Les maladies respiratoires sont un problème difficile à traiter. Les médicaments inhalables sont une solution prometteuse qui dépendent de la capacité de livrer de minuscules particules appelées aérosols à l'emplacement correct dans les poumons à la bonne posologie.
Dans quelle mesure cela fonctionne efficacement peut être compliqué, selon le médicament, la méthode d'administration et le patient. En effet, il est difficile de prédire la quantité de médicaments entre et où il va dans le poumon. Des défis similaires existent lorsque vous envisagez de mesurer une exposition environnementale inhalée, par exemple aux particules d'amiante ou d'une toxine comme la fumée.
Si c'est quelque chose d'environnement et de toxique qui nous préoccupe, savoir jusqu'où et dans le poumon est profond est important. S'il conçoit un meilleur médicament pharmaceutique pour l'asthme ou une maladie respiratoire, sachant exactement où les terres d'aérosols inhalées et à quelle profondeur le médicament peut pénétrerra à quel point cela fonctionne. «
Catherine Froen, professeur agrégé du centenaire de l'Université du Delaware pour l'excellence en recherche et en éducation au département de génie chimique et biomoléculaire
Les anciens et deux anciens de l'UD ont développé un modèle pulmonaire 3D adaptable qui peut reproduire les manœuvres respiratoires réalistes et offrir une évaluation personnalisée de la thérapeutique aérosol dans diverses conditions de respiration. Les chercheurs ont soumis une demande de brevet sur l'invention par le biais du Bureau de l'innovation économique et des partenariats de l'UD (OEIP), l'unité responsable de la gestion de la propriété intellectuelle à UD.
Dans un article publié dans la revue AppareilFromen et son équipe montrent comment leur nouveau modèle pulmonaire 3D peut faire progresser la compréhension de la façon dont les médicaments inhalables se comportent dans les voies respiratoires supérieures et les zones plus profondes du poumon. Cela peut fournir une image plus large sur la façon de prédire l'efficacité des médicaments inhalables dans les modèles et les simulations informatiques pour différentes personnes ou groupes d'âge. Les chercheurs détaillent dans le document comment ils ont construit la structure 3D et ce qu'ils ont appris jusqu'à présent.
Outil de recherche précieux
Le but du poumon est l'échange de gaz. En pratique, le poumon est souvent approximé comme la taille d'un court de tennis qui échange de l'oxygène et du dioxyde de carbone avec la circulation sanguine dans notre corps. Il s'agit d'une énorme surface, et cette fonction est critique – si vos poumons baissent, vous avez des ennuis.
Fromen a décrit cette architecture pulmonaire ramifiée comme un arbre qui commence par un tronc et se ramifie dans des membres de plus en plus petits, allant de taille de quelques centimètres dans la trachée à environ 100 microns (à peu près la largeur combinée de deux poils sur votre tête) Les régions les plus éloignées du poumon. Ces branches créent un réseau complexe qui filtre les aérosols lorsqu'ils voyagent dans le poumon. Tout comme les branches des arbres se terminent par des feuilles, les branches du poumon culminent dans des structures délicates en forme de feuilles appelées alvéoles, où les gaz sont échangés.
« Ces alvéoles dans les voies respiratoires plus profondes font de la surface qui fournit cet échange de gaz nécessaire, de sorte que vous ne voulez pas que des choses environnementales se retrouvent là où elles peuvent endommager ces structures sensibles et plus fines », a déclaré Fromen, qui a un rendez-vous conjoint en biomédical ingénierie.
Imiter la structure et la fonction complexes du poumon en laboratoire est intrinsèquement difficile. Le modèle pulmonaire 3D développé par UD est unique de plusieurs manières. Premièrement, le modèle respire le même mouvement cyclique qu'un réel poumon. C'est la clé, a déclaré Fromen. Le modèle contient également des structures de réseau pour représenter l'ensemble du volume et de la surface d'un poumon. Ces réseaux, rendus possibles grâce à l'impression 3D, sont une innovation critique, permettant à une conception précise d'imiter les processus de filtrage du poumon sans avoir à recréer sa complexité biologique complète.
« Il n'y a rien actuellement qui a ces deux fonctionnalités », a-t-elle expliqué. « Cela signifie que nous pouvons regarder la dose entière d'un médicament inhalé. Nous pouvons regarder l'exposition au fil du temps, et nous pouvons capturer ce qui se passe lorsque vous inspirez le médicament et où les médicaments dépassent, ainsi que ce qui est expiré lorsque vous respirez . «
Le processus de test
Tester jusqu'où un aérosol ou une particule environnementale se déplace à l'intérieur du modèle pulmonaire 3D est un processus en plusieurs étapes. L'exposition du modèle à l'aérosol ne prend qu'environ cinq minutes, mais l'analyse prend du temps. Les chercheurs ajoutent des molécules fluorescentes à la solution testée pour suivre où les particules se déposent à l'intérieur des 150 parties différentes du modèle.
« Nous lavons chaque partie et rinçons tout ce qui dépose. La fluorescence n'est qu'une molécule dans la solution. Quand elle se dépose, nous connaissons la concentration de cela, donc, lorsque nous le rinçons, nous pouvons mesurer la quantité de fluorescence récupérée, « Fromen a dit.
Ces données leur permettent de créer une carte thermique de l'endroit où les aérosols se déposent dans les voies respiratoires du modèle pulmonaire, qui peuvent ensuite être validées par rapport aux données cliniques de référence pour ce que ces aérosols devraient aller dans un humain dans des conditions similaires.
Le modèle actuel de l'équipe correspond à une personne en bonne santé dans des conditions assises / respiration pour une seule taille d'aérosol, mais l'équipe de Fromen travaille pour s'assurer que le modèle est polyvalent dans une gamme de conditions beaucoup plus large.
« Une attaque d'asthme, de l'exercice, une fibrose kystique, un trouble pulmonaire obstructif chronique (MPOC) – toutes ces choses vont vraiment affecter où les aérosols se déposent. Nous voulons nous assurer que notre modèle peut capturer ces différences », a déclaré Fromen.
La capacité de regarder des caractéristiques spécifiques des maladies, par exemple, le rétrécissement des voies respiratoires ou l'accumulation de mucus, pourrait un jour contribuer à des soins plus personnalisés. Par exemple, peut-être qu'un patient pourrait avoir besoin de doses de médecine plus longues car le médicament n'est pas saturé sur le site du corps, ou peut-être qu'il a besoin d'un inhalateur de patient redessiné, il cible donc une région spécifique. Ceci est actuellement difficile à mettre en œuvre, mais le modèle développé UD fournit un outil de base pour poser ces questions.
« Ceci est important car, pour le moment, la pharmaceutique inhalée est conçue avec une approche unique. est sain « , a déclaré Fromen.
De plus, de nombreux médicaments inhalés échouent à des essais cliniques pour des raisons inconnues. Quand cela ne fonctionne pas, les chercheurs se demandent, est-ce la molécule qui n'est pas efficace, la formulation a-t-elle été imparfaite? Ou la molécule n'a-t-elle pas réussi à s'accumuler à un certain niveau à sa cible dans les poumons?
Selon Fromen, les essais cliniques se concentrent généralement sur la question de savoir si un médicament entraîne une amélioration mesurable d'une maladie, tandis que l'outil développé par UD peut fournir des informations plus profondes. Il peut déterminer si l'aérosol est arrivé où il devait aller en premier lieu et, dans la bonne quantité, potentiellement économiser du temps et des efforts dans le développement de la formulation et la réduction des revers pendant les essais cliniques.
Les chercheurs ont partagé leur conception et leurs méthodes dans un format open-source, dans l'espoir que d'autres adopteront la technique développée UD.
« Le rendre accessible à d'autres chercheurs ouvre la porte à des collaborations percutantes », a déclaré Fromen. « Les cliniciens peuvent nous fournir des profils de patients prioritaires à modéliser, tandis que les développeurs pharmaceutiques pourraient intégrer le modèle dans leurs flux de travail pour optimiser les traitements pour des conditions respiratoires spécifiques. »
Au-delà des applications dans le développement pharmaceutique, le modèle développé UD s'avère également précieux dans d'autres domaines. Dans un projet nouvellement financé avec l'armée de recherche Army Lab, en partenariat avec un groupe à Aberdeen Proving Ground, Fromen utilise le modèle développé par la UD pour aider les chercheurs en toxicologie à comprendre les expositions environnementales – non seulement jusqu'où les choses se déroulent, mais sur la quantité sur une durée donnée et combien se dépose dans les régions du poumon et quel est l'impact, positif ou négatif.
