Name: evaluating regional pulmonary deposition using patient-specific 3d printed lung models
Uploaded: 2020-11-11T13:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 56 s
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Os autores agradecem ao Professor Yu Feng, Dr. Jenna Briddell, Ian Woodward e Lucas Attia por suas discussões úteis.

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Os autores não têm nada a revelar.

O dispositivo de última geração atual para testes farmacêuticos pulmonares de uma dose completa de inalação é o Next Generator Impactor (NGI), que mede o diâmetro aerodinâmico de um aerossol4. Esses dados de dimensionamento são então usados para prever a geração pulmonar na qual o aerossol será depositado com base em uma correlação desenvolvida para um homem adulto saudável11. Infelizmente, este método é limitado em sua capacidade de avaliar diferenças na deposição pulmonar regional, determinar os efeitos das condições da doença no parto farmacêutico e prever perfis de depoimento para várias faixas etárias, raças e gêneros12,13,14. O protocolo aqui delineado tem a capacidade de atender a essas necessidades de teste, permitindo que os pesquisadores gerem modelos pulmonares anatomicamente precisos com a capacidade de quantificar a deposição relativa no nível do lóbulo, com base no comportamento de fluxo de fluidos previamente demonstrado nos modelos computacionais3,5,15. Utilizando este método, a dosagem e o parto farmacêutico podem ser melhor avaliados para geometrias pulmonares pediátricas e doentes antes de entrar em ensaios clínicos.
Como mostrado nas Figuras 4 e Figura 5,a deposição no nível do lobo pode ser medida com precisão e rapidez para aerossóis de inalação direcionados e não-direcionados. Na ausência de um dispositivo de destino, partículas nesta faixa de tamanho (1-5 μm) e condições de fluxo (1-10 L/min) seguem as aerodinâmicas do fluido e o perfil total de fluxo de ar desviado para cada lobo(Figura 4). Notavelmente, vários dispositivos inalador e acessórios de tubo ET podem ser desenvolvidos para concentrar medicamentos inalados em locais controlados do lobo. Como descrito em nosso trabalho recente e em outros, muitas características do dispositivo inalador, perfil de fluxo e geometria das vias aéreas contribuem para o comportamento de deposição direcionado2,3,9,16. Em geral, a segmentação regional eficiente, como demonstrado por nossos modelos in vitro únicos, requer uma distribuição estreita do tamanho do aerossol e baixas taxas de fluxo de inalação para evitar turbulências nas vias aéreas especificamente encontradas dentro da traqueia. A inclusão das vias aéreas superiores completas dentro do nosso modelo in vitro permite a recriação precisa desses padrões de fluxo de ar que são conhecidos por influenciar a distribuição a jusante do nível dolobo 9. Por causa desses fluxos complexos, o trabalho recente demonstrou aumento da segmentação abaixo do glottis9. Nossos resultados na Figura 5 destacam especificamente o benefício do uso de um adaptador de tubo ET para atingir regionalmente lóbulos individuais de liberação abaixo do glottis, com direcionamento eficiente específico do lobo mostrado para lóbulos dos pulmões direito e esquerdo em eficiências que variam entre 62-74% da dose total. Isso representa um aumento em relação à eficiência regional de liberação bucal relatada anteriormente e é um importante caminho para a implementação clínica desta abordagem9. É importante ressaltar que o protocolo permite medições experimentais de distribuição de lobos de uma dose farmacêutica completa de uma ampla gama de potenciais dispositivos de mira regionais além dos demonstrados aqui.
Com apenas uma tomografia computadorizada, um modelo pulmonar específico do paciente pode ser rapidamente impresso em 3D para testar um potencial método de entrega terapêutica. Este protocolo não apenas fornecerá uma abordagem experimental em escala de laboratório para apoiar o design de novos dispositivos inalador, mas também criará oportunidade para dispositivos de inalação personalizados sob demanda na prática clínica. A resina dura usada neste protocolo custa ~$0,12/mL; portanto, hospitais com infraestrutura de impressão 3D existente poderiam imprimir um modelo pulmonar por apenas US $ 15 em materiais17 e montar uma via aérea personalizada em menos de um dia. Notavelmente, os tempos de impressão e os custos materiais na fabricação aditiva continuam a diminuir rapidamente, aumentando a viabilidade geral dessa abordagem. Nossa configuração experimental pode ser facilmente modificada para refletir uma série de condições de fluxo de ar através da utilização de um modelo pulmonar diferente ou configuração de distribuição de fluxo de ar, seguindo a validação experimental mostrada na Figura 4. As diferenças nos perfis de fluxo pulmonar e geometrias devido a características como idade, raça e sexo são bem documentadas na literatura e podem ser prontamente incorporadas em nossa abordagem de modelagem18,19,20. Especificamente, variações geométricas na laringe, faringe e traqueia dos modelos pulmonares podem ter um impacto significativo no fluxo de ar e nos subsequentes padrões regionais de deposição15,21,22, que este protocolo está bem equipado para detectar. Assim, espera-se que a incorporação dessa abordagem de modelagem personalizada tenha impacto significativo no desenvolvimento de terapêuticas personalizadas de inalação.
Aqui, as taxas de fluxo de lobos foram alteradas para refletir as de um estado de doença da DPOC caracterizado pela diminuição do fluxo de ar para os lobos inferiores(Figura 4B),mas as tomografias de DPOC derivadas do paciente também poderiam ser utilizadas para imitar com mais precisão a arquitetura pulmonar doente e possíveis obstruções23. Com uma biblioteca de modelos pulmonares do paciente e perfis de fluxo, os efeitos da progressão da doença na eficiência do parto podem ser investigados. Há uma ampla gama de varreduras de código aberto disponíveis de organizações, como os Institutos Nacionais de Saúde (NIH) e o Cancer Imaging Archive (TCIA)24. Embora esses modelos atualmente só possam replicar a geometria do paciente até a segunda ou terceira geração para medir adequadamente a distribuição do nível do lobo, o trabalho está em andamento para desenvolver modificações que podem incorporar as vias aéreas inferiores para análises mais detalhadas. Este protocolo também pode incorporar dispositivos de entrega de medicamentos clinicamente relevantes, como um tubo ET, como retratado na Figura 5B. Os pesquisadores podem avaliar vários dispositivos de entrega para revelar características que podem aumentar ou diminuir a eficiência do tratamento. Por exemplo, a eficácia do alvo é reduzida quando tentada no modelo pulmonar completo em oposição ao modelo pulmonar entubado(Figura 5). Essa diferença indica que contornar a região glotal evita áreas de mistura turbulenta que diminuem a capacidade de mira.
Este protocolo é limitado por sua incapacidade de imitar com precisão a interface ar-líquido biológico. Como resultado, os aerossóis que normalmente se depositam por impacto inercial podem, em vez disso, saltar das paredes rígidas do modelopulmonar 25. Para amenizar isso, as direções futuras incluem explorar modificações de superfície e revestimentos para imitar a camada mucosa do epitélio pulmonar. Revestimentos como óleo de silício e glicerina têm sido investigados para a prevenção do salto de partículas em um NGI e poderiam ser facilmente incorporados nos modelos de pulmão impressos em 3D26. Outras técnicas como bioimpressão e cultivo de células em modelos impressos em 3D estão sendo investigadas por sua capacidade de incorporar uma resposta celular no protocolo27. Além disso, este protocolo utiliza equipamentos otimizados para taxas de fluxo de 1-15 L/min; no futuro, taxas de fluxo mais elevadas de 30-60 L/min, a faixa normal de pico de vazão inspiratória, poderiam ser utilizadas trocando as válvulas de controle e medidores de fluxo para as apropriadas para a faixa de fluxo desejada28,29. Com o modelo controlador de fluxo utilizado, o sistema só é capaz de modelar inspiração em vez de um ciclo de respiração cíclica completo. A incorporação de padrões de respiração transitórios através do uso de um respirador ou de um sistema de fluxo mais complexo provavelmente melhoraria a precisão dos resultados experimentais em relação à eficiência de deposição de partículas30. Por fim, os experimentos de deposição só foram realizados com esferas de poliestireno fluorescente monodisperse variando em tamanho de 1-5 μm. A quantificação da deposição depende da fluorescência aerossol, de modo que o uso deste protocolo com aerossóis não fluorescentes pode exigir a incorporação de um rótulo fluorescente como isothiocyanato de fluoresceína (FITC) para análise31. No entanto, técnicas analíticas adicionais poderiam ser aplicadas para analisar o filtro dependendo da composição do aerossol, como cromatografia líquida de alto desempenho (HPLC) e ou espectrometria de massa.
Nosso protocolo demonstra a primeira configuração experimental in vitro com a capacidade de quantificar a deposição pulmonar lobular em uma geometria pulmonar específica do paciente. Espera-se que a obtenção da distribuição controlada do nível do lóbulo aumente a eficácia terapêutica terapêutica da inalação, que só será alcançada através de avanços em medições in vitro de dose integral. Com o crescente interesse pela medicina personalizada, este protocolo tem o potencial de estimular o desenvolvimento de novas terapias pulmonares direcionadas, permitindo previsões mais precisas da eficácia potencial do tratamento.

Muitas doenças pulmonares, como câncer de pulmão e doença pulmonar obstrutiva crônica (DPOC) apresentam diferenças regionais nas características da doença; no entanto, faltam técnicas terapêuticas disponíveis para direcionar o fornecimento de medicamentos apenas para regiões doentes do pulmão1. Múltiplos modelos de dinâmica de fluidos computacionais (CFD) demonstraram que é possível modular perfis de deposição de medicamentos identificando aerodinâmicas específicas no pulmão2,3. O desenvolvimento de inaladores e adaptadores de tubos endotraqueais (ET) com capacidades regionais de segmentação estão em andamento em nosso laboratório para controlar a distribuição de aerossol para regiões pulmonares doentes. A extensão desses princípios ao uso clínico é limitada pela capacidade atual de teste pré-clínico. A localização precisa que uma droga deposita dentro do pulmão é conhecida por ser o melhor preditor de eficácia; no entanto, as avaliações farmacêuticas atuais de terapêutica inalável são mais frequentemente previstas usando correlações in vitro-in vivo do tamanho das partículas para deposição meramente aproximada4. Esta técnica não permite que qualquer análise espacial determine os efeitos de diferentes geometrias das vias aéreas na distribuição regional através dos vários lóbulos do pulmão. Além disso, este teste carece de geometrias pulmonares anatomicamente precisas, que os pesquisadores mostraram que podem ter um impacto significativo nos perfis de depoimento5. Alguns esforços foram feitos para incorporar geometrias pulmonares específicas do paciente em protocolos de teste através da adição das vias aéreas superiores; no entanto, a maioria dessas abordagens amostra a entrega de aerossol para várias gerações do pulmão em vez de cada lobo pulmonar6,7,8. O protocolo a seguir apresenta um método de alta produtividade de geração de modelos pulmonares específicos do paciente com a capacidade de quantificar a deposição relativa de partículas em cada um dos cinco lóbulos do pulmão9.
Os pulmões modelo anatomicamente precisos são gerados por tomografia computadorizada (TC) computada pelo paciente de impressão 3D. Quando usado em conjunto com um sistema de fluxo facilmente montado, as taxas de fluxo relativo através de cada um dos lóbulos do pulmão modelo podem ser controladas independentemente e adaptadas para imitar as de diferentes estados demográficos e/ou doenças do paciente. Com este método, os pesquisadores podem testar a eficácia de métodos terapêuticos potenciais em uma geometria pulmonar relevante e correlacionar o desempenho de cada método com a progressão da morfologia doente. Aqui, dois projetos de dispositivos desenvolvidos em nosso laboratório são testados para sua capacidade de aumentar a deposição em um lobo pulmonar desejado, controlando a localização da liberação de aerossol na boca ou traqueia. Este protocolo também tem o potencial de impactar significativamente o desenvolvimento de procedimentos personalizados para os pacientes, facilitando a rápida previsão da eficácia do tratamento em um modelo pulmonar específico aos dados de tomografia computadorizada daquele paciente.

<table><tbody><tr><td>1/4&quot; Plastic Barbed Tube Fitting</td><td>McMaster Carr</td><td>5372K111</td><td></td></tr><tr><td>10 um Filter Paper</td><td>Fisher</td><td>1093-110</td><td></td></tr><tr><td>1um Fluorescent Polystyrene Particles</td><td>Polysciences</td><td>15702-10</td><td></td></tr><tr><td>1um Non-Fluorescent Polystyrene Particles</td><td>Polysciences</td><td>8226</td><td></td></tr><tr><td>2-Propanol</td><td>Fisher</td><td>A516-4</td><td>Referred to in protocol as &quot;IPA&quot;</td></tr><tr><td>3/8&quot; Plastic Barbed Tube Fitting</td><td>McMaster Carr</td><td>5372K117</td><td></td></tr><tr><td>Air Flow Meter (1 - 280 mL/min)</td><td>McMaster Carr</td><td>41695K32</td><td>Referred to in protocol as &quot;flow meter&quot;</td></tr><tr><td>Carbon M1 3D Printer</td><td>Carbon 3D</td><td></td><td>https://www.carbon3d.com/, Associated software referred to in protocol as &quot;slicing software&quot;</td></tr><tr><td>Collison Jet Nebulizer</td><td>CH Technologies</td><td>ARGCNB0008 (CN-25)</td><td>6 Jet MRE style horizontal collision with glass jar, Referred to in protocol as &quot;nebulizer&quot;, http://chtechusa.com/Manuals/MRE_Collison_Manual.pdf</td></tr><tr><td>Convection Oven</td><td>Yamato</td><td>DKN602</td><td></td></tr><tr><td>Copley Critical Flow Controller TPK2000 Reve 120V</td><td>MSP Corp</td><td>0001-01-9810</td><td>Referred to in protocol as &quot;flow controller&quot;</td></tr><tr><td>Copley High Capacity Pump Model HCP5</td><td>MSP Corp</td><td>0001-01-9982</td><td>Referred to in protocol as &quot;vacuum pump&quot;</td></tr><tr><td>Cytation</td><td>BioTek</td><td>CYT5MPV</td><td>Multifunctional Spectrophotometer/Fluorescent imager equiped with 4x/20x/40x objectives and DAPI/GFP/TexasRed laser/filter cubes</td></tr><tr><td>EPU40 Resin</td><td>Carbon 3D</td><td></td><td>https://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/, Referred to in protocol as &quot;soft resin&quot;</td></tr><tr><td>Filter for vacuum pump</td><td>Whatman</td><td>6722-5000</td><td></td></tr><tr><td>Flow Meter Model DFM 2000</td><td>MSP Corp</td><td>0001-01-8764</td><td>Referred to in protocol as &quot;electronic flow meter&quot;</td></tr><tr><td>ImageJ Software</td><td>ImageJ</td><td></td><td>https://imagej.nih.gov/ij/download.html</td></tr><tr><td>Inline Air Flow Control Valve (Push-to-Connect)</td><td>McMaster Carr</td><td>62005K333</td><td>Referred to in protocol as &quot;valve&quot;</td></tr><tr><td>Inline Filter Devices</td><td>Whatman</td><td>WHA67225000</td><td></td></tr><tr><td>Marine-Grade Plywood Sheet</td><td>McMaster Carr</td><td>62005K333</td><td>Referred to in protocol as &quot;wooden board&quot;</td></tr><tr><td>Materialise Mimics Software</td><td>Materialise</td><td></td><td>https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite, Referred to in protocol as &quot;CT scan software&quot;</td></tr><tr><td>Meshmixer Software</td><td>Autodesk</td><td></td><td>http://www.meshmixer.com/, Referred to in protocol as &quot;mesh editing software&quot;</td></tr><tr><td>Methanol</td><td>Fisher</td><td>A454-4</td><td></td></tr><tr><td>Opticure LED Cube</td><td>APM Technica</td><td>102843</td><td>Referred to in protocol as &quot;UV oven&quot;</td></tr><tr><td>PR25 Resin</td><td>Carbon 3D</td><td></td><td>https://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate, /Referred to in protocol as &quot;hard resin&quot;</td></tr><tr><td>PVC Tube for Chemicals</td><td>McMaster Carr</td><td>5231K161</td><td>1/4&quot; ID</td></tr><tr><td>Screws</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>SolidWorks Software</td><td>Dassault Syst&amp;egrave;mes&amp;nbsp;SolidWorks Corporation</td><td></td><td>https://www.solidworks.com/, Referred to in protocol as &quot;3D modeling software&quot;</td></tr><tr><td>Straight Flow Rectangular Manifold</td><td>McMaster Carr</td><td>1125T31</td><td></td></tr><tr><td>Tubing to Flow Controller</td><td>McMaster Carr</td><td>5233K65</td><td>3/8&quot; ID</td></tr><tr><td>Wire</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

evaluating regional pulmonary deposition using patient-specific 3d printed lung models

O desenvolvimento de terapias-alvo para doenças pulmonares é limitado pela disponibilidade de métodos de teste pré-clínicos com a capacidade de prever a entrega de aerossol regional. Aproveitando a impressão 3D para gerar modelos pulmonares específicos do paciente, descrevemos o design de uma configuração experimental in vitro de alta produtividade para quantificar a deposição pulmonar lobular. Este sistema é feito com uma combinação de componentes comercialmente disponíveis e impressos em 3D e permite que a taxa de fluxo através de cada lobo do pulmão seja controlada independentemente. A entrega de aerossóis fluorescentes em cada lobo é medida por meio de microscopia de fluorescência. Este protocolo tem o potencial de promover o crescimento da medicina personalizada para doenças respiratórias através de sua capacidade de modelar uma ampla gama de estados demográficos e doenças dos pacientes. Tanto a geometria do modelo pulmonar impresso em 3D quanto a configuração do perfil de fluxo de ar podem ser facilmente moduladas para refletir dados clínicos para pacientes com idade, raça e gênero variados. Dispositivos de entrega de medicamentos clinicamente relevantes, como o tubo endotraqueal mostrado aqui, podem ser incorporados à configuração de testes para prever com mais precisão a capacidade de um dispositivo de direcionar o parto terapêutico para uma região doente do pulmão. A versatilidade desta configuração experimental permite que ela seja personalizada para refletir uma infinidade de condições de inalação, aumentando o rigor dos testes terapêuticos pré-clínicos.

Partículas nesta faixa de tamanho (1-5 μm) e condições de fluxo (1-10 L/min) seguem as linhas de fluxo de fluidos com base tanto no número teórico de Stokes quanto nos dados in vivo; portanto, na ausência de um dispositivo de entrega direcionado, espera-se que as partículas liberadas no modelo pulmonar sejam depositadas de acordo com a porcentagem do fluxo de ar total desviado para cada lobo. As quantidades relativas de entrega de partículas para cada lobo podem então ser comparadas aos dados da taxa de fluxo do lobo clínico obtidos através da análise da tomografia computadorizada de alta resolução específica do paciente (HRCT)10. Uma configuração experimental validada produzirá um perfil de deposição de partículas não-direcionada que não tenha diferença estatisticamente significativa em do perfil de fluxo de ar clínico. Os dados de validação são apresentados para duas condições distintas de fluxo: 1 L/min em um pulmão saudável (Figura 4A) e 1 L/min em um pulmão afetado pela DPOC(Figura 4B). Em ambas as condições, o perfil de deposição experimentalmente determinado não foi estatisticamente diferente dos dados clínicos, demonstrando que a configuração imita com precisão a distribuição do fluxo de ar para cada um dos lóbulos pulmonares. Esses perfis de deposição de linha de base serviram como o controle contra o qual os perfis de depoimento de partículas direcionados são comparados.
Para ilustrar a capacidade deste protocolo de quantificar alterações na deposição pulmonar regional, foram incluídos dados para o teste dedois dispositivos de mira diferentes: um tubo endotraqueal modificado (ET) e um dispositivo de cilindro concêntrico(Figura 5E). Ambos os dispositivos apresentavam uma tomada de 2 mm ID com localização tunable para liberação de partículas direcionadas. O tubo ET modificado foi avaliado com o modelo pulmonar entubado para sua capacidade de direcionar a deposição de partículas tanto para o Lobo Inferior Esquerdo (LL) quanto para o Lóbe Inferior Direito (RL). Em comparação com o perfil de deposição de partículas não-direcionada, este dispositivo gerou um aumento de quase quatro vezes na entrega do Lóbe LL (teste T=0,004, n=3) além de desviar mais de 96% das partículas entregues para o Pulmão Esquerdo (teste T p=0,0001, n=3)(Figura 5A). Alterando a configuração de localização de liberação para atingir o RL Lobe, este dispositivo gerou mais do que o dobro da entrega de partículas para o RL Lobe (T-test p=0,02, n=3) e desviou 94% das partículas entregues para o Pulmão Direito (T-test p=0,0005, n=3)(Figura 5C). Isso indica que o dispositivo é altamente bem sucedido na produção da modulação do perfil de deposição pretendida. O dispositivo de cilindro concêntrico foi testado no modelo pulmonar completo com um alvo pretendido do Lobo Superior Esquerdo (LU). Em comparação com o perfil de deposição de partículas não-direcionada, este dispositivo causou um aumento de quase três vezes na entrega do Lóbe LU (T-test p=0,0003, n=3) além de desviar mais de 87% das partículas entregues para o Pulmão Esquerdo (teste T p=0,002, n=3)(Figura 5D). A eficiência de segmentação também pode ser observada qualitativamente comparando as imagens do filtro lóbulo alvo com os outros filtros de saída. Como descrito na Figura 3,o método de mira mais eficaz produzirá alta deposição de partículas no lobo de interesse pretendido e baixo depoimento nas saídas restantes do lobo. Para mais demonstrações das capacidades deste protocolo, consulte os experimentos realizados por Kolewe et al9.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig01.jpg"> Figura 1: Componentes experimentais impressos em 3D. (A) Tomografia computadorizada do paciente convertida em arquivo de peça 3D usando computador de tomografia computadorizada e software de edição de malha. (B) Modelo pulmonar com modificações de saída de lóbulo feitas em edição de malha e software de modelagem 3D. (C) Modelo pulmonar com entrada modificada em software de modelagem 3D para refletir um paciente entubado. (D) Conexão de tubulação barbeada e(E) tampa projetada em software de modelagem 3D. (F) Seção transversal do modelo 3D que retrata a natureza entrelaçada das saídas do modelo pulmonar com a tampa e a conexão de tubulação farpada. (G) Visão explodida do conjunto da tampa de saída do modelo pulmonar. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61706/61706fig01large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig02.jpg"> Figura 2: Montagem de configuração experimental. (A) Esquema de configuração experimental incluindo (1) nebulizador, (2) modelo pulmonar, (3) tampas de saída, (4) medidores de fluxo, (5) válvulas, (6) coletores, (7) controlador de fluxo e (8) uma bomba de vácuo. (B) Configuração totalmente montada. (C) Close-up de saída de lóbulo com tampa montada. (D) Modelo pulmonar com todas as tampas adicionadas. (E) Close-up da rede de tubos para definir as taxas de fluxo de saída do lobo. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61706/61706fig02large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig03.jpg"> Figura 3: Filtrar o processamento da imagem em papel. As imagens brutas apresentadas foram coletadas durante um experimento para atingir o pulmão esquerdo usando partículas de poliestireno fluorescente de 1 μm a 1 L/min sob um perfil de respiração saudável. As imagens de depoimento "altas" e "baixas" retratam os filtros LL e RU Lobe, respectivamente. O limiar "bom", aplicado com uma faixa de 43 a 255, mantém bordas definidas entre partículas individuais e evita a detecção de fibras de papel filtro. O limiar "pobre", aplicado com uma faixa de 17 a 255, obscurece as bordas individuais de partículas e superestima a área fluorescente do filtro. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61706/61706fig03large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig04.jpg"> Figura 4: Validação experimental da configuração. (A) Resultados de validação para pacientes saudáveis e (B) paciente com DPOC a 1 L/min. Todos os dados apresentados são médias ± DP com três réplicas (exceto dados clínicos de DPOC, onde apenas um paciente foi notificado). Os dados de referência clínica para pacientes saudáveis e dpoc foram obtidos a partir do Sul, et al10. Os conjuntos de dados foram comparados usando o Teste de Comparações Múltiplas de Sidak, e todas as diferenças não são significativas. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61706/61706fig04large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig05.jpg"> Figura 5: Exemplos de dados para testes de destino. (A) Lobo Inferior Esquerdo e(C) Direção inferior direita do Lobo alcançado utilizando (B) um sistema de entrega de tubo ET modificado. (D) Direção do Lobo Superior Esquerdo alcançado utilizando(E) um sistema de entrega de tubos concêntrico. Para todos os três conjuntos de dados, o anel interno representa o perfil de deposição não-direcionado obtido durante a validação da configuração, e o anel externo representa o perfil de deposição produzido com a adição do dispositivo de destino indicado. Os meios de três réplicas para cada configuração são mostrados. Os conjuntos de dados foram comparados usando o Teste de Comparações Múltiplas de Sidak e um teste T estudantil assumindo variância igual. Todas as três configurações produziram um aumento significativo na entrega ao lobo de interesse: LL Lobe (T-test p=0,004, n=3), RL Lobe (T-test p=0,02, n=3) e LU Lobe (T-test p=0,0003, n=3). <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61706/61706fig05large.jpg" target="_blank">Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.</a>

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Evaluating Regional Pulmonary Deposition using Patient-Specific 3D Printed Lung Models

Apresentamos um método in vitro de alta produtividade para quantificar a deposição pulmonar regional no nível do lóbulo usando modelos pulmonares impressos em 3D derivados da tomografia computadorizada com perfis de fluxo de ar tunable.

Avaliação do depoimento pulmonar regional usando modelos pulmonares impressos 3D específicos do paciente

Development of targeted therapies for pulmonary diseases is limited by the availability of preclinical testing methods with the ability to predict ...

evaluating-regional-pulmonary-deposition-using-patient-specific-3d

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Bioengineering

4.2K visualizações.  University of Delaware. Apresentamos um método in vitro de alta produtividade para quantificar a deposição pulmonar regional no nível do lóbulo usando modelos pulmonares impressos em 3D derivados da tomografia computadorizada com perfis de fluxo de ar tunable.

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A Combined 3D Tissue Engineered In Vitro/In Silico Lung Tumor Model for Predicting Drug Effectiveness in Specific Mutational Backgrounds

In the present study, we combined an in vitro 3D lung tumor model with an in silico model to optimize predictions of drug response based on a specific mutational background. The model is generated on a decellularized porcine scaffold that reproduces tissue-specific characteristics regarding extracellular matrix composition and architecture including the basement membrane. We standardized a protocol that allows artificial tumor tissue generation within 14 days including three days of drug treatment. Our article provides several detailed descriptions of 3D read-out screening techniques like the determination of the proliferation index Ki67 staining&#39;s, apoptosis from supernatants by M30-ELISA and assessment of epithelial to mesenchymal transition (EMT), which are helpful tools for evaluating the effectiveness of therapeutic compounds. We could show compared to 2D culture a reduction of proliferation in our 3D tumor model that is related to the clinical situation. Despite of this lower proliferation, the model predicted EGFR-targeted drug responses correctly according to the biomarker status as shown by comparison of the lung carcinoma cell lines HCC827 (EGFR -mutated, KRAS wild-type) and A549 (EGFR wild-type, KRAS-mutated) treated with the tyrosine-kinase inhibitor (TKI) gefitinib. To investigate drug responses of more advanced tumor cells, we induced EMT by long-term treatment with TGF-beta-1 as assessed by vimentin/pan-cytokeratin immunofluorescence staining. A flow-bioreactor was employed to adjust culture to physiological conditions, which improved tissue generation. Furthermore, we show the integration of drug responses upon gefitinib treatment or TGF-beta-1 stimulation - apoptosis, proliferation index and EMT - into a Boolean in silico model. Additionally, we explain how drug responses of tumor cells with a specific mutational background and counterstrategies against resistance can be predicted. We are confident that our 3D in vitro approach especially with its in silico expansion provides an additional value for preclinical drug testing in more realistic conditions than in 2D cell culture.

A Combined 3D Tissue Engineered In Vitro/In Silico Lung Tumor Model for Predicting Drug Effectiveness in Specific Mutational Backgrounds

We present a three-dimensional (3D) lung cancer model based on a biological collagen scaffold to study sensitivity towards non-small-cell-lung-cancer-(NSCLC)-targeted therapies. We demonstrate different read-out techniques to determine the proliferation index, apoptosis and epithelial-mesenchymal transition (EMT) status. Collected data are integrated into an in silico model for prediction of drug sensitivity.

A Tissue Combinada 3D Engineered<em&gt; In Vitro</em&gt; /<em&gt; In Silico</em&gt; Modelo de tumor de pulmão para prever a eficácia da droga em fundos específicos de mutação

In the present study, we combined an in vitro 3D lung tumor model with an in silico model to optimize predictions of drug response based on a specific ...

Bioengenharia

A 3D Human Lung Tissue Model for Functional Studies on Mycobacterium tuberculosis Infection

Tuberculosis (TB) still holds a major threat to the health of people worldwide, and there is a need for cost-efficient but reliable models to help us understand the disease mechanisms and advance the discoveries of new treatment options. In vitro cell cultures of monolayers or co-cultures lack the three-dimensional (3D) environment and tissue responses. Herein, we describe an innovative in vitro model of a human lung tissue, which holds promise to be an effective tool for studying the complex events that occur during infection with Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis). The 3D tissue model consists of tissue-specific epithelial cells and fibroblasts, which are cultured in a matrix of collagen on top of a porous membrane. Upon air exposure, the epithelial cells stratify and secrete mucus at the apical side. By introducing human primary macrophages infected with M. tuberculosis to the tissue model, we have shown that immune cells migrate into the infected-tissue and form early stages of TB granuloma. These structures recapitulate the distinct feature of human TB, the granuloma, which is fundamentally different or not commonly observed in widely used experimental animal models. This organotypic culture method enables the 3D visualization and robust quantitative analysis that provides pivotal information on spatial and temporal features of host cell-pathogen interactions. Taken together, the lung tissue model provides a physiologically relevant tissue micro-environment for studies on TB. Thus, the lung tissue model has potential implications for both basic mechanistic and applied studies. Importantly, the model allows addition or manipulation of individual cell types, which thereby widens its use for modelling a variety of infectious diseases that affect the lungs.

A 3D Human Lung Tissue Model for Functional Studies on Mycobacterium tuberculosis Infection

Human tuberculosis infection is a complex process, which is difficult to model in vitro. Here we describe a novel 3D human lung tissue model that recapitulates the dynamics that occur during infection, including the migration of immune cells and early granuloma formation in a physiological environment.

Um modelo de tecido Pulmão humano 3D para estudos funcionais em<em&gt; Mycobacterium tuberculosis</em&gt; Infecção

Tuberculosis (TB) still holds a major threat to the health of people worldwide, and there is a need for cost-efficient but reliable models to help us ...

Imunologia e Infecção

Generation of 3D Whole Lung Organoids from Induced Pluripotent Stem Cells for Modeling Lung Developmental Biology and Disease

Human lung development and disease has been difficult to study due to the lack of biologically relevant in vitro model systems. Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) can be differentiated stepwise into 3D multicellular lung organoids, made of both epithelial and mesenchymal cell populations. We recapitulate embryonic developmental cues by temporally introducing a variety of growth factors and small molecules to efficiently generate definitive endoderm, anterior foregut endoderm, and subsequently lung progenitor cells. These cells are then embedded in growth factor reduced (GFR)-basement membrane matrix medium, allowing them to spontaneously develop into 3D lung organoids in response to external growth factors. These whole lung organoids (WLO) undergo early lung developmental stages including branching morphogenesis and maturation after exposure to dexamethasone, cyclic AMP and isobutylxanthine. WLOs possess airway epithelial cells expressing the markers KRT5 (basal), SCGB3A2 (club) and MUC5AC (goblet) as well as alveolar epithelial cells expressing HOPX (alveolar type I) and SP-C (alveolar type II). Mesenchymal cells are also present, including smooth muscle actin (SMA), and platelet-derived growth factor receptor A (PDGFR&#945;). iPSC derived WLOs can be maintained in 3D culture conditions for many months and can be sorted for surface markers to purify a specific cell population. iPSC derived WLOs can also be utilized to study human lung development, including signaling between the lung epithelium and mesenchyme, to model genetic mutations on human lung cell function and development, and to determine the cytotoxicity of infective agents.

The article describes step wise directed differentiation of induced pluripotent stem cells to three-dimensional whole lung organoids containing both proximal and distal epithelial lung cells along with mesenchyme.

Geração de organoides pulmonares 3D inteiros de células-tronco pluripotentes induzidas para modelagem da biologia e doença do desenvolvimento pulmonar

Human lung development and disease has been difficult to study due to the lack of biologically relevant in vitro model systems. Human induced pluripotent ...

Biologia do Desenvolvimento

3D Printing of Preclinical X-ray Computed Tomographic Data Sets

Three-dimensional printing allows for the production of highly detailed objects through a process known as additive manufacturing. Traditional, mold-injection methods to create models or parts have several limitations, the most important of which is a difficulty in making highly complex products in a timely, cost-effective manner.1 However, gradual improvements in three-dimensional printing technology have resulted in both high-end and economy instruments that are now available for the facile production of customized models.2 These printers have the ability to extrude high-resolution objects with enough detail to accurately represent in vivo images generated from a preclinical X-ray CT scanner. With proper data collection, surface rendering, and stereolithographic editing, it is now possible and inexpensive to rapidly produce detailed skeletal and soft tissue structures from X-ray CT data. Even in the early stages of development, the anatomical models produced by three-dimensional printing appeal to both educators and researchers who can utilize the technology to improve visualization proficiency. 3, 4 The real benefits of this method result from the tangible experience a researcher can have with data that cannot be adequately conveyed through a computer screen. The translation of pre-clinical 3D data to a physical object that is an exact copy of the test subject is a powerful tool for visualization and communication, especially for relating imaging research to students, or those in other fields. Here, we provide a detailed method for printing plastic models of bone and organ structures derived from X-ray CT scans utilizing an Albira X-ray CT system in conjunction with PMOD, ImageJ, Meshlab, Netfabb, and ReplicatorG software packages.

Using modern plastic extrusion and printing technologies, it is now possible to quickly and inexpensively produce physical models of X-ray CT data taken in a laboratory. The three -dimensional printing of tomographic data is a powerful visualization, research, and educational tool that may now be accessed by the preclinical imaging community.

Impressão 3D de pré-clínica de raios-X tomografia computadorizada de Conjuntos de Dados

Three-dimensional printing allows for the production of highly detailed objects through a process known as additive manufacturing.  Traditional, ...

Biologia

Generation of Human 3D Lung Tissue Cultures (3D-LTCs) for Disease Modeling

Translation of novel discoveries to human disease is limited by the availability of human tissue-based models of disease. Precision-cut lung slices (PCLS) used as 3D lung tissue cultures (3D-LTCs) represent an elegant and biologically highly relevant 3D cell culture model, which highly resemble in situ tissue due to their complexity, biomechanics and molecular composition. Tissue slicing is widely applied in various animal models. 3D-LTCs derived from human PCLS can be used to analyze responses to novel drugs, which might further help to better understand the mechanisms and functional effects of drugs in human tissue. The preparation of PCLS from surgically resected lung tissue samples of patients, who experienced lung lobectomy, increases the accessibility of diseased and peritumoral tissue. Here, we describe a detailed protocol for the generation of human PCLS from surgically resected soft-elastic patient lung tissue. Agarose was introduced into the bronchoalveolar space of the resectates, thus preserving lung structure and increasing the tissue&#39;s stiffness, which is crucial for subsequent slicing. 500 &#181;m thick slices were prepared from the tissue block with a vibratome. Biopsy punches taken from PCLS ensure comparable tissue sample sizes and further increase the amount of tissue samples. The generated lung tissue cultures can be applied in a variety of studies in human lung biology, including the pathophysiology and mechanisms of different diseases, such as fibrotic processes at its best at (sub-)cellular levels. The highest benefit of the 3D-LTC ex vivo model is its close representation of the in situ human lung in respect of 3D tissue architecture, cell type diversity and lung anatomy as well as the potential for assessment of tissue from individual patients, which is relevant to further develop novel strategies for precision medicine.

Generation of Human 3D Lung Tissue Cultures 3D-LTCs for Disease Modeling

Here, we present a protocol for the preparation of agarose-filled human precision-cut lung slices from resected patient tissue that are suitable for generating 3D lung tissue cultures to model human lung diseases in biological and biomedical studies.

Geração de culturas de tecido de pulmão humano de 3D (3D-CTIs) para modelagem de doença

Translation of novel discoveries to human disease is limited by the availability of human tissue-based models of disease. Precision-cut lung slices (PCLS) ...

Medicina

Development and Evaluation of 3D-Printed Cardiovascular Phantoms for Interventional Planning and Training

Catheter-based interventions are standard treatment options for cardiovascular pathologies. Therefore, patient-specific models could help training physicians&#39; wire-skills as well as improving planning of interventional procedures. The aim of this study was to develop a manufacturing process of patient-specific 3D-printed models for cardiovascular interventions.
To create a 3D-printed elastic phantom, different 3D-printing materials were compared to porcine biological tissues (i.e., aortic tissue) in terms of mechanical characteristics. A fitting material was selected based on comparative tensile tests and specific material thicknesses were defined. Anonymized contrast-enhanced CT-datasets were collected retrospectively. Patient-specific volumetric models were extracted from these datasets and subsequently 3D-printed. A pulsatile flow loop was constructed to simulate the intraluminal blood flow during interventions. Models&#39; suitability for clinical imaging was assessed by x-ray imaging, CT, 4D-MRI and (Doppler) ultrasonography. Contrast medium was used to enhance visibility in x-ray-based imaging. Different catheterization techniques were applied to evaluate the 3D-printed phantoms in physicians&#39; training as well as for pre-interventional therapy planning.
Printed models showed a high printing resolution (~30 &#181;m) and mechanical properties of the chosen material were comparable to physiological biomechanics. Physical and digital models showed high anatomical accuracy when compared to the underlying radiological dataset. Printed models were suitable for ultrasonic imaging as well as standard x-rays. Doppler ultrasonography and 4D-MRI displayed flow patterns and landmark characteristics (i.e., turbulence, wall shear stress) matching native data. In a catheter-based laboratory setting, patient-specific phantoms were easy to catheterize. Therapy planning and training of interventional procedures on challenging anatomies (e.g., congenital heart disease (CHD)) was possible.
Flexible patient-specific cardiovascular phantoms were 3D-printed, and the application of common clinical imaging techniques was possible. This new process is ideal as a training tool for catheter-based (electrophysiological) interventions and can be used in patient-specific therapy planning.

Here we present development of a mock circulation setup for multimodal therapy evaluation, pre-interventional planning, and physician-training on cardiovascular anatomies. With the application of patient-specific tomographic scans, this setup is ideal for therapeutic approaches, training, and education in individualized medicine.

Desenvolvimento e Avaliação de Fantasmas Cardiovasculares Impressos em 3D para Planejamento e Treinamento Intervencionista

Catheter-based interventions are standard treatment options for cardiovascular pathologies. Therefore, patient-specific models could help training ...

A Personalized 3D-Printed Model for Preoperative Evaluation in Thyroid Surgery

The anatomic structure of the surgical area of thyroid cancer is complex. It is very important to comprehensively and carefully evaluate the tumor location and its relation with the capsule, trachea, esophagus, nerves, and blood vessels before operation. This paper introduces an innovative 3D-printed model establishment method based on computerized tomography (CT) DICOM images. We established a personalized 3D-printed model of the cervical thyroid surgery field for each patient who needed thyroid surgery to help clinicians evaluate the key points and difficulties of the surgery and select the operation methods of key parts as a basis. The results showed that this model is conducive to preoperative discussion and the formulation of operation strategies. In particular, as a result of the clear display of the recurrent laryngeal nerve and parathyroid gland locations in the thyroid operation field, injury to them can be avoided during surgery, the difficulty of thyroid surgery reduced, and the incidence of postoperative hypoparathyroidism and complications related to recurrent laryngeal nerve injury reduced too. Moreover, this 3D-printed model is intuitive and aids communication for the signing of informed consent by patients before surgery.

Here, a new method of establishing a personalized 3D-printed model for preoperative evaluation of thyroid surgery is proposed. It is conducive to preoperative discussion, reducing the difficulty of thyroid surgery.

Um Modelo Personalizado Impresso em 3D para Avaliação Pré-Operatória em Cirurgia de Tireoide

The anatomic structure of the surgical area of thyroid cancer is complex. It is very important to comprehensively and carefully evaluate the tumor ...

Reconstrução 3D para o diagnóstico e tratamento de nódulos pulmonares

A 3D Digital Model for the Diagnosis and Treatment of Pulmonary Nodules

The three-dimensional (3D) reconstruction of pulmonary nodules using medical images has introduced new technical approaches for diagnosing and treating pulmonary nodules, and these approaches are progressively being acknowledged and adopted by physicians and patients. Nonetheless, constructing a relatively universal 3D digital model of pulmonary nodules for diagnosis and treatment is challenging due to device differences, shooting times, and nodule types. The objective of this study is to propose a new 3D digital model of pulmonary nodules that serves as a bridge between physicians and patients and is also a cutting-edge tool for pre-diagnosis and prognostic evaluation. Many AI-driven pulmonary nodule detection and recognition methods employ deep learning techniques to capture the radiological features of pulmonary nodules, and these methods can achieve a good area under-the-curve (AUC) performance. However, false positives and false negatives remain a challenge for radiologists and clinicians. The interpretation and expression of features from the perspective of pulmonary nodule classification and examination are still unsatisfactory. In this study, a method of continuous 3D reconstruction of the whole lung in horizontal and coronal positions is proposed by combining existing medical image processing technologies. Compared with other applicable methods, this method allows users to rapidly locate pulmonary nodules and identify their fundamental properties while also observing pulmonary nodules from multiple perspectives, thereby providing a more effective clinical tool for diagnosing and treating pulmonary nodules.

Autor em destaque: um modelo digital 3D para o diagnóstico e tratamento de nódulos pulmonares  

The objective of this study is to develop a novel 3D digital model of pulmonary nodules that serves as a communication bridge between physicians and patients and is also a cutting-edge tool for pre-diagnosis and prognostic evaluation.

Modelo Digital 3D para Diagnóstico e Tratamento de Nódulos Pulmonares

The three-dimensional (3D) reconstruction of pulmonary nodules using medical images has introduced new technical approaches for diagnosing and treating ...

Avaliação do depoimento pulmonar regional usando modelos pulmonares impressos 3D específicos do paciente

Resumo

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Modelo Digital 3D para Diagnóstico e Tratamento de Nódulos Pulmonares

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