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

Авторы выражают признательность за финансирование со стороны Национальных институтов здравоохранения (R01AI155922). Микроскопия была проведена в Аналитической и нанопроизводственной лаборатории Чапел-Хилл (CHANL), входящей в Сеть нанотехнологий Исследовательского треугольника Северной Каролины (North Carolina Research Triangle Nanotechnology Nanotechnology Network, RTNN), которая поддерживается Национальным научным фондом, грант ECCS-1542015, в рамках Национальной координационной инфраструктуры нанотехнологий (National Nanotechnology Coordinated Infrastructure, NNCI).

Все эксперименты на животных проводились в соответствии с Законом о благополучии животных и Политикой общественного здравоохранения по гуманному уходу за лабораторными животными и их использованию. Протокол исследования был одобрен Комитетом по уходу за животными и их использовани?...

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>

Поскольку мыши являются облигатными носовыми дышащими, доставка через пассивный ингаляционный метод для первоначальных исследований с подтверждением концепции затрудняет оценку эффективности и дозы, поскольку порошок должен проходить через нос и горло в зависимости от свойств...

Использование ингаляторов с сухим порошком (DPI) для доставки легочных лекарств привлекло значительный интерес за последние три десятилетия в связи с глобальным отказом от хлорфторуглеродных пропеллентов 1,2. DPI обладают многочисленными преимуществами по сравнению с другими системами доставки легких, такими как дозированные ингаляторы и небулайзеры, включая стабильность рецептуры, портативность, простоту использованияи механизмы диспергирования без использования 2. Однако, прежде чем перейти к клиническому переводу продуктов DPI, необходимо провести несколько доклинических исследований, многие из которых первоначально завершаются с использованием мышиной модели. Тем не менее, доступные технологии точной и воспроизводимой доставки сухих порошков мелким животным ограничены.
Распространенные методы доставки сухих порошков мелким животным, таким как мыши, включают пассивную ингаляцию 3,4,5,6,7 и прямое введение 8,9,10,11,12,13. Для пассивной ингаляции обычно требуется специальная камера, в которой используются большие дозы распыляемого порошка для приготовления достаточного аэрозольного облака. Поскольку мыши являются облигатными носовыми дышащими14, для доставки путем пассивного вдыхания необходимо, чтобы порошок прошел через нос и горло, чтобы достичь легких, что требует поддержания аэрозольного облака с достаточными аэродинамическими свойствамичастиц 7,8. Несмотря на то, что это полезный метод, который более физиологически актуален, чем прямая доставка из-за ингаляции в результате нормального дыхания14, он может не подходить для первоначальных исследований, где масса порошка ограничена.
В качестве альтернативы сообщалось о ряде интратрахеальных устройств для прямой доставки сухого порошка 8,9,10,11,12,13. Интратрахеальные устройства обходят нос и горло, доставляя порошок непосредственно в легкие и позволяя более точно контролировать доставляемую дозу14. Кроме того, некоторые устройства, особенно те, которые подготовлены с использованием процедуры подбивочной загрузки9, могут быть приготовлены в меньших количествах, что является важным фактором для первоначальных экспериментальных исследований. Отсутствие общедоступных устройств для интратрахеального введения ограничивает их потенциал использования, ограничивая их доступность и приводя к межлабораторным различиям14. В этом исследовании мы предлагаем простой, недорогой, одноразовый дозатор для интратрахеальной доставки, который может быть использован для экспериментальных исследований на мышах при разработке аэрозолей сухого порошка.

<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

Ингаляторы с сухим порошком обладают многочисленными преимуществами для доставки лекарств в легкие, включая стабильные твердофазные лекарственные формы, портативность устройства, дозирование и дозирование болюса, а также механизм диспергирования без пропеллента. Для разработки фармацевтических сухих порошковых аэрозольных продуктов необходимы надежные испытания in vivo . Как правило, первоначальные исследования включают в себя использование мышиной модели для предварительной оценки перед проведением формальных исследований на более крупных видах животных. Однако существенным ограничением в этом подходе является отсутствие подходящей технологии устройства для точной и воспроизводимой доставки сухих порошков мелким животным, что затрудняет использование таких моделей. Для решения этих проблем были разработаны одноразовые шприцевые дозаторы для внутрилегочного введения сухих порошков в дозах, подходящих для мышей. Эти дозаторы загружают и подают заданное количество порошка, полученного из однородного слоя порошка насыпной плотности. Это дискретное управление достигается путем введения тупой иглы на фиксированную глубину (трамбовка) в слой порошка, каждый раз удаляя фиксированное количество. Примечательно, что такая схема дозирования доказала свою эффективность для целого ряда порошков, высушенных распылением. В экспериментах с использованием четырех различных моделей порошков, высушенных распылением, дозаторы продемонстрировали способность достигать доз в диапазоне от 30 до 1100 мкг. На достигнутую дозу влияли такие факторы, как количество тампонов, размер иглы дозатора и конкретная используемая рецептура. Одним из ключевых преимуществ этих дозаторов является простота изготовления, что делает их доступными и экономичными для доставки сухих порошков мышам во время первоначальных экспериментальных исследований. Одноразовый характер дозаторов облегчает их использование в процедурных кабинетах для животных, где неудобно чистить и заправлять многоразовые системы и взвешивать материалы. Таким образом, разработка одноразовых шприцев-дозаторов устранила значительное препятствие в доставке сухого порошка мышей для экспериментальных исследований, что позволило исследователям проводить более точные и воспроизводимые предварительные исследования на моделях мелких животных для легочной доставки лекарств.

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 

Одноразовые дозаторы, предназначенные для доставки сухого порошка мышам

Аэрозольные характеристики различных порошков, высушенных распылением, были установлены до их использования в данном исследовании. Аэродинамическое распределение частиц по размерам (APSD) описывалось массовым медианным аэродинамическим диаметром (MMAD), представляющим собой размер, кот...

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

Разработка фармацевтического сухого порошка требует надежных испытаний in vivo , часто с использованием мышиной модели. Технология устройства для точной и воспроизводимой доставки сухих порошковых аэрозолей мышам ограничена. В этом исследовании представлены одноразовые дозаторы для доставки легочных лекарств в дозах, соответствующих мышам, что помогает в первоначальном исследовании проверки концепции.

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

Мы разрабатываем новые и существующие препараты для ингаляционной терапии микобактериальных заболеваний. Наше внимание сосредоточено на новом подходе к лечению лекарственно-устойчивых организмов, обеспечивающем безопасность и эффективность использования сухих порошков. Первоначальные доклинические испытания ингаляторов с сухим порошком обычно проводятся на мышиной модели, а затем переходят к более крупной животной модели.Существенным ограничением такого подхода является отсутствие подходящей технологии устройства для точной и воспроизводимой доставки сухих порошков мелким животным. Одноразовые дозаторы, которые мы разработали, просты в изготовлении, что делает их доступными и экономичными для первоначальных экспериментальных исследований на мышах. Одноразовый характер позволяет использовать их в процедурных кабинетах для животных, не беспокоясь об очистке, наполнении и взвешивании материалов для многоразовых устройств.В нашей будущей работе будут использоваться биотерапевтические фрагменты, нацеленные на патоген, которые позволят избежать какого-либо воздействия на хозяина. Этот подход может быть адаптирован к пациенту, поскольку он специфичен для конкретного патогена.