L'appareil d'inhalation décrit ici peut générer, pour la caractérisation de l'échantillon, et déposer uniformément un aérosol de médicament dans les poumons des rongeurs. Cela permet à la détermination de pré-clinique de l'efficacité et l'innocuité des doses de médicaments déposés dans les poumons; les données clés permettant le développement de médicaments inhalés clinique.
les maladies respiratoires obstructives telles que l'asthme et la maladie pulmonaire obstructive chronique (MPOC) sont actuellement traités par inhalation de médicaments anti-inflammatoires et bronchodilatateurs. Malgré la disponibilité de traitements multiples, les deux maladies sont de plus en plus des problèmes de santé publique. La majorité des patients atteints d'asthme sont bien contrôlés sur les traitements inhalés actuels, mais un grand nombre de patients atteints d'asthme sévère ne sont pas. L'asthme touche environ 300 millions de personnes dans le monde et environ 20 pour cent ont une forme sévère de la maladie. Contrairement à l'asthme, il existe peu de traitements efficaces pour la MPOC. On estime que 10% de la population a la BPCO et l'évolution des taux de mortalité augmente pour la MPOC, tout en diminuant pour d'autres maladies. Bien que le développement de médicaments pour la prestation inhalée est difficile, l'unité d'inhalation par le nez ne permet la livraison directe de nouveaux médicaments aux poumons des rongeurs pour précliniques d'efficacité et de sécurité / études toxicologiques. l'administration de médicaments inhalésprésente de multiples avantages pour les maladies respiratoires, où une concentration élevée dans le poumon améliore l'efficacité et minimise les effets secondaires systémiques. Les corticostéroïdes inhalés et bronchodilatateurs bénéficient de ces avantages et à la livraison par inhalation peuvent également détenir un potentiel pour de futures thérapies biologiques. L'appareil d'inhalation décrit ici peut générer, pour la caractérisation de l'échantillon, et déposer uniformément un aérosol de médicament dans les poumons des rongeurs. Cela permet à la détermination de pré-clinique de l'efficacité et l'innocuité des doses de médicaments déposés dans les poumons des rongeurs, des données clés nécessaires avant d'initier le développement clinique.
Il y a de nombreux avantages à l'administration par inhalation de médicaments pour le traitement des maladies respiratoires. livraison inhalée applique l'agent thérapeutique directement sur le site d'action, les poumons. Une forte concentration locale du médicament dans les poumons offre un avantage important qui minimise la dose et l'exposition systémique et maximise l'efficacité. Ceci est un avantage important qui peut grandement augmenter l'indice thérapeutique (TI, le rapport de la dose de médicament qui provoque un effet secondaire sur la dose de médicament qui assure l'efficacité) d'un médicament. Inhalés β 2 agonistes adrénergiques, les corticostéroïdes et les médicaments anti-cholinergiques se sont avérées efficaces pour améliorer la fonction pulmonaire chez les patients souffrant d' asthme et de la MPOC, tout en minimisant les effets secondaires systémiques (tachycardie, immunosuppression et constipation) observée lorsque ces médicaments sont pris par voie orale. De nouvelles classes de médicaments (par exemple, les inhibiteurs PDE4 1 et les inhibiteurs de BTK 2) ont récemmentavérée efficace pour améliorer la fonction pulmonaire dans les modèles de maladies animales pré-cliniques mais, similaires à ß2 mimétiques, les corticostéroïdes et les médicaments anti-cholinergiques, souffrent d'effets secondaires systémiques qui peuvent être réduits au minimum par livraison inhalée. En raison du coût supplémentaire de développement de médicaments par voie orale contre inhalés, une formulation inhalée ne doit être envisagée pour des troubles respiratoires après administration par voie orale / systémique réussie révèle la dose limitant les effets secondaires systémiques à base de mécanisme.
Pré-clinique, les composés inhalés sont optimisés pour augmenter la TI, ce qui nécessite une efficacité in vivo et des mesures effet secondaire. Au départ, ces mesures peuvent être effectuées dans des essais séparés, généralement une mesure d'efficacité administré par voie topique et une mesure à effet secondaire systémique livré, mais à comparer vraiment les composés, l'efficacité et les effets secondaires doivent être mesurés dans les mêmes animaux après administration inhalée. Cela nécessite des études dose / réponse qui acHieve suffisamment composé administré aux poumons pour induire un effet secondaire mesurable. La seule façon actuellement répartir uniformément de fortes doses de médicament dans les poumons de multiples petits animaux est simultanément inhalation par le nez seulement 3, 4, 5. Les forces et les faiblesses des différentes techniques d'exposition par inhalation ont été récemment examiné 6, 7, 8. équipement spécialisé et une grande quantité de composé d'essai (quantités de gramme) sont nécessaires pour l'administration de médicaments par inhalation seulement nez, mais des études de preuve de concept peut être possible par d'autres moyens.
Lorsque la quantité de médicament est limitée (quantités mg), les méthodes d'administration directes sont une option, mais souffrent tous d'un dépôt non homogène, avec plus de médicament concentré le long des voies aériennes centrales et moins bien représentés dans le parenchyme / alvéolaireles régions 3, 4, 5. La dose efficace délivrée par instillation directe est toujours plus élevé et ne peut jamais être directement comparé à des doses inhalées 4. Modes de instillation directe dont intranasale 9, intratrachéale liquide 10, 11 et de pulvérisation instillation 12, ou insufflation de poudre sèche 13, 14 peuvent être utilisés comme outil de criblage pour déterminer l'intervalle de dose approximative pour la suite des études d'inhalation par le nez seulement, ou pour déterminer la classement de l' efficacité / toxicité pour une série de médicaments de structure similaire 15. En raison de la tendance centrale de dépôt des voies aériennes, des méthodes d'administration directe peuvent être plus utiles pour déterminer les effets des composés qui agissent sur les voies respiratoires centrales (__gVirt_NP_NNS_NNPS<__ bronchodilatateurs ou les inhibiteurs des mastocytes) que in le poumon périphérique (anti-inflammatoires).
Contrairement aux humains, qui peut inhaler une dose importante d'aérosol concentré à partir d'un inhalateur dans une seule respiration, la génération continue d'un respirables (de 0,5 à 5 um aérodynamique médian en masse de diamètre, MMAD) aérosol, jusqu'à une heure, est nécessaire pour déposer une dose de médicament efficace dans un des poumons de rongeurs respirant spontanément dans un système d'inhalation par le nez seulement 16. Générateurs d'aérosol (nébuliseur à jet ou à la charge de poussière Wright 17) qui peuvent produire en continu la taille des particules d'aérosol requis et la concentration pour les études d'inhalation par le nez ne sont pas très efficaces pour générer des aérosols de haute qualité (respirable). Les débits d'alimentation de médicament de ces générateurs d'aérosols pour puissant (IC 50 pM à nM dans des essais à base de cellules fonctionnelles) des composés sont généralement dans l'une de gamme de 10 mg / min et le plus souvent moins de 1% de cet aérosol de médicament rend à la zone de respiration des animaux(Figure 1). Un grand nombre de particules générées sont trop grandes (> 5 um) pour pénétrer dans les poumons et sont éliminées par un séparateur à aérosol (un pré-séparateur ou cyclone avec un point de coupure de 5 um) afin d'éviter une forte dose de médicament dans le nez. Ajouter à l'inefficacité des systèmes d'inhalation par le nez seulement la petite gamme de taille de particules (0,5 à 5 um de MMAD) pour les particules respirables. Un grand nombre des particules d'aérosol inférieure à 0,5 um sont exhalé (comme la fumée de cigarette) et non déposée dans les poumons 18. De plus, beaucoup des « grands » particules d'aérosol (~ 5 um) dépôt dans le nez sont absorbés ou transportés par la clairance mucociliaire vers l'arrière de la gorge où ils sont avalés dans l'estomac 19. Lors de l' utilisation par inhalation nasale seulement, la dose déposée dans le nez est toujours supérieure à la dose déposée dans les poumons et la dose nasale peut contribuer à l' exposition systémique et les effets secondaires 20. Intrinsèquement, Dru inhalég doses sont faibles (dans l'ordre du microgramme) minimiser tout risque d'effet secondaire systémique du médicament absorbé par le nez, les poumons ou les tissus gastro-intestinaux. Même lorsque la taille des particules de l'aérosol fournie aux animaux est dans la gamme respirable, une moyenne de seulement 4% des particules d'aérosol qui en font à la zone de respiration du dépôt des animaux dans les poumons. générateurs d'aérosols plus efficaces sont disponibles, mais le nébuliseur à jet et l'alimentation de la poussière Wright sont inégalées pour leur capacité à produire des aérosols en continu à partir de diverses formulations de poudres sèches et liquides, respectivement.
Aérosol respirable de la pré-séparateur passe dans l'appareil d'inhalation d'exposition nez seulement 21 qui est basé sur un flux-delà de la conception de nez 22. L'appareil d'inhalation a 3 niveaux (seuls deux niveaux sont représentés sur la figure 1) et chaque étage comprend 10 ports d'exposition pour les animaux et l'échantillonnage d'aérosol. Les orifices sont situés de manière périphérique autour de la CEplénum d'aérosol ntral. souris conscientes sont placés dans des supports de retenue de verre (6 pouces de long par le diamètre de 1,2 pouce) et respirent le contenu d'aérosol de l'unité d'inhalation. Les souris ne sont pas acclimatés aux dispositifs de retenue 23. L' expérience a montré que les souris tolèrent du tube de retenue de moins d'une heure la durée même, avec ou sans adaptation 2.
L'unité d'inhalation est conçu pour fournir des aérosols de médicaments directement dans les poumons des animaux tout en évitant l'exposition aux opérateurs. La puissance / toxicité de ces médicaments est habituellement les contrôles de sécurité d'ingénierie inconnus et multiples sont utilisés pour éviter l'exposition aux opérateurs. Les opérateurs doivent toujours porter un équipement de protection individuelle (gants, blouses de laboratoire, appareils respiratoires et des lunettes de sécurité). Le plénum extérieur de l'unité d'inhalation est sous pression négative à tout moment pendant le fonctionnement, ce qui permet l'élimination en toute sécurité ou par des groupes d'animaux-haut couper le générateur d'aérosol. L'appareil d'inhalation est également contenu dans une enceinte secondaire maintenu à une pression négative par un orifice d'échappement dans le plafond pour empêcher toute fuite d'aérosol dans la chambre en cas de dysfonctionnement. Tout l'air effluent provenant du système d'inhalation est filtré par un filtre HEPA avant la libération dans l'environnement. Le système d'exposition nez seulement utilisé dans ce manuscrit a été acheté chez un fournisseur unique (voir tableau supplémentaire des matériaux).
Système d'inhalation par le nez seulement et son fonctionnement pour délivrer des aérosols pharmaceutiques aux poumons de rongeurs ont été décrits. animaux Contention dans les porte-nez seulement est une méthode couramment utilisée pour exposer les animaux à la matière aéroportée. Une expérience a été menée démontrant le bromure d'ipratropium bronchodilatateur anticholinergique 34 peut puissamment inverser la méthacholine bronchoconstriction induite lors de la livraison par inhalation par le nez seulement à des souris avec une DE50 de 0,1 ug / kg dose déposée. Une augmentation de plus de 10 fois de la dose efficace d'ipratropium était nécessaire pour la bronchodilatation suivant la livraison intratracheale (ED 50 intratracheale = 1,3 ug / kg, données non représentées) suivant. Ceci est dû au motif de dépôt non homogène du médicament dans les poumons par administration intratracheale produits 3, 5, 10. 10 fois et une plus grande dose efficaceles différences entre les techniques de dosage inhalés et intratrachéales pour d' autres médicaments ont été observés précédemment par d' autres 4.
Le motif de dépôt non homogène du médicament dans les poumons par administration intratracheale produites ralentit également l' absorption du médicament par le poumon 35, ce qui diminue la vitesse à laquelle le médicament pénètre dans la circulation systémique et de diminuer les chances de voir les effets secondaires systémiques. Par conséquent, afin d' optimiser la sécurité / efficacité (indice thérapeutique) 36 de nouveaux médicaments inhalés, la livraison par inhalation nez ne doit être utilisé. dépôt intratrachéale donnera une estimation erronée de la TI en générant des doses efficaces faussement élevés dans les doses pulmonaires et faible à la circulation systémique.
Comme de nouveaux médicaments livrés par voie inhalée sont développés, il est essentiel de traduire de façon appropriée la dose de médicament efficace à partir d'études d'efficacité précliniques pour prédire une efdose humaine ficacious pour les essais cliniques. La mort infâme de Tusko l'éléphant 37 est souvent cité dans la littérature pour nous rappeler d'utiliser l' échelle allométrique pour prédire les doses de médicaments interspécifique et que interspécifiques doses de médicament ne doit pas être linéairement extrapolée sur la base d'une simple comparaison des masses corporelles. Il est courant d'utiliser une approche allométrique avec un exposant allométrique b de 0,67 pour prédire les doses de médicaments humains provenant d' études précliniques sur l' efficacité 38. Utilisation de la souris par inhalation ED 90 de 0,9 ug / kg pour ipratropium, un exposant allométrique de 0,67, une masse corporelle de la souris de 0,03 kg, et une masse de corps humain de 60 kg; un ED humain d' environ 90 0,07 ug / kg ((0,9 * (0,03 / 60) (1 à 0,67) = 0,07) peut être calculée comme étant la dose déposée humaine prédite à partir de nos données de souris. Cette valeur prédite est comparable à l'humain réel dose déposée efficace de 0,26 ug / kg, qui peut être calculé à partir du rendu dose de 40 ug 39 divisée par la masse du corps humain de 60 kg , multiplié par une fraction de dépôt pulmonaire par inhalation orale humaine 16 de 0,4 ((40/60) * 0,4 = 0,26). Une estimation de la dose déposée par inhalation humaine efficace contribue également à planifier les doses délivrées utilisées dans les études de toxicologie par inhalation nécessaires pour les essais cliniques 40.
L'équipement spécialisé et une grande quantité de composé d'essai (quantités de gramme) nécessaire pour l'administration de médicaments par inhalation nez ne peut avoir des limites importantes lors du développement de la technique d'inhalation par le nez seulement. Une course d'étalonnage sans animaux présents est nécessaire si une dose spécifique est nécessaire pour une étude (en général, la toxicologie et non une dose d'efficacité / de réponse), et cette course de calibrage nécessitera plus de médicament soit disponible. Cette course de calibrage est nécessaire parce que les propriétés physico-chimiques de chaque médicament / formulation peut varier assez pour affecter considérablement la dose déposéede médicament dans les poumons. Optimisation des débits d'air et d'alimentation de médicament pour le générateur d'aérosol pendant le cycle d'étalonnage est nécessaire pour obtenir une taille de particules d'aérosol et la concentration de la dose spécifique requise. Tandis que l'air générateur d'aérosol et les taux alimentation de médicament ont été proposées dans les procédés sont un point de départ raisonnable, il est possible que, pour une formulation de médicament spécifique d'un non-respirable (taille des particules> 5 mm) aérosol est généré. Au stade pré-clinique, il n'y a souvent pas suffisamment de médicament disponible pour faire une course d'étalonnage et il est impossible de savoir a priori quelles doses (le cas échéant) sont entrer dans les poumons. De plus, l'électricité statique est produite pendant le processus de production d'aérosol et peut influencer le temps nécessaire à la concentration d'aérosol à équilibrer. Il est important de bien l'équipement sol pour minimiser la charge statique. Une autre option pour réduire au minimum l'électricité statique est d'ajouter de l'humidité à l'air fourni à l'unité d'inhalation, pour augmenter la conductivité etdissiper les charges électrostatiques sur les particules 25. Humidifiant l'air fourni au générateur d'aérosol n'est pas nécessaire pour le confort des animaux pendant de courtes (<1 h) sessions de dosage, mais doit être envisagée si les temps sont utilisés plus de dosage.
Les médicaments peuvent être livrés aux poumons des animaux par inhalation nasale seulement passif ou méthodes d'administration intratrachéale directe qui contournent le dépôt nasopharynx. Livraison par inhalation nez seulement est couramment utilisé dans le domaine de la toxicologie par inhalation 41 mais est peu utilisé au début du processus de découverte de médicaments. Une équipe de recherche multidisciplinaire est nécessaire pour la réalisation d'études d'inhalation par le nez seulement en raison du: besoin de grandes quantités de médicaments, des connaissances spécialisées nécessaires pour formuler, générer et caractériser les aérosols; faire fonctionner l'équipement complexe et mesurer l'efficacité des médicaments dans des modèles animaux de maladies respiratoires. Les techniques de livraison décrits ici sont utilisés pour développer Smalmolécule l médicaments inhalés mais à l'avenir peut être appliquée pour développer des produits biologiques inhalés 42, 43. Espérons que les procédures et conseils documentées dans ce manuscrit faciliteront la découverte de médicaments pré-cliniques et chercheurs toxicologie à acquérir les compétences nécessaires pour délivrer des médicaments aux rongeurs par inhalation d'aérosol.
The authors have nothing to disclose.
Nous reconnaissons: Dr Thomas Budiman à TSE Systems GmbH pour son expertise technique et personnalisation du matériel. John Fry (Battelle Inc.) et le Dr Rudy Jaeger (CH Technologies Inc.) pour leurs discussions utiles. Tian Wu, Sam Mboggo, April Miller et Sean Davis (Amgen) aide les expériences.
Nose-only exposure inhalation unit | TSE systems | 700100-KNES-040-ss | Custom configurations available |
DACO data acquisition system | TSE systems | 700400-PRO-C-D/1 | |
MC One Jet Mill | Jetpharma | DEC MicroJet 10 | |
Turbula Mixer | GlenMills Inc | T2F | |
Micronized Lactose | DFE Pharma | Lactohale 200 | |
Hydraulic press | Specac | GS15011 | |
Cascade impactor filters | Pall Life Sciences | 7219 | Emfab filter |
Absolute filters | Whatman | 10370302 | 5 cm diameter |
Real time aerosol monitor Microdust Pro Monitor |
Casella | CEL-712 | |
Ipratropium bromide | Spectrum Chemical | I1178 | pre-micronized |
flexiVent FX1 system | scireq | FV-FXCS |