מחלות נשימה הן בעיה מאתגרת לטיפול. תרופות לשאיפה הן פיתרון מבטיח התלוי ביכולת לספק חלקיקים זעירים המכונה אירוסולים למיקום הנכון בריאות במינון הנכון.
כמה יעיל זה עובד יכול להסתבך, תלוי בתרופה, בשיטת הלידה ולמטופל. הסיבה לכך היא שקשה לחזות עד כמה התרופה נכנסת ואיפה היא נכנסת לריאה. אתגרים דומים קיימים כשחושבים על מדידת חשיפה סביבתית בשאיפה, נניח לחלקיקי אסבסט או לרעלן כמו עשן.
אם זה משהו סביבתי ורעיל שאנחנו מודאגים ממנו, לדעת כמה רחוק וכמה עמוק בריאה זה הולך. אם היא מעצבת תרופה תרופתית טובה יותר לאסטמה או למחלת נשימה, בידיעה בדיוק היכן נוחתת האירוסול בשאיפה וכמה עמוק התרופה יכולה לחדור לחזות עד כמה זה עובד. "
קתרין פרום, אוניברסיטת דלאוור המאה פרופסור חבר למצויינות במחקר וחינוך במחלקה להנדסה כימית וביומולקולרית
פרום ושני בוגרי UD פיתחו מודל ריאות תלת מימדי הניתן להתאמה שיכול לשכפל תמרוני נשימה ריאליסטיים ולהציע הערכה אישית של טיפולי אירוסול בתנאי נשימה שונים. החוקרים הגישו בקשת פטנטים על ההמצאה באמצעות משרד ה- UD לחדשנות ושותפויות כלכליות (OEIP), היחידה האחראית לניהול קניין רוחני ב- UD.
במאמר שפורסם בכתב העת הֶתקֵןפרום וצוותה מדגימים כיצד מודל הריאה התלת -ממדי החדש שלהם יכול לקדם את ההבנה כיצד מתנהגים תרופות הניתנות לשאיפה בדרכי הנשימה העליונות ובאזורים העמוקים יותר של הריאה. זה יכול לספק תמונה רחבה יותר כיצד לחזות את היעילות של תרופות שניתן לשאיפה במודלים והדמיות מחשב עבור אנשים או קבוצות גיל שונות. החוקרים מפרטים את העיתון כיצד בנו את מבנה התלת מימד ומה שלמדו עד כה.
כלי מחקר יקר
מטרת הריאה היא חילופי גז. בפועל, לרוב מתקרב הריאה כגודל של מגרש טניס המחליף חמצן ופחמן דו חמצני עם זרם הדם בגופנו. זהו שטח פנים ענק, ופונקציה זו היא קריטית – אם הריאות שלך יורדות, אתה בצרות.
פרום תיאר את ארכיטקטורת הריאות המסועפת הזו כמו עץ שמתחיל בתא המטען ומסתעף לגפיים קטנות וקטנות יותר, שנע בין כמה סנטימטרים בקנה הנשימה לכ- 100 מיקרון (בערך רוחב משולב של שני שערות על הראש) האזורים הרחוקים ביותר של הריאה. סניפים אלה יוצרים רשת מורכבת המסננת תרסיסים כשהם עוברים דרך הריאה. בדיוק כשענפי העץ מסתיימים בעלים, ענפי הריאה מגיעים לשיאם במבנים עדינים דמויי עלים הנקראים alveoli, שם מחליפים גזים.
"אלוואולי בדרכי הנשימה העמוקות יותר הופכים את שטח הפנים המספק את חילופי הגזים ההכרחיים הזה, כך שאתה לא רוצה שדברים סביבתיים ייכנסו לשם במקום שהם יכולים לפגוע במבנים הרגישים והעדינים האלה", אמר פרום, שיש לו פגישה משותפת בביו -רפואה הַנדָסָה.
חיקוי המבנה המורכב ותפקודו של הריאה במסגרת מעבדה הוא מאתגר מטבעו. מודל הריאות התלת-ממדי המפותח UD הוא ייחודי בכמה אופנים. ראשית, המודל נושם באותה תנועה מחזורית כמו ריאה בפועל. זה המפתח, אמר פרום. המודל מכיל גם מבני סריג לייצוג כל הנפח והשטח הפנים של ריאה. סריגים אלה, המאפשרים באמצעות הדפסת תלת מימד, הם חידוש קריטי, המאפשרים לעיצוב מדויק לחקות את תהליכי הסינון של הריאה מבלי שתצטרך לשחזר את המורכבות הביולוגית המלאה שלה.
"אין כרגע שום דבר שיש בו את שתי התכונות האלה", הסבירה. "המשמעות היא שאנחנו יכולים להסתכל על כל המינון של תרופה בשאיפה. אנחנו יכולים להסתכל על החשיפה לאורך זמן, ואנחנו יכולים לתפוס את מה שקורה כשאתה שואף את התרופה ואיפה מרבצי התרופות, כמו גם מה שנושף כשאתה נושם "
תהליך הבדיקה
בדיקה עד כמה נעות תרסיס או חלקיקים סביבתיים עוברים בתוך מודל הריאות התלת-ממדי הוא תהליך רב-שלבי. החשיפה של המודל לאירוסול אורך רק כחמש דקות, אך הניתוח גוזל זמן. החוקרים מוסיפים מולקולות ניאון לפיתרון שנבדק כדי לעקוב אחר היכן החלקיקים מפקידים בתוך 150 החלקים השונים של הדגם.
"אנו שוטפים כל חלק ושוטפים את כל מה שמפקד. הקרינה היא רק מולקולה בתמיסה. כאשר היא מפקידה, אנו יודעים את הריכוז של זה, ולכן כשאנחנו שוטפים אותו, אנו יכולים למדוד כמה פלואורסצנט התאושש, "אמר פרום.
נתונים אלה מאפשרים להם ליצור מפת חום של מקום בו התרסיסים מפקידים ברחבי דרכי הנשימה של דגם הריאות, אשר לאחר מכן ניתן לאמת כנגד נתונים קליניים מסומנים למקום בו היו צפויים אירוסולים כאלה להיכנס לאדם בתנאים דומים.
המודל הנוכחי של הצוות תואם לאדם בריא בתנאי ישיבה/נשימה לגודל אירוסול יחיד, אך הצוות של Fromen פועל להבטיח שהמודל רב תכליתי במגוון רחב יותר של תנאים.
"התקף אסטמה, פעילות גופנית, סיסטיק פיברוזיס, הפרעת ריאות חסימתית כרונית (COPD) – כל הדברים האלה הולכים להשפיע באמת על המקום בו התרסיסים מפקידים. אנו רוצים לוודא שהמודל שלנו יכול לתפוס את ההבדלים האלה", אמר פרום.
היכולת להסתכל על תכונות מחלות ספציפיות, למשל, צמצום דרכי הנשימה או הצטברות ריר, יכולה יום אחד לתרום לטיפול מותאם אישית יותר. לדוגמה, אולי חולה עשוי להזדקק למינונים ארוכים יותר של רפואה מכיוון שהתרופות לא מתרוויות באתר הגוף, או שאולי הם זקוקים למשאף מטופלים מעוצב מחדש, ולכן הוא מכוון לאזור ספציפי. זה כרגע קשה ליישום, אך המודל המפותח על ידי UD מספק כלי בסיסי לשאלת השאלות הללו.
"זה חשוב מכיוון שכרגע, תרופות בשאיפה מעוצבות בגישה אחת מתאימה לכל גודל. אבל מישהו שיש לו COPD קשה, למשל, הולך לנשום בצורה שונה מאוד ויש לו מבנה ריאה שונה מאוד ממישהו שכן הוא בריא, "אמר פרום.
בנוסף, תרופות רבות בשאיפה נכשלות במחקרים קליניים מסיבות לא ידועות. כאשר זה לא עובד, החוקרים תוהים, האם המולקולה שאינה יעילה, האם הניסוח פגום? או שמא המולקולה לא הצליחה להצטבר ברמה מסוימת ביעד שלה בריאות?
לדברי פרום, ניסויים קליניים מתמקדים בדרך כלל בשאלה אם תרופה גורמת לשיפור מדיד במחלה, בעוד שהכלי המפותח ב- UD יכול לספק תובנות עמוקות יותר. זה יכול לקבוע אם האירוסול הגיע לאן שהוא צריך ללכת מלכתחילה, ובכמות הנכונה, עלול לחסוך זמן ומאמץ בפיתוח ניסוח והפחתת החסרונות במהלך ניסויים קליניים.
החוקרים שיתפו את העיצוב והשיטות שלהם במתכונת קוד פתוח, בתקווה שאחרים יאמצו את הטכניקה המפותחת UD.
"מה שהופך אותו לנגיש לחוקרים אחרים פותח את הדלת לשיתופי פעולה בעלי השפעה", אמר פרום. "קלינאים יכולים לספק לנו פרופילי חולים עדיפים לדגמים, ואילו מפתחי תרופות יכולים לשלב את המודל בזרימות העבודה שלהם כדי לייעל את הטיפולים בתנאי נשימה ספציפיים."
מעבר ליישומים בפיתוח תרופות, המודל המפותח על ידי UD מוכיח גם הוא בעל ערך בתחומים אחרים. בפרויקט חדש שמומן במעבדת המחקר של הצבא, בשיתוף עם קבוצה באברדין פרובינג קרקע, מפרסן משתמשת במודל המפותח UD כדי לעזור לחוקרי הרעלים להבין חשיפות סביבתיות – לא רק עד כמה הדברים נכנסים, אלא כמה נכנסים לאורך זמן נתון וכמה מפקיד באילו אזורים בריאה, ומה ההשפעה, חיובית או שלילית.
