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
Description: Watch this Scientific Journal Video about Evaluating Regional Pulmonary Deposition using Patient-Specific 3D Printed Lung Models at JoVE.com

Yazarlar profesör Yu Feng, Dr. Jenna Briddell, Ian Woodward ve Lucas Attia'ya yardımcı tartışmaları için teşekkür ediyor.

1. 3D baskılı deneysel bileşenlerin hazırlanması
NOT: Protokolde kullanılan tüm yazılımlar Malzeme Tablosunda belirtilmiştir. Ayrıca, kullanılan dilimleme yazılımı Malzeme Tablosundalistelenen 3D yazıcıya özgüdür; ancak, bu protokol çok çeşitli stereolitografi (SLA) 3D yazıcılara genişletilebilir.
<ol><li>Hasta CT taramalarını 3D nesnelere (.stl dosyaları) dönüştürün. NOT: Bu çalışmalarda kullanılan spesifik akciğer modelinin geometrik özelliklerinin daha ayrıntılı bir şekilde tartışılması için Feng veark.<ol>
<li>CT tarama yazılımını kullanarak CT taramalarını bir 3D nesneye dönüştür (bkz. Malzeme Tablosu). CT taramasını açın ve -800 ila -1000 aralığında bir ayara sahip Eşik aracını kullanarak hava sahasında bir maske oluşturun. 3D Önizleme aracını kullanarak, 3D işlemeyi görüntüleyin ve nesneyi dışa aktarın (Dosya | Verme) .stl dosyası olarak.</li>
		<li>Dosyaları kafes düzenleme yazılımına içe aktarma (bkz. Malzeme Tablosu), Seç aracını kullanarak pürüzlü özellikleri kaldırın (Heykel | Fırçalar: "Shrink/Smooth" | Özellikler: Mukavemet (50), Boyut (10), Derinlik(0)). Yüzeyi düzleştirin (Ctrl+A | Deformasyon | Pürüzsüz | Yumuşatma (0,2), Yumuşatma Ölçeği (1)).</li>
		<li>Mesh düzenleme yazılımında, bu nesnelerin duvarını 2 mm uzatın (Ctrl+A | | Düzenle Uzaklık) ve iç nesnenin sadece duvar kalacak şekilde içi boş kalmasına izin verin. Nesneyi dilimleme (| seçin | Düzenle Plane Cut) trakeada bir giriş oluşturmak için ve nesnenin çıkış oluşturmak için her loba dallandığı 2 veya3. NOT: 2 mm kalınlığı, Malzeme Tablosunda listelenen 3D yazıcının üreticisi tarafından belirtilen kabul edilebilir özellik boyutlarına göre seçilmiştir. Bu kalınlık, modelin iç geometrisi korunursa mevcut 3D yazıcının özelliklerine göre ayarlanabilir.</li>
	</ol></li>
	<li>Hasta akciğer modeli çıkış geometrilerini, Malzeme Tablosundalistelenen daha önce tasarlanmış lob çıkış kapağı bileşenleriyle(Şekil 1B,C)uyumlu olacak şekilde değiştirin.<ol>
<li>CT taramasını içeride çoğaltan, duvar kalınlığı 2 mm olan ve giriş ve çıkışlarda açık olan 3B nesneyi Katı Gövde olarak 3D modelleme yazılımına (bkz. Malzeme Tablosu)içe aktarın (Açık | Kafes Dosyaları | Seçenekler | Katı Gövde).</li>
		<li>Prizlerin her birinde yüze dayalı bir düzlem oluşturma (| Referans Geometri | Düzlem). Birleştirme aracını kullanarak, düzlemdeki bir çizimde çıkışın iç duvarını ve dış duvarını takip edin(Çizim | Spline).</li>
		<li>Modelin iç ve dış duvarına bağlanmak için bir silindire (OD 18,5 mm, ID 12,5 mm, H 15,15 mm) çatı katı, böylece çıkış her lobda düzgün olacak şekilde genişletilir (Özellikler | Loftlu Patron/Taban). Kapakla eşleştirmek için çıkışın kenarına bir çentik ekleyin (Özellikler | Ekstrüde Kesim | Uzaklık). NOT: Kapak (Şekil 1D) çıkışların boyutlarına uyan ve model çıkışının çentiğiyle birbirine bağlanan bir rafa sahip içi boş bir silindirdir. Kapağın bir ucu, kimliğin parçanın geri kalanından daha küçük olacak şekilde engellenir, bu dikenli boru bağlantısının etrafına sıkı bir uyum sağlar(Şekil 1E). Dikenli boru bağlantısı, dikenli koni şeklindedir, böylece dikenli kapak açıklığından geçer, ancak parçanın geri kalanı uymaz, bu da boru bağlantısının kapağa güvenli bir şekilde oturmasını sağlar. Böylece, kapak hem dikenli boru bağlantısının hem de akciğer modelinin etrafına sıkıca oturur (Şekil 1F,G).</li>
		<li>akciğer modelinin giriş kısmını istenen deneysel koşullara bağlı olarak değiştirin. Boğaz ve glottal bölgeler, kendi kendine nefes alabilen bir hastayı taklit etmek için dahil edilebilir (Şekil 1B). Trakeanın üzerindeki bölgeler, ventilatör desteğinde entübe bir hastayı taklit etmek için ekstrüde bir kesim kullanılarak çıkarılabilir (Özellikler | Ekstrüde Kesim) (Şekil 1C).</li>
	</ol></li>
	<li>3D yazıcı üreticisi tarafından sağlanan dilimleme yazılımında deneysel bileşenleri yönlendirin ve destekleyin.<ol>
<li>3D parça dosyalarını 3D yazıcı dilimleme yazılımına içe aktarın ve uygun reçineyi seçin. Akciğer modellerini ve dikenli boru bağlantılarını yazdırmak için sert bir reçine ve kapakları yazdırmak için yumuşak bir reçine kullanın. NOT: Kapakları yazdırmak için kullanılan reçine, lob çıkışının üzerine gerilmesine ve hava geçirmez bir conta oluşturmasına izin vermek için elastik özelliklere sahip olmalıdır.</li>
		<li>Parça yönünü, herhangi bir "ada" ve keşfedilmemiş hacim en aza indirilmiş olacak şekilde ayarlayın. Akciğer modelleri için en iyi yönelim, baskı platformundan uzağa bakan lob çıkışlarıdır. Hem dikenli boru bağlantılarının hem de kapakların baskı platformuna bakan daha geniş kısımlara sahip olduğundan emin olun. NOT: Tek tek dilimler, parçanın ana gövdesine bağlı olmadan bir dilimde ilk kez görünen bölümlerinin "adaların" görünümünü kontrol etmek için görüntülenebilir. Gözden geçirme işlevi, düzensiz hacimli dilimleri, yazdırma sırasında parçanın içine sıkıştırılmış reçinenin yer alabileceği alanları kontrol etmek için kullanılabilir. Hem "adalar" hem de keşfedilmemiş hacimler baskı kalitesini düşürür ve yazdırma hatasına neden olabilir.</li>
		<li>Her dilimi ayrı ayrı görüntüleyerek, parçada kalan "adalara" ve önemli çıkıntlara sahip alanlara destek ekleyin. Tüm alanların düzgün desteklendiğini doğrulamak için yazdırma dilimlerini dışa aktarın ve görüntüleyin.</li>
	</ol></li>
	<li>Deneysel bileşenleri yazdırın ve üretici talimatlarına göre tam işlem sonrası. NOT: Aşağıda açıklanan tüm işlem sonrası adımlar, Malzeme Tablosu 'nda listelenen 3D yazıcıya özgüdir. Alternatif yazıcılar veya malzemeler kullanırken, üretici yönergelerini yansıtacak şekilde bu adımları ayarlayın.<ol>
<li>Yumuşak reçine ile basılan parçalar için, üretici özelliklerine göre 8 saat boyunca bir konveksiyon fırınında fazla kesilmemiş reçine ve termal kür çıkarmak için % 99 saflıkta izopropil alkol (IPA) ≥ yıkayın. NOT: Yumuşak reçine ile basılan parçalar baskıdan hemen sonra çok hassas olabilir, bu nedenle temizleme adımları sırasında özel dikkat edilmelidir. Parça bozulmasını önlemek için IPA'ya maruz kalma, malzemenin çözücü maruz kalma sınırının altında tutulmalıdır.</li>
		<li>Sert reçineye basılan parçalar için, fazla işlenmemiş reçineyi çıkarmak için IPA ile yıkayın ve bir UV fırınında (5-10 mW/ cm2'de365 nm ışık) yan başına 1 dakika kürleyin. NOT: 3D baskılı kopyanın doğruluğunu değerlendirmek için, orijinal 3D işleme ile 3D baskılı kopya arasındaki varyasyonları karşılaştırmak için basılı parçanın μCT taramasının ve CT tarama yazılımının kullanılması önerilir.</li>
	</ol></li>
</ol>2. Akış hızı kontrolü için boru sisteminin montajı
<ol><li>1/4" dikenli boru bağlantı parçalarını manifoldun yanına 6 bağlantı noktası (Şekil 2A-6) ve kalan bağlantı noktasına oturan 3/8" dikenli tüp ile vidala.</li>
	<li>1/4" boruyu istediğiniz uzunluklarda kesin ve bağlantıya itme vanalarının her bir ucuna yerleştirin(Şekil 2A-5). Her vanayı manifolda takılan 1/4" bağlantı parçalarından birine takın.</li>
	<li>Her vananın diğer ucuna bir akış ölçer (Şekil 2A-4) bağlayın.</li>
	<li>Boru sistemini ahşap tahtanın üzerine, manifoldun tek 3/8" bağlantı parçasının tahtanın kenarından uzanacak şekilde yerleştirin. Yerinde sabitlemek için, ahşap tahtanın yanına iki vida ekleyin ve manifoldu tel kullanarak vidalara takın.</li>
	<li>Vanaların ve akış ölçerlerin her birinin etrafına yerleştirilmiş dört vida ekleyin ve her birini ahşap tahtaya sabitlemek için tel kullanın (Şekil 2E).</li>
	<li>Yaklaşık 6" 3/8" ID boru ile manifoldu sıralı 0,1 μm gözenek boyutu vakum sınıfı filtreye bağlayın. Filtrenin diğer ucunu başka bir 6" 3/8" kimlik tüpü kullanarak akış denetleyicisine bağlayın NOT: Boru sisteminin sadece bir kez monte edilmesi gerekir.</li>
</ol>3. Hasta akciğer modeli ile lob çıkış kapaklarının montajı
NOT: Protokolün bu bölümü her deneysel çalıştırmadan önce tamamlanmalıdır.
<ol><li>Kapak tabanındaki açıklıktan çıkıntılı nozül ile kapağa dikenli boru bağlantısı yerleştirin. İlk olarak, oval dikenli boru bağlantı tabanının bir ucunu kapağa yerleştirin. Daha sonra, esnek kapağı oval tabanın diğer ucuna dikkatlice uzatın ve ince tabanı kırmamaya özel dikkat edin. NOT: Yeni basılan kapaklar istenilenden daha sert olabilir ve kapak iç kısmı boyunca iki parmak çalıştırılarak uzatılabilir.</li>
	<li>10 μm filtre kağıdını çıkış alanından biraz daha büyük olacak şekilde kesin. Filtre kağıdını lob çıkışının üzerine katlayın ve bir elinizle yerinde tutun.</li>
	<li>Öte yandan, dikenli boru bağlantısına sahip kapağı çıkış üzerine germek için cımbız kullanın. Kapağın çentiği lob çıkışındaki ilgili çentikle eşleşene kadar kapağı aşağı bastırın (Şekil 2C). NOT: Bu adımda filtre kağıdının yırtılması sonuçları geçersiz kılabilir, bu nedenle kapağı prize bastırırken aşırı güçten kaçınmak için özel dikkat gösterilmelidir.</li>
	<li>Kalan tüm lob çıkışları için tekrarlayın (Şekil 2D).</li>
</ol>4. Klinik olarak ilgili hava akış profilinin üretimi
NOT: Protokolün bu bölümü her deneysel çalıştırmadan önce tamamlanmalıdır.
<ol><li>Dikenli boru bağlantısına çok fazla yanal basınç uygulamamaya dikkat ederek, her akciğer modeli lob çıkışını ilgili akış ölçerin ve vananın tüpüne bağlayın. Akciğer modeline toplam hava debisini ölçmek için elektronik akış ölçeri akciğer modeli ağız girişine takın.</li>
	<li>Akış kontrol cihazını (Şekil 2A-7) ve vakum pompasını(Şekil 2A-8)açın. Akış denetleyicisinde "test kurulumu" ayarını seçin ve elektronik akış ölçer istenen toplam akış hızını görüntüleyene kadar akış hızını yavaşça artırın.</li>
	<li>Valfleri kullanarak (Şekil 2E-5), beş akciğer lobunun her biri boyunca akış hızını ayarlayın: Sağ Üst (RU), Sağ Orta (RM), Sağ Alt (RL), Sol Üst (LU) ve Sol Alt (LL). Akış ölçerlerde gösterilen lob akış hızları(Şekil 2E-4)istenilen değerde sabit kaldıktan sonra, sistemde herhangi bir sızıntı olmadığını doğrulamak için elektronik akış ölçerdeki genel akış hızını tekrar kontrol edin.<ol>
<li>Toplam akış hızında bir tutarsızlık varsa, akış denetleyicisiyle akış hızını düşürin, tüm vanaları tamamen açık konfigürasyona ayarlayın ve 4.2 ve 4.3 adımlarını yineleyin. NOT: Burada sunulan sonuçlar, Sul ve arkadaşları tarafından bildirilen verilere dayanarak hava akış profilleri kullanılarak elde edilmiştir.10 Bu lobar akış fraksiyonları, her akciğer lobunun hacmindeki göreceli değişiklikler karşılaştırılarak, hasta akciğerlerinin tam ilham ve son kullanma tarihindeki ince dilim bilgisayarlı tomografi görüntüleri kullanılarak hesaplanmıştır. Sonuçlar, her ikisi de 1 L/dk'luk genel giriş akış hızında iki ayrı akış koşulu için sunulur. Sağlıklı akciğer lob çıkış akış profili her çıkışa giriş akışının aşağıdaki yüzdesiyle dağıtılır: LL-23.7%, LU-23.7%, RL-18.7%, RM-14.0%, RU-20.3%. KOAH lob çıkış akış profili her çıkış arasında giriş akışının aşağıdaki yüzdesiyle dağıtılır: LL-10.0%, LU-29.0%, RL-13.0%, RM-5.0%, RU-43.0%9,10.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Akış kontrol cihazının "test kurulumu" işlevinden çıkın, ancak vakum pompasını açık bırakın. NOT: Vakum pompasını akış hızlarını ayarlamak ve biriktirme deneyini gerçekleştirmek arasında kapatmak, oluşturulan akış profilinde yanlışlıklara yol açabilir. Aerosol biriktirme testini tamamlamak için istenen akış hızları ayarlandıktan sonra vakum pompasının açık bırakılması önerilir.</li>
</ol>5. Aerosollerin akciğer modeline teslimi
NOT: Deneyler, nebülizör tarafından oluşturulan aerosollere maruz kalmayı en aza indirmek için kanat kapalı bir duman kaputunda yapılmalıdır.
<ol><li>Nebülizörü istenen floresan parçacıkların çözeltisi ile doldurun (Şekil 2A-1) ve akciğer modeli girişine bağlanın (Şekil 2B). NOT: Burada sunulan sonuçlar, metanoldeki 1 μm floresan polistiren parçacıklarının 1:100 seyreltilmesinin 30 mL'si kullanılarak elde edilmiştir.<ol>
<li>Deneysel kurulumu doğrulamak için, nebülizörü herhangi bir hedefleme cihazı olmadan doğrudan akciğer modeli girişine bağlayın.</li>
		<li>Bir hedefleme cihazının etkinliğini ölçmek için, nebülizörü cihaza bağlayın ve cihazı akciğer modeline yerleştirin.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Basınçlı hava hattını nebülizöre bağlayın ve duman davlumbaz kuşağını mümkün olduğunca kapatın.</li>
	<li>Akış denetleyicisini bir 10 s deneme için çalışacak şekilde ayarlayın. Çalıştırmaya basmadan önce, basınçlı hava vanasını hafifçe açarak nebülizör içinde bir aerosol üretmeye başlayın.</li>
	<li>Akış kontrol cihazına basın ve basınçlı hava vanasını hemen tamamen açın. Akış kontrolörü yaklaşık 9 s'ye ulaştığında, basınçlı hava vanasını kapatmaya başlayın.</li>
	<li>Basınçlı hava valfi tamamen kapatıldıktan sonra, nebülizörü basınçlı hava hattından çıkarın, duman davlumbazını tamamen kapatın, vakum pompasını kapatın ve duman kaputundan yaklaşık 10 dakika boyunca aerosollerin temizlenmesini sağlar. NOT: Boru sistemi içinde bir vakumun birikmesini önlemek için bir çalıştırmayı tamamladıktan sonra vakum pompasının kapatılması önemlidir.</li>
	<li>Yeterli süre bekledikten sonra, dikenli boru bağlantılarını kırmamaya özel dikkat ederek akciğer modelini boru sisteminden çıkarın.</li>
	<li>Kapağın kenarının altında bir çift cımbız çalıştırarak ve akciğer modelinden hafifçe kaldırarak lob çıkış kapaklarını çıkarın.</li>
	<li>Filtre kağıdını kapaktan çıkarın ve altta biriken parçacıkların plakanın kuyusuna bakacak şekilde 24 kuyu plakasına yerleştirin. Kalan çıkışlar için tekrarlayın ve her loba karşılık gelen kuyuyu etiketleyin. NOT: Herhangi bir kalıntı parçacık birikiminin sonraki deneyleri etkilemesini önlemek için, hem akciğer modelini hem de kapak bileşenlerini IPA veya uygun çözücü ile çalıştırmalar arasında durulamak önemlidir. Bu, istenildiği gibi toplanabilir ve analize dahil edilebilir. Ayrıca, kullanılan tüm çoğaltmaların parça bütünlüğünü korumak için IPA'ya minimum düzeyde maruz kaldığına emin olmak için bir günlük tutulur ve kullanımdan önce görsel parça incelemesi önerilir.</li>
</ol>6. Çıkış filtresi kağıt görüntüleme
<ol><li>Kuyu plakasını dijital floresan mikroskobuna yerleştirin ve mikroskobu 4 kat büyütmeye ve uygun floresan kanalına ayarlayın.</li>
	<li>Hangi lobun filtre kağıdının en yüksek miktarda parçacık birikimine sahip olduğunu görsel olarak belirleyin ve "Otomatik Açığa Çıkar" işlevini kullanın. Ortaya çıkan pozlama ve tümleştirme süresi değerlerini not alın.</li>
	<li>Bu pozlamayı çalıştırma için tüm filtrelere uygulayın ve ayarın filtrelerin tüm yüksek biriktirme alanları için tatmin edici bir görüntü üretip üretmediğini değerlendirin. NOT: Odak ayarları filtreden filtreye değiştirilebilir; ancak, belirli bir çalıştırma için tüm filtreler aynı pozlama ayarlarında analiz edilmelidir. Aynı anda yalnızca bir odak çerçevesine sahip olmak mümkündür, bu nedenle filtre kağıdındaki bükülmeler veya yırtılmalar görünümdeki biriken tüm parçacıkların odakta olmasını engelleyebilir. Filtre kağıdının kuyu plakasının altına karşı düz olmasını sağlayarak bu önlenebilir.</li>
	<li>Her lobun filtre kağıdının rastgele konumlarında en az üç görüntü alın ve .tiff dosyaları olarak kaydedin.</li>
</ol>7. Parçacık birikiminin nicelleştirilmesi
<ol><li>Belirli bir çalıştırma için tüm filtre kağıdı resimlerini bir ImageJ oturumuna içe aktarın.</li>
	<li>Görüntü | seçerek her görüntünün türünü 8 bit olarak değiştirme | yazın 8-bit.</li>
	<li>Resmi en yüksek floresanla açın ve Görüntü | | ayarlama Eşik penceresi açmak için eşik. Filtre kağıdından gelen arka plan sinyalini en aza indirmek ve parçacıkların kenarlarını açıkça tanımlamak için eşik değerlerini ayarlayın. Bkz. Şekil 3, kaliteli ve düşük kaliteli eşik tasvirleri için. NOT: Yüksek düzeyde biriktirmeye sahip filtreler için, ışığın filtre kağıdı lifleri tarafından kırınımının neden olduğu bir floresan "koronası" büyük parçacık gruplandırmaları etrafında gözlemlenebilir. Bu görüntüleri eşiklerken, çok büyük bir aralık, Şekil 3'teki"zayıf" eşik görüntülerinde gözlemlendiği gibi, bu gruplandırmaların etrafında küçük noktalar veya "tüy benzeri" şekiller görüntüler. Bu, filtre kağıdı liflerinden gelen sinyal parçacıkların kendisinden gelen sinyali gizlemeden en aza indirilene kadar eşiğin alt sınırını kademeli olarak artırarak geliştirilebilir.</li>
	<li>En yüksek floresan görüntünün eşik ayarlarını diğer tüm görüntülere yay.</li>
	<li>Analiz |'ni seçerek parçacıkların sayısını ve toplam floresan alanını ölçün Parçacıkları Analiz Edin. NOT: Veri kümeleri Sidak'ın Çoklu Karşılaştırma Testi ve iki yönlü ANOVA kullanılarak karşılaştırılır. Ayrıca, sadece ilgi lobunda biriktirme, eşit varyans varsayarak bir Öğrenci T testi kullanılarak karşılaştırılır.</li>
</ol>

<ol>
	<li>Goel, A., Baboota, S., Sahni, J. K., Ali, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exploring+targeted+pulmonary+delivery+for+treatment+of+lung+cancer.">Exploring targeted pulmonary delivery for treatment of lung cancer.</a> International Journal of Pharmaceutical Investigation. 3 (1), 8-14 (2013).</li><li>Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Li, Z., Roberts, W. L., Rojas, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+methodology+for+targeting+drug-aerosols+in+the+human+respiratory+system.">A new methodology for targeting drug-aerosols in the human respiratory system.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 51 (23), 5578-5589 (2008).</li><li>Feng, Y., Chen, X., Yang, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+In+Silico+Investigation+of+a+Lobe-Specific+Targeted+Pulmonary+Drug+Delivery+Method.">An In Silico Investigation of a Lobe-Specific Targeted Pulmonary Drug Delivery Method.</a> Design of Medical Devices Conference. , (2018).</li><li>Marple, V. A., 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=Next+generation+pharmaceutical+impactor+(a+new+impactor+for+pharmaceutical+inhaler+testing).+Part+I:+Design.">Next generation pharmaceutical impactor (a new impactor for pharmaceutical inhaler testing). Part I: Design.</a> Journal of Aerosol Medicine. 16 (3), 283-299 (2003).</li><li>Feng, Y., Zhao, J., Chen, X., Lin, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+In+Silico+Subject-Variability+Study+of+Upper+Airway+Morphological+Influence+on+the+Airflow+Regime+in+a+Tracheobronchial+Tree.">An In Silico Subject-Variability Study of Upper Airway Morphological Influence on the Airflow Regime in a Tracheobronchial Tree.</a> Bioengineering. 4 (4), 90 (2017).</li><li>Huynh, B. 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=The+Development+and+Validation+of+an+In+Vitro+Airway+Model+to+Assess+Realistic+Airway+Deposition+and+Drug+Permeation+Behavior+of+Orally+Inhaled+Products+Across+Synthetic+Membranes.">The Development and Validation of an In Vitro Airway Model to Assess Realistic Airway Deposition and Drug Permeation Behavior of Orally Inhaled Products Across Synthetic Membranes.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 103-108 (2018).</li><li>Lizal, F., Elcner, J., Hopke, P. K., Jedelsky, J., Jicha, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+realistic+human+airway+model.">Development of a realistic human airway model.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 226 (3), 197-207 (2011).</li><li>Wei, X., Hindle, M., Delvadia, R. R., Byron, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Vitro+Tests+for+Aerosol+Deposition.+V:+Using+Realistic+Testing+to+Estimate+Variations+in+Aerosol+Properties+at+the+Trachea.">In Vitro Tests for Aerosol Deposition. V: Using Realistic Testing to Estimate Variations in Aerosol Properties at the Trachea.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 30 (5), 339-348 (2017).</li><li>Kolewe, E. L., Feng, Y., Fromen, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Realizing+Lobe-Specific+Aerosol+Targeting+in+a+3D-Printed+In+Vitro+Lung+Model.">Realizing Lobe-Specific Aerosol Targeting in a 3D-Printed In Vitro Lung Model.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. , (2020).</li><li>Sul, B., 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=Assessing+Airflow+Sensitivity+to+Healthy+and+Diseased+Lung+Conditions+in+a+Computational+Fluid+Dynamics+Model+Validated+In+Vitro.">Assessing Airflow Sensitivity to Healthy and Diseased Lung Conditions in a Computational Fluid Dynamics Model Validated In Vitro.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), (2018).</li><li>Martonen, T. B., Katz, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deposition+Patterns+of+Polydisperse+Aerosols+Within+Human+Lungs.">Deposition Patterns of Polydisperse Aerosols Within Human Lungs.</a> Journal of Aerosol Medicine. 6 (4), 251-274 (1993).</li><li>Nahar, 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=In+vitro,+in+vivo+and+ex+vivo+models+for+studying+particle+deposition+and+drug+absorption+of+inhaled+pharmaceuticals.">In vitro, in vivo and ex vivo models for studying particle deposition and drug absorption of inhaled pharmaceuticals.</a> European Journal of Pharmaceutical Sciences. 49 (5), 805-818 (2013).</li><li>Nichols, S. 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=A+Multi-laboratory+in+Vitro+Study+to+Compare+Data+from+Abbreviated+and+Pharmacopeial+Impactor+Measurements+for+Orally+Inhaled+Products:+a+Report+of+the+European+Aerosol+Group+(EPAG).">A Multi-laboratory in Vitro Study to Compare Data from Abbreviated and Pharmacopeial Impactor Measurements for Orally Inhaled Products: a Report of the European Aerosol Group (EPAG).</a> AAPS PharmSciTech. 17 (6), 1383-1392 (2016).</li><li>Yoshida, H., Kuwana, A., Shibata, H., Izutsu, K. I., Goda, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+Aerodynamic+Particle+Size+Distribution+Between+a+Next+Generation+Impactor+and+a+Cascade+Impactor+at+a+Range+of+Flow+Rates.">Comparison of Aerodynamic Particle Size Distribution Between a Next Generation Impactor and a Cascade Impactor at a Range of Flow Rates.</a> AAPS PharmSciTech. 18 (3), 646-653 (2017).</li><li>Feng, Y., 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=An+in+silico+inter-subject+variability+study+of+extra-thoracic+morphology+effects+on+inhaled+particle+transport+and+deposition.">An in silico inter-subject variability study of extra-thoracic morphology effects on inhaled particle transport and deposition.</a> Journal of Aerosol Science. 123, 185-207 (2018).</li><li>Kleinstreuer, C., Seelecke, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhaler+system+for+targeted+maximum+drug-aerosol+delivery.">Inhaler system for targeted maximum drug-aerosol delivery.</a> United States patent. , (2005).</li><li>. How Medical 3D Printing is Gaining Ground in Top Hospitals Available from: <a target="_blank" href="https://www.materialise.com/en/blog/3d-printing-hospitals">https://www.materialise.com/en/blog/3d-printing-hospitals</a> (2019)</li><li>Weber, P. W., Price, O. T., McClellan, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Demographic+Variability+of+Inhalation+Mechanics:+A+Review.">Demographic Variability of Inhalation Mechanics: A Review.</a> Defense Threat Reduction Agency. , (2016).</li><li>Jiang, Y. Y., Xu, X., Su, H. L., Liu, D. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gender-related+difference+in+the+upper+airway+dimensions+and+hyoid+bone+position+in+Chinese+Han+children+and+adolescents+aged+6-18+years+using+cone+beam+computed+tomography.">Gender-related difference in the upper airway dimensions and hyoid bone position in Chinese Han children and adolescents aged 6-18 years using cone beam computed tomography.</a> Acta Odontologica Scandinavica. 73 (5), 391-400 (2015).</li><li>Martin, S. E., Mathur, R., Marshall, I., Douglas, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+age,+sex,+obesity+and+posture+on+upper+airway+size.">The effect of age, sex, obesity and posture on upper airway size.</a> European Respiratory Journal. 10 (9), 2087 (1997).</li><li>Xi, J., Longest, P. W., Martonen, T. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+the+laryngeal+jet+on+nano-+and+microparticle+transport+and+deposition+in+an+approximate+model+of+the+upper+tracheobronchial+airways.">Effects of the laryngeal jet on nano- and microparticle transport and deposition in an approximate model of the upper tracheobronchial airways.</a> Journal of Applied Physiology. 104 (6), 1761-1777 (2008).</li><li>Zhao, J., Feng, Y., Fromen, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Glottis+motion+effects+on+the+particle+transport+and+deposition+in+a+subject-specific+mouth-to-trachea+model:+A+CFPD+study.">Glottis motion effects on the particle transport and deposition in a subject-specific mouth-to-trachea model: A CFPD study.</a> Computers in Biology and Medicine. 116, 103532 (2020).</li><li>Kim, S. S., 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=Chronic+obstructive+pulmonary+disease:+lobe-based+visual+assessment+of+volumetric+CT+by+Using+standard+images--comparison+with+quantitative+CT+and+pulmonary+function+test+in+the+COPDGene+study.">Chronic obstructive pulmonary disease: lobe-based visual assessment of volumetric CT by Using standard images--comparison with quantitative CT and pulmonary function test in the COPDGene study.</a> Radiology. 266 (2), 626-635 (2013).</li><li>. The Cancer Imaging Archive Available from: <a target="_blank" href="https://www.cancerimagingarchive.net/">https://www.cancerimagingarchive.net/</a> (2020)</li><li>Li, A., Ahmadi, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computer+Simulation+of+Deposition+of+Aerosols+in+a+Turbulent+Channel+Flow+with+Rough+Walls.">Computer Simulation of Deposition of Aerosols in a Turbulent Channel Flow with Rough Walls.</a> Aerosol Science and Technology. 18 (1), 11-24 (1993).</li><li>Khalili, S. F., Ghanbarzadeh, S., Nokhodchi, A., Hamishehkar, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+different+coating+materials+on+the+prevention+of+powder+bounce+in+the+next+generation+impactor.">The effect of different coating materials on the prevention of powder bounce in the next generation impactor.</a> Research in Pharmaceutical Sciences. 13 (3), 283-287 (2018).</li><li>Galliger, Z., Vogt, C. D., Panoskaltsis-Mortari, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+bioprinting+for+lungs+and+hollow+organs.">3D bioprinting for lungs and hollow organs.</a> Translational Research. 211, 19-34 (2019).</li><li>Schwarz, K., Biller, H., Windt, H., Koch, W., Hohlfeld, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+exhaled+particles+from+the+healthy+human+lung--a+systematic+analysis+in+relation+to+pulmonary+function+variables.">Characterization of exhaled particles from the healthy human lung--a systematic analysis in relation to pulmonary function variables.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 23 (6), 371-379 (2010).</li><li>Patton, J. S., Byron, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhaling+medicines:+delivering+drugs+to+the+body+through+the+lungs.">Inhaling medicines: delivering drugs to the body through the lungs.</a> Nature Reviews Drug Discovery. 6 (1), 67-74 (2007).</li><li>Zhang, Z., Kleinstreuer, C., Kim, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cyclic+micron-size+particle+inhalation+and+deposition+in+a+triple+bifurcation+lung+airway+model.">Cyclic micron-size particle inhalation and deposition in a triple bifurcation lung airway model.</a> Journal of Aerosol Science. 33 (2), 257-281 (2002).</li><li>Ju, Y., 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=Engineering+of+Nebulized+Metal-Phenolic+Capsules+for+Controlled+Pulmonary+Deposition.">Engineering of Nebulized Metal-Phenolic Capsules for Controlled Pulmonary Deposition.</a> Advanced Science. 7 (6), 1902650 (2020).</li></ol>

Yazarların açıklayacak bir şeyi yok.

Tam bir inhalasyon dozunun pulmoner farmasötik testi için mevcut son teknoloji cihaz, bir aerosolün aerodinamik çapını ölçen Next Generator Impactor'dur(NGI). Bu boyutlandırma verileri daha sonra sağlıklı bir yetişkin erkek için geliştirilen bir korelasyona dayanarak aerosolin çökeceği akciğer neslini tahmin etmek için kullanılır11. Ne yazık ki, bu yöntem bölgesel akciğer birikimindeki farklılıkları değerlendirme, hastalık koşullarının farmasötik doğum üzerindeki etkilerini belirleme ve çeşitli yaş grupları, ırklar ve cinsiyetler için biriktirme profillerini tahmin etme yeteneği ile sınırlıdır12,13,14. Burada özetlenen protokol, araştırmacıların daha önce hesaplama modelleri3, 5 ,15'tegösterilen sıvı akış davranışına dayanarak, lob seviyesinde bağıl birikimi ölçme yeteneğine sahip ayarlanabilir, anatomik olarak doğru akciğer modelleri üretmelerine izin vererek bu test ihtiyaçlarını karşılama kapasitesine sahiptir. Bu yöntem kullanılarak, farmasötik dozaj ve doğum klinik çalışmalara girmeden önce pediatrik ve hastalıklı akciğer geometrileri için daha iyi değerlendirilebilir.
Şekil 4 ve Şekil 5'tegösterildiği gibi, lob seviyesindeki biriktirme hem hedefli hem de hedefsiz inhalasyon aerosolleri için doğru ve hızlı bir şekilde ölçülebilir. Hedefleme cihazının yokluğunda, bu boyut aralığındaki (1-5 μm) ve akış koşullarındaki (1-10 L/dk) parçacıklar, her loba yönlendirilen sıvı düzenlerini ve toplam hava akışı profilini takip eder (Şekil 4). Özellikle, inhale ilaçları kontrollü lob konumlarına konsantre etmek için çeşitli inhaler cihazlar ve ET tüpü ekleri geliştirilebilir. Son çalışmalarımızda ve diğerlerinin çalışmalarında açıklandığı gibi, inhaler cihazının, akış profilinin ve hava yolu geometrisinin birçok özelliği hedeflenen biriktirme davranışına katkıda bulunur2,3,9,16. Genel olarak, benzersiz in vitro modellerimizin gösterdiği gibi verimli bölgesel hedefleme, özellikle trakea içinde bulunan hava yolu türbülansını önlemek için dar bir aerosol boyutu dağılımı ve düşük soluma akış hızları gerektirir. Tam üst hava yolunun in vitro modelimize dahil edilmesi, aşağı akış lob seviyesi dağılımını etkilediği bilinen bu hava akışı desenlerinin doğru bir şekilde yeniden dinlenmesini sağlar9. Bu karmaşık akışlar nedeniyle, son çalışmalar glottis9'unaltından artan hedefleme göstermiştir. Şekil 5'teki sonuçlarımız, toplam dozun% 62-74'ü arasında değişen verimliliklerde hem sağ hem de sol akciğerlerin lobları için gösterilen verimli loba özgü hedefleme ile, glottis altındaki salınımdan bölgesel olarak bireysel lobları hedeflemek için bir ET tüpü adaptörü kullanmanın yararını özellikle vurgulamaktadır. Bu, daha önce deneysel olarak bildirilen ağız salınımı bölgesel hedefleme verimliliklerine göre bir artışı temsil eder ve bu yaklaşımın klinik olarak uygulanması için önemli bir yoldur9. Daha da önemlisi, protokol, burada gösterilenlerin ötesinde çok çeşitli potansiyel bölgesel hedefleme cihazlarından tam bir farmasötik dozajın deneysel lob dağılımı ölçümlerine izin verir.
Sadece bir BT taraması ile, hastaya özgü bir akciğer modeli, potansiyel bir terapötik doğum yöntemini test etmek için hızlı bir şekilde 3D yazdırılabilir. Bu protokol sadece yeni inhaler cihazların tasarımını desteklemek için deneysel bir laboratuvar ölçeği yaklaşımı sağlamakla kalmayacak, aynı zamanda klinik uygulamada isteğe bağlı kişiselleştirilmiş inhalasyon cihazları için fırsat yaratacaktır. Bu protokolde kullanılan sert reçine maliyeti ~$0.12/mL; bu nedenle, mevcut 3D baskı altyapısına sahip hastaneler,17$ gibi küçük malzemelere 15 $ gibi bir akciğer modeli yazdırabilir ve bir günden kısa bir sürede kişiselleştirilmiş bir hava yolu monte edebilir. Özellikle, eklemeli üretimde baskı süreleri ve malzeme maliyetleri hızla azalmaya devam erek bu yaklaşımın genel fizibilitesini artırmaktadır. Deneysel kurulumumuz, Şekil 4'tegösterilen deneysel doğrulamayı takiben, farklı bir akciğer modeli veya hava akışı dağıtım ayarı kullanılarak bir dizi hava akışı koşulunun yansıtılması için kolayca değiştirilebilir. Yaş, ırk ve cinsiyet gibi özelliklere bağlı akciğer akış profilleri ve geometrilerindeki farklılıklar literatürde iyi belgelenmiştir ve modellemeyaklaşımımız18, 19,20'yekolayca dahil edilebilir. Özellikle, akciğer modellerinin larinks, farenks ve trakeasındaki geometrik varyasyonlar, hava akışı ve sonraki bölgesel biriktirme desenleri15 , 21,22, bu protokolün tespit etmek için iyi donanımlı olduğu üzerinde önemli bir etkiye sahip olabilir. Bu nedenle, bu kişiselleştirilmiş modelleme yaklaşımının dahil edilmesi, özelleştirilmiş inhalasyon terapötiklerinin geliştirilmesi üzerinde önemli bir etkiye sahip olması beklenmiştir.
Burada, lob akış hızları, alt loblara hava akışının azalmasıyla karakterize bir KOAH hastalığı durumunu yansıtacak şekilde değiştirilmiştir (Şekil 4B), ancak KOAH hasta kaynaklı BT taramaları, hastalıklı akciğer mimarisini ve olası tıkanıklıkları daha doğru bir şekilde taklit etmek için de kullanılabilir23. Hasta akciğer modelleri ve akış profillerinden oluşan bir kütüphane ile hastalığın ilerlemesinin doğum verimliliği üzerindeki etkileri araştırılabilir. Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) ve Kanser Görüntüleme Arşivi (TCIA)24gibi kuruluşlardan çok çeşitli açık kaynaklı taramalar mevcuttur. Bu modeller şu anda lob seviyesi dağılımını yeterince ölçmek için hasta geometrisini sadece ikinci veya üçüncü nesle kadar çoğaltabilirken, daha ayrıntılı analiz için alt hava yollarını içerebilecek değişiklikler geliştirmek için çalışmalar devam etmektedir. Bu protokol ayrıca Şekil 5B'degösterildiği gibi bir ET tüpü gibi klinik olarak ilgili ilaç dağıtım cihazlarını da dahil edebilir. Araştırmacılar, tedavi verimliliğini artırabilecek veya azaltabilecek özellikleri ortaya çıkarmak için birden fazla teslimat cihazını değerlendirebilir. Örneğin, entübe akciğer modelinin aksine tam akciğer modelinde denendiğinde hedefleme etkinliği azalır (Şekil 5). Bu fark, glottal bölgeyi atlamanın, hedefleme yeteneğini azaltan türbülanslı karıştırma alanlarından kaçındığını gösterir.
Bu protokol, biyolojik hava-sıvı arayüzünü doğru bir şekilde taklit edememesiyle sınırlıdır. Sonuç olarak, normalde ataletsel darbe ile biriken aerosoller bunun yerine akciğer modelinin sert duvarlarındansekebilir 25. Bunu iyileştirmek için, gelecekteki talimatlar arasında akciğer epitelinin mukozal tabakasını taklit etmek için yüzey modifikasyonlarını ve kaplamalarını keşfetmek yer almaktadır. Silikon yağı ve gliserin gibi kaplamalar bir NGI'de parçacık sıçramasının önlenmesi için araştırılmıştır ve 3D baskılı akciğer modellerine kolayca dahil edilebilir26. 3D baskılı modellerde hücrelerin biyobaskı ve kültleştirilmesi gibi diğer teknikler, protokol27'yehücresel bir yanıt ekleme yetenekleri için araştırılmaktadır. Ayrıca, bu protokol 1-15 L/ dk akış hızları için optimize edilmiş ekipman kullanır; gelecekte, 30-60 L / dk daha yüksek akış hızları, pik inspiratuar akış hızlarının normal aralığı, istenen akış hızı aralığı28 , 29için uygun olanlar için kontrol vanaları ve akış sayaçları değiştirilerek kullanılabilir. Kullanılan akış kontrol cihazı modeli ile sistem, tam döngüsel bir solunum döngüsü yerine sadece ilhamı modelleyebiliyor. Geçici solunum modellerinin bir ventilatör veya daha karmaşık bir akış sistemi kullanılarak birleştirilmesi, parçacık biriktirme verimliliği açısından deneysel sonuçların doğruluğunu artıracaktır30. Son olarak, biriktirme deneyleri sadece 1-5 μm arasında değişen monodispersan floresan polistiren kürelerle gerçeklenmiştir. Biriktirme nicelasyonu aerosol floresan bazlıdır, bu nedenle bu protokolün floresan olmayan aerosollerle kullanılması, analiz için floresan izotiyosiyanat (FITC) gibi bir floresan etiketin dahil edilmesini gerektirebilir31. Bununla birlikte, yüksek performanslı sıvı kromatografisi (HPLC) ve kütle spektrometresi gibi aerosol bileşimine bağlı olarak filtreyi analiz etmek için ek analitik teknikler uygulanabilir.
Protokolümüz, hastaya özgü akciğer geometrisinde lobuler pulmoner birikimi ölçme yeteneğine sahip ilk in vitro deneysel kurulumu göstermektedir. Kontrollü lob seviyesi dağılımının, sadece in vitro tam doz ölçümlerindeki gelişmelerle elde edilecek olan inhalasyon terapötiklerinin terapötik etkinliğini artırması beklenebilir. Kişiselleştirilmiş tıbba olan ilginin artmasıyla, bu protokol, potansiyel tedavi etkinliğinin daha doğru tahminlerine izin vererek yeni hedefe yönelik akciğer tedavilerinin geliştirilmesini teşvik etme potansiyeline sahiptir.

Akciğer kanseri ve kronik obstrüktif akciğer hastalığı (KOAH) gibi birçok akciğer hastalığı hastalık özelliklerinde bölgesel farklılıklar göstermektedir; bununla birlikte, akciğerin sadece hastalıklı bölgelerine ilaç verilmesini hedeflemek için terapötik tekniklerin eksikliğivardır 1. Birden fazla hesaplamalı akışkan dinamiği (CFD) modeli, akciğer 2,3'teki belirli düzenleri tanımlayarak ilaç biriktirme profillerini modüleetmeninmümkün olduğunu göstermiştir. Hastalıklı akciğer bölgelerine aerosol dağılımını kontrol etmek için laboratuvarımızda bölgesel hedefleme yeteneklerine sahip hem inhalatörlerin hem de endotrakeal (ET) tüp adaptörlerinin geliştirilmesi devam etmektedir. Bu ilkelerin klinik kullanıma genişletilmesi mevcut preklinik test kapasitesi ile sınırlıdır. Bir ilacın akciğer içinde biriktirdİğİ kesin konum, etkinliğin en iyi tahmincisi olarak bilinir; bununla birlikte, solunabilir terapötiklerin mevcut farmasötik değerlendirmeleri en sık parçacık boyutunun in vitro-in vivo korelasyonları kullanılarak sadece yaklaşık biriktirme4kullanılarak tahmin edilmektedir. Bu teknik, farklı hava yolu geometrilerinin akciğerin çeşitli lobları aracılığıyla bölgesel dağılım üzerindeki etkilerini belirlemek için herhangi bir mekansal analize izin vermez. Ek olarak, bu test anatomik olarak doğru akciğer geometrilerinden yoksun, araştırmacıların gösterdiği biriktirme profilleri üzerinde önemli bir etkisi olabilir5. Hastaya özgü akciğer geometrilerinin üst hava yollarının eklenmesi yoluyla test protokollerine dahil etmek için bazı çabalar yapılmıştır; bununla birlikte, bu yaklaşımların çoğu her akciğer lob6,7,8yerine akciğerin çeşitli nesillerine aerosol iletimini örnekler. Aşağıdaki protokol, akciğer9'unbeş lobunun her birinde bağıl parçacık birikimini ölçme kapasitesine sahip hastaya özgü akciğer modelleri üretmek için yüksek verimli bir yöntem sunar.
Anatomik olarak doğru model akciğerler 3D baskı hasta bilgisayarlı tomografi (BT) taramaları ile üretilir. Kolayca monte edilmiş bir akış sistemi ile birlikte kullanıldığında, model akciğer loblarının her biri aracılığıyla göreli akış hızları bağımsız olarak kontrol edilebilir ve farklı hasta demografisi ve/ veya hastalık durumlarını taklit etmek için uyarlanabilir. Bu yöntemle araştırmacılar, potansiyel terapötik yöntemlerin etkinliğini ilgili bir akciğer geometrisinde test edebilir ve her yöntemin performansını hastalıklı morfolojinin ilerlemesiyle ilişkilendirebilir. Burada laboratuvarımızda geliştirilen iki cihaz tasarımı, ağızda veya trakeadaki aerosol salınımının yerini kontrol ederek istenilen akciğer lobunda birikimi artırma yetenekleri açısından test edilmektedir. Bu protokol ayrıca, o hastanın BT tarama verilerine özgü bir model akciğerde tedavi etkinliğinin hızlı tahminini kolaylaştırarak hastalar için kişiselleştirilmiş prosedürlerin gelişimini önemli ölçüde etkileme potansiyeline sahiptir.

<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

Pulmoner hastalıklar için hedefe yönelik tedavilerin geliştirilmesi, bölgesel aerosol doğumunun öngörülebilmesi ile preklinik test yöntemlerinin mevcudiyeti ile sınırlıdır. Hastaya özgü akciğer modelleri oluşturmak için 3D baskıdan yararlanarak, lobuler pulmoner birikimi ölçmek için yüksek verimli, in vitro deneysel bir kurulumun tasarımını özetliyoruz. Bu sistem, piyasada bulunan ve 3D baskılı bileşenlerin bir kombinasyonu ile yapılır ve akciğerin her lobunun akış hızının bağımsız olarak kontrol edilmesine izin verir. Floresan aerosollerin her loba teslimi floresan mikroskopi kullanılarak ölçülür. Bu protokol, çok çeşitli hasta demografisini ve hastalık durumlarını modelleme yeteneği ile solunum yolu hastalıkları için kişiselleştirilmiş tıbbın büyümesini teşvik etme potansiyeline sahiptir. Hem 3D baskılı akciğer modelinin geometrisi hem de hava akış profili ayarı, değişen yaş, ırk ve cinsiyete sahip hastalar için klinik verileri yansıtacak şekilde kolayca modüle edilebilir. Burada gösterilen endotrakeal tüp gibi klinik olarak ilgili ilaç dağıtım cihazları, bir cihazın akciğerin hastalıklı bir bölgesine terapötik teslimatı hedefleme kapasitesini daha doğru tahmin etmek için test kurulumuna dahil edilebilir. Bu deneysel kurulumun çok yönlülüğü, çok sayıda inhalasyon koşullarını yansıtacak şekilde özelleştirilmesini sağlar ve klinik öncesi terapötik testlerin titizliğini artırır.

Bu boyut aralığındaki (1-5 μm) ve akış koşullarındaki (1-10 L/dk) parçacıklar, hem teorik Stokes sayılarına hem de in vivo verilerine göre akışkan akışı çizgilerini takip eder; bu nedenle, hedeflenen bir teslimat cihazının yokluğunda, akciğer modeline salınan parçacıkların, her loba yönlendirilen toplam hava akışının yüzdesine göre birikmesi beklenir. Daha sonra her loba göreli miktarda partikül iletimi, hastaya özgü yüksek çözünürlüklü bilgisayarlı tomografi (HRCT) taramaları10analiz edilerek elde edilen klinik lob akış hızı verileriyle karşılaştırılabilir. Doğrulanmış deneysel kurulum, klinik hava akış profilinden istatistiksel olarak anlamlı bir farkı olmayan hedeflenmemiş bir parçacık biriktirme profili sağlayacaktır. Doğrulama verileri iki ayrı akış koşulu için sunulur: sağlıklı bir akciğerde 1 L/dk (Şekil 4A) ve KOAH'dan etkilenen bir akciğerde 1 L/dk (Şekil 4B). Her iki koşulda da, deneysel olarak belirlenen biriktirme profili istatistiksel olarak klinik verilerden farklı değildi ve bu da kurulumun hava akışının akciğer loblarının her birine dağılımını doğru bir şekilde taklit ettiğini gösterdi. Bu temel biriktirme profilleri, hedeflenen parçacık biriktirme profillerinin karşılaştırıldığı denetim olarak hizmet eder.
Bu protokolün bölgesel pulmoner biriktirmedeki değişiklikleri ölçme yeteneğini göstermek için, iki farklı hedefleme cihazının test edilmesi için veriler dahil edilmiştir: değiştirilmiş bir endotrakeal (ET) tüp (Şekil 5B) ve eşmerkezli silindir cihazı (Şekil 5E). Her iki cihaz da hedeflenen parçacık salınımı için ayarlanabilir konuma sahip 2 mm'lik bir kimlik çıkışına sahip. Modifiye ET tüpü, parçacık birikimini hem Sol Alt (LL) Lob hem de Sağ Alt (RL) Lob'a hedefleme yeteneği için entübe akciğer modeli ile değerlendirildi. Hedeflenmemiş parçacık biriktirme profili ile karşılaştırıldığında, bu cihaz, teslim edilen parçacıkların% 96'sını Sol Akciğere yönlendirmenin yanı sıra LL Lobe iletiminde (T-test p=0.004, n=3) yaklaşık dört kat artış sağladı(Şekil 5A). RL Lob'u hedeflemek için serbest bırakma konumu ayarını değiştiren bu cihaz, RL Lobu'na (T-test p=0.02, n=3) iki katından fazla parçacık teslimatı yaptı ve teslim edilen parçacıkların% 94'ünü Sağ Akciğer'e yönlendirdi (T-test p=0.0005, n=3) (Şekil 5C). Bu, cihazın hedeflenen biriktirme profili modülasyonunu üretmede oldukça başarılı olduğunu gösterir. Eşmerkezli silindir cihazı, Sol Üst (LU) Lobun hedeflenen hedefi ile tam akciğer modelinde test edildi. Hedeflenmemiş parçacık biriktirme profili ile karşılaştırıldığında, bu cihaz, teslim edilen parçacıkların% 87'sine (T-test p=0.002, n=3) yönlendirmeye ek olarak LU Lob iletiminde (T-test p=0.0003, n=3) yaklaşık üç kat artışa neden oldu (Şekil 5D). Hedefleme verimliliği, hedef lob filtresinin görüntülerini diğer çıkış filtreleriyle karşılaştırarak niteliksel olarak da gözlemlenebilir. Şekil 3'tegösterildiği gibi, en etkili hedefleme yöntemi, hedeflenen ilgi lobunda yüksek partikül birikimi ve kalan lob çıkışlarında düşük biriktirme sağlayacaktır. Bu protokolün yeteneklerinin daha fazla gösterimi için lütfen Kolewe ve ark 9 tarafındangerçekleştirilendeneylere bakın.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig01.jpg"> Şekil 1: 3D baskılı deneysel bileşenler. (A) Hasta CT taraması, CT taraması ve mesh düzenleme yazılımı kullanılarak 3D parça dosyasına dönüştürülür. (B) Mesh düzenleme ve 3D modelleme yazılımında yapılan lob çıkış modifikasyonları ile akciğer modeli. (C) Entübe bir hastayı yansıtmak için 3D modelleme yazılımında giriş modifiye edilmiş akciğer modeli. (D) Dikenli boru bağlantısı ve (E) kapağı 3D modelleme yazılımında tasarlanmıştır. (F) Kapak ve dikenli boru bağlantısı ile akciğer modeli çıkışlarının birbirine kenetlenen doğasını gösteren 3D modelin kesiti. (G) Akciğer modeli çıkış kapağı montajının patlatılmış görünümü. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61706/61706fig01large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig02.jpg"> Şekil 2: Deneysel kurulumun montajı. (A)(1) nebülizör, (2) akciğer modeli, (3) çıkış kapağı, (4) debi ölçer, (5) vana, (6) manifold, (7) akış kontrolörü ve (8) vakum pompası dahil olmak üzere deneysel kurulum şeması. (B) Tamamen monte edilmiş kurulum. (C) Lob çıkışının monte edilmiş kapaklı yakın çekimi. (D) Tüm kapakları ekli akciğer modeli. (E) Lob çıkış akış hızlarını ayarlamak için boru ağının yakın çekimi. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61706/61706fig02large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig03.jpg"> Şekil 3: Kağıt görüntü işleme filtreleyin. Sunulan ham görüntüler, sağlıklı bir nefes profili altında 1 L/dk'da 1 μm floresan polistiren parçacıkları kullanılarak sol akciğeri hedeflemek için yapılan bir deney sırasında toplanmıştır. "Yüksek" ve "düşük" ifade görüntüleri sırasıyla LL ve RU Lob filtrelerini tasvir eder. 43 ila 255 aralığında uygulanan "iyi" eşik, tek tek parçacıklar arasındaki tanımlanmış kenarları korur ve filtre kağıdı liflerinin algılanmasını önler. 17 ila 255 aralığında uygulanan "zayıf" eşik, tek tek parçacık sınırlarını gizler ve filtrenin floresan alanını abartır. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61706/61706fig03large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig04.jpg"> Şekil 4: Deneysel kurulum doğrulaması. (A) Sağlıklı hastalar için doğrulama sonuçları ve (B) 1 L / dk'da bir KOAH hastası. Sunulan tüm veriler, SD'± üç kopya ile ortalamadır (sadece bir hastanın bildirildiği klinik KOAH verileri hariç). Sağlıklı ve KOAH hastaları için klinik referans verileri Sul, vd10.'danalınmıştır. Veri kümeleri Sidak'ın Çoklu Karşılaştırma Testi kullanılarak karşılaştırıldı ve tüm farklılıklar önemli değil. <a href="https://www-jove-com.bdigitaluss.remotexs.co/files/ftp_upload/61706/61706fig04large.jpg" target="_blank">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig05.jpg"> Şekil 5: Denemeleri hedeflemek için örnek veriler. (A) Sol Alt Lob ve (C) Sağ Alt Lob hedeflemesi (B) modifiye et tüp dağıtım sistemi kullanılarak elde edildi. (D) Sol Üst Lob hedeflemesi (E) eşmerkezli tüp dağıtım sistemi kullanılarak elde edilir. Her üç veri kümesi için de iç halka, kurulum doğrulaması sırasında elde edilen hedeflenmemiş biriktirme profilini, dış halka ise belirtilen hedefleme aygıtının eklenmesiyle üretilen biriktirme profilini temsil eder. Her kurulum için üç çoğaltma aracı gösterilir. Veri kümeleri, Sidak'ın Çoklu Karşılaştırma Testi ve eşit varyans varsayarak bir Öğrenci T testi kullanılarak karşılaştırıldı. Her üç kurulum da ilgi alanı loba teslimatta önemli bir artışa neden oldu: LL Lobe (T-test p=0.004, n=3), RL Lobe (T-test p=0.02, n=3) ve 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">Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Evaluating Regional Pulmonary Deposition using Patient-Specific 3D Printed Lung Models at JoVE.com

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

Ayarlanabilir hava akış profillerine sahip CT tarama türevli, 3D baskılı akciğer modellerini kullanarak lob seviyesinde bölgesel pulmoner birikimi ölçmek için yüksek verimli, in vitro bir yöntem sunuyoruz.

Hastaya Özgü 3D Baskılı Akciğer Modelleri Kullanılarak Bölgesel Pulmoner Birikimin Değerlendirilmesi

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 Görüntüleme.  University of Delaware. Ayarlanabilir hava akış profillerine sahip CT tarama türevli, 3D baskılı akciğer modellerini kullanarak lob seviyesinde bölgesel pulmoner birikimi ölçmek için yüksek verimli, in vitro bir yöntem sunuyoruz.

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

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.

Kombine bir 3D doku mühendisliği<em&gt; İn Vitro</em&gt; /<em&gt; Siliko</emSpesifik mutasyonel Arka İlaç Etkinliği tahmin için&gt; Akciğer Tümör Modeli

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 ...

Biyomühendislik

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.

Fonksiyonel Araştırmaları 3D İnsan Akciğer Doku Modeli<em&gt; Mycobacterium tuberculosis</em&gt; Enfeksiyon

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 ...

İmmünoloji ve Enfeksiyon

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.

Akciğer Gelişim Biyolojisi ve Hastalığının Modellenerek İndüklenen Pluripotent Kök Hücrelerden 3D Bütün Akciğer Organoidlerinin Üretimi

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

Gelişim Biyolojisi

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.

Preklinik X-ışını bilgisayarlı tomografi Veri 3D Yazdırma Setleri

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

Biyoloji

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.

Hastalık modelleme için insan 3D akciğer doku kültürleri (3D-LTCs) nesil

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

Tıp

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.

Girişimsel Planlama ve Eğitim için 3D Baskılı Kardiyovasküler Fantomların Geliştirilmesi ve Değerlendirilmesi

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.

Tiroid cerrahisinde preoperatif değerlendirme için kişiselleştirilmiş 3D baskılı bir model

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

Pulmoner Nodüllerin Tanı ve Tedavisi için 3D Rekonstrüksiyon

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.

Yazar Spotlight: Pulmoner Nodüllerin Tanı ve Tedavisi için Bir 3D Dijital Model  

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.

Pulmoner nodüllerin tanı ve tedavisi için 3D dijital model

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

Hastaya Özgü 3D Baskılı Akciğer Modelleri Kullanılarak Bölgesel Pulmoner Birikimin Değerlendirilmesi

Özet

Daha Fazla Video Keşfet

Bu videodaki bölümler

Kombine bir 3D doku mühendisliği

Fonksiyonel Araştırmaları 3D İnsan Akciğer Doku Modeli

Akciğer Gelişim Biyolojisi ve Hastalığının Modellenerek İndüklenen Pluripotent Kök Hücrelerden 3D Bütün Akciğer Organoidlerinin Üretimi

Preklinik X-ışını bilgisayarlı tomografi Veri 3D Yazdırma Setleri

Hastalık modelleme için insan 3D akciğer doku kültürleri (3D-LTCs) nesil

Girişimsel Planlama ve Eğitim için 3D Baskılı Kardiyovasküler Fantomların Geliştirilmesi ve Değerlendirilmesi

Tiroid cerrahisinde preoperatif değerlendirme için kişiselleştirilmiş 3D baskılı bir model

Pulmoner nodüllerin tanı ve tedavisi için 3D dijital model

Pulmoner nodüllerin tanı ve tedavisi için 3D dijital model

Pulmoner nodüllerin tanı ve tedavisi için 3D dijital model