulmões e permitindo um controle mais fino sobre a dose administrada14. Além disso, alguns dispositivos, especialmente aqueles preparados usando um procedimento de tamping loading9, podem ser preparados com quantidades menores, o que é uma consideração importante para estudos iniciais de prova de conceito. A falta de dispositivos de liberação intratraqueal universalmente disponíveis tem dificultado seu potencial de uso, limitando a disponibilidade e levando a diferenças interlaboratoriais14. Neste estudo, propomos um dosador simples, barato e descartável para entrega intratraqueal que pode ser utilizado para estudos murinos de prova de conceito no desenvolvimento de aerossóis de pó seco.

<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

Os inaladores de pó seco oferecem inúmeras vantagens para a entrega de medicamentos aos pulmões, incluindo formulações estáveis de medicamentos em estado sólido, portabilidade do dispositivo, dosagem e dosagem em bolus e um mecanismo de dispersão livre de propelentes. Para desenvolver produtos farmacêuticos de aerossol em pó seco, testes robustos in vivo são essenciais. Normalmente, os estudos iniciais envolvem o uso de um modelo murino para avaliação preliminar antes da realização de estudos formais em espécies animais maiores. No entanto, uma limitação significativa nessa abordagem é a falta de tecnologia adequada para fornecer pós secos de forma precisa e reprodutível a pequenos animais, dificultando a utilidade desses modelos. Para enfrentar esses desafios, dosadores de seringas descartáveis foram desenvolvidos especificamente para administração intrapulmonar de pós secos em doses apropriadas para camundongos. Estes dosadores carregam e fornecem uma quantidade pré-determinada de pó obtido a partir de um leito de pó de densidade aparente uniforme. Esse controle discreto é obtido inserindo-se uma agulha romba a uma profundidade fixa (tamping) no leito de pó, retirando-se uma quantidade fixa a cada vez. Notavelmente, este padrão de dosagem provou ser eficaz para uma gama de pós secos por pulverização. Em experimentos envolvendo quatro diferentes modelos de pós secos por pulverização, os dosadores demonstraram a capacidade de atingir doses dentro da faixa de 30 a 1100 μg. A dose atingida foi influenciada por fatores como o número de tamponamentos, o tamanho da agulha dosadora e a formulação específica utilizada. Um dos principais benefícios desses dosadores é sua facilidade de fabricação, tornando-os acessíveis e econômicos para a entrega de pós secos a camundongos durante estudos iniciais de prova de conceito. A natureza descartável dos dosadores facilita o uso em salas de procedimentos de animais, onde a limpeza e recarga de sistemas reutilizáveis e materiais de pesagem é inconveniente. Assim, o desenvolvimento de dosadores de seringas descartáveis abordou um obstáculo significativo na entrega de pó seco murino para estudos de prova de conceito, permitindo que os pesquisadores conduzissem estudos preliminares mais precisos e reprodutíveis em modelos animais pequenos para liberação pulmonar de drogas.

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.

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Dosadores descartáveis destinados à entrega de pó seco a ratos

O desempenho do aerossol de vários pós secos por pulverização foi estabelecido antes do uso neste estudo. A distribuição aerodinâmica granulométrica (APSD) foi descrita pelo diâmetro aerodinâmico mediano de massa (MMAD), representando o tamanho que divide a distribuição em doisno percentil 50 (d50), e o desvio padrão geométrico (GSD), refletindo a amplitude da distribuição. A GSD é definida pela raiz quadrada do diâmetro aerodinâmico no percentil 80 dividido pela raiz quadrada do ...

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O desenvolvimento farmacêutico de pó seco requer testes in vivo confiáveis, muitas vezes usando um modelo murino. A tecnologia do dispositivo para fornecer aerossóis de pó seco com precisão e reprodutibilidade para camundongos é restrita. Este estudo apresenta dosadores descartáveis para liberação de drogas pulmonares em doses relevantes para camundongos, auxiliando na pesquisa inicial de prova de conceito.

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

Estamos desenvolvendo medicamentos novos e existentes para terapia inalatória de doenças micobacterianas. Nosso foco está em uma nova abordagem para tratar organismos resistentes a medicamentos, garantindo segurança e eficácia usando pós secos. O teste pré-clínico inicial de produtos inaladores de pó seco normalmente ocorre em um modelo murino antes da mudança para um modelo animal maior.Uma limitação significativa dessa abordagem é a falta de tecnologia adequada para a entrega precisa e reprodutível de pós secos para pequenos animais. Os dosadores descartáveis que desenvolvemos são fáceis de fabricar, tornando-os acessíveis e econômicos para estudos iniciais de prova de conceito em camundongos. A natureza descartável permite seu uso em salas de procedimentos de animais sem preocupações com limpeza, recarga e pesagem de materiais para dispositivos reutilizáveis.Nosso trabalho futuro empregará metades bioterapêuticas direcionadas ao patógeno que evitarão quaisquer efeitos sobre o hospedeiro. Essa abordagem, então, pode ser adaptada ao paciente porque é específica do patógeno.