Das Inhalationsgerät kann hier beschrieben, Probe zur Charakterisierung, erzeugen und gleichmäßig ein Medikament Aerosols in den Lungen von Nagetieren abzuscheiden. Dies ermöglicht die präklinische Bestimmung der Wirksamkeit und Sicherheit von Arzneimitteldosen in der Lunge abgelagert; Schlüsseldaten ermöglichen, die klinische inhalierten Arzneimittelentwicklung.
Obstruktive Atemwegserkrankungen wie Asthma und chronisch obstruktive Lungenerkrankung (COPD) werden derzeit von inhalierten entzündungshemmende und Bronchodilatator Medikamenten behandelt. Trotz der Verfügbarkeit von mehreren Behandlungen, wachsen beide Krankheiten der öffentlichen Gesundheit. Die Mehrheit der Asthma-Patienten auf aktuelle inhalativen Therapien gut kontrolliert, aber eine beträchtliche Anzahl von Patienten mit schwerem Asthma ist es nicht. Asthma leiden schätzungsweise 300 Millionen Menschen weltweit und rund 20 Prozent haben eine schwere Form der Krankheit. Im Gegensatz zu Asthma gibt es nur wenige wirksamen Therapien für COPD. Schätzungsweise 10% der Bevölkerung hat COPD und der Trend der Sterberaten für COPD steigt, während für andere schwere Krankheiten zu verringern. Obwohl die Entwicklung von Medikamenten zur inhalativen Lieferung herausfordernd sind, ermöglicht die Nase nur zur Inhalation direkte Lieferung von neuen Medikamenten in die Lunge von Nagetieren für die präklinische Wirksamkeit und Sicherheit / Toxikologie-Studien. Inhalativen Arzneimittelabgabehat mehrere Vorteile bei Atemwegserkrankungen, bei denen eine hohe Konzentration in der Lunge verbessert die Wirksamkeit und systemische Nebenwirkungen minimiert. Inhalativen Kortikosteroiden und Bronchodilatatoren profitieren von diesen Vorteilen und inhaliert Lieferung kann auch für zukünftige biologische Therapien Potential halten. Das Inhalationsgerät kann hier beschrieben, Probe zur Charakterisierung, erzeugen und gleichmäßig ein Medikament Aerosols in den Lungen von Nagetieren abzuscheiden. Dies ermöglicht die präklinische Bestimmung der Wirksamkeit und Sicherheit von Arzneimitteldosen in den Lungen von Nagetieren abgelagert, Schlüsseldaten erforderlich, bevor die klinische Entwicklung zu initiieren.
Es gibt viele Vorteile bei der inhalativen Verabreichung von Medikamenten zur Behandlung von Atemwegserkrankungen. Inhalative Lieferung gilt das therapeutische Mittel direkt an den Wirkort, der Lunge. Eine hohe lokale Konzentration des Wirkstoffs in der Lunge bietet einen wesentlichen Vorteil, dass Dosis und die systemische Exposition minimiert und maximiert Wirksamkeit. Dies ist ein wichtiger Vorteil, dass erheblich den therapeutischen Index erhöhen (TI, das Verhältnis der Dosis des Arzneimittels, die eine Nebenwirkung auf die Dosis des Medikaments bewirkt, die die Wirksamkeit zur Verfügung stellt) eines Arzneimittels. Inhalierte β 2 -adrenergen Agonisten, Kortikosteroide und anticholinerge Medikamente haben bei der Verbesserung der Lungenfunktion bei Patienten mit Asthma und COPD, bei gleichzeitiger Minimierung der systemischen Nebenwirkungen (Tachykardie, Immunsuppression und Verstopfung) als wirksam erwiesen beobachtet , wenn diese Medikamente oral eingenommen werden. Neue Wirkstoffklassen (zum Beispiel PDE4 – Inhibitoren 1 und BTK – Inhibitoren 2) haben vor kurzembewährt Lungenfunktion in vorklinischen Tierkrankheitsmodellen zu verbessern , sondern, ähnlich 2 -Agonisten, Kortikosteroide ß und anticholinergische Drogen, leidet an systemischen Nebenwirkungen , die durch inhalierten Lieferung minimiert werden können. Aufgrund der zusätzlich Kosten für die Entwicklung von inhalativem vs. oralen Medikamenten, soll eine inhalierte Formulierung nur für respiratorische Indikationen nach erfolgreicher oral / systemische Verabreichung zeigt mechanismusbasierte systemische Nebenwirkungen zu begrenzen Dosis in Betracht gezogen werden.
Vorklinisch werden inhaliert Verbindungen optimiert , um den TI zu erhöhen, die in vivo Wirksamkeit und Nebenwirkungsmessungen erfordert. Zunächst können diese Messungen in getrennter Assays durchgeführt werden, in der Regel eine topisch gelieferte Wirksamkeit Messung und eine systemisch Nebeneffekt Messung geliefert, aber um wirklich Verbindungen zu vergleichen, Wirksamkeit und Nebenwirkungen sollten nach Inhalationsverabreichung bei denselben Tieren gemessen werden. Dies erfordert Dosis / Wirkungs-Studien, dass achievt genug Verbindung in die Lunge verabreicht, um eine meßbare Nebenwirkung zu induzieren. Der einzige Weg , zur Zeit gleichmäßig verteilt große Dosen des Arzneimittels in die Lungen von mehreren Kleintieren gleichzeitig ist die Nase nur Inhalation 3, 4, 5. Die Stärken und Schwächen der verschiedenen inhalative Exposition Techniken vor kurzem wurden 6 überprüft, 7, 8. Spezialausrüstung und eine große Menge an Testverbindung (Gramm-Mengen) für die Nase nur inhalierte Arzneimittelabgabe erforderlich, aber Proof-of-Concept-Studien möglich sein können, mit anderen Mitteln.
Wenn die Menge an Arzneimittel begrenzt ist (mg Mengen), sind direkte Verabreichungsmethoden eine Option, aber alle leiden unter nicht homogenen Ablagerung mit mehr Medikament entlang der zentralen Atemwege konzentriert und weniger gut in der parenchymalen / alveolar dargestelltBereiche 3, 4, 5. Die effektive Dosis durch direkte Instillation geliefert wird , immer höher und kann nie direkt 4 bis inhalativen Dosen verglichen werden. Direkte Instillation Methoden einschließlich intranasaler 9, intratracheal Flüssigkeit 10, 11 und Spritz Instillation 12 oder Trockenpulver – Insufflation 13, 14 können als Screening – Werkzeug verwendet werden , um den ungefähren Dosisbereich für die späteren nasen nur Inhalationsstudien zu bestimmen, oder die zu bestimmen Ranking der Wirksamkeit / Toxizität für eine Reihe von strukturell ähnlichen Drogen 15. Aufgrund der zentralen Atemwegsablagerungsmuster kann die direkte Verabreichung Methoden nützlicher sein, um die Wirkungen der Verbindungen zu bestimmen, die auf den zentralen Atemwege (Inhibitoren Bronchodilatatoren oder Mastzellen) wirken als in die periphere Lunge (Antiphlogistika).
Im Gegensatz zum Menschen, der eine erhebliche Dosis konzentrierten Aerosols aus einem Inhalator in einem einzigen tiefen Atemzug, kontinuierliche Erzeugung eines einatembaren (0,5-5 & mgr; m mittleres aerodynamisches Massendurchmesser, MMAD) Aerosol inhalieren kann, für bis zu einer Stunde, deponieren ist erforderlich, eine wirksame Arzneimitteldosis in ein spontan Nagetier der Lunge in einem Nase nur Inhalationssystem 16 zu atmen. Aerosolgeneratoren (jet nebulizer oder Wright Staubaufgabe 17) , die kontinuierlich die erforderlichen Aerosolteilchengröße und Konzentration für Naseninhalationsstudien nur erzeugen können , sind nicht sehr effizient bei der Erzeugung hoher Qualität (einatembaren) Aerosol. Die Arzneimittelzufuhrraten dieser Aerosolgeneratoren für potente (IC 50 pM bis nM in funktioneller Zell – basierter Assays) Verbindungen sind die üblicherweise in dem 1 bis 10 mg / min – Bereich und in der Regel weniger als 1% des Arzneimittelaerosols macht es den Atmungszone der Tiere(Abbildung 1). Viele der Teilchen erzeugt werden, sind zu groß (> 5 um) in die Lunge zu gelangen und sind durch einen Aerosol Klassifikator (Vorabscheider oder Zyklon mit einem 5 & mgr; m Schnittpunkt) entfernt, um eine große Dosis des Wirkstoffs in der Nase zu vermeiden. Zugabe zu der Ineffizienz der nasen nur Inhalationssysteme ist der kleine Partikelgröße im Bereich (0,5 bis 5 um MMAD) für einatembaren Teilchen. Viele der Aerosolteilchen weniger als 0,5 um ausgeatmetes wird (wie Zigarettenrauch) und nicht in der Lunge 18 abgeschieden. Auch viele des „größeren“ Aerosolteilchen (~ 5 & mgr; m) Ablagerung in der Nase wird durch mukoziliäre Clearance in Richtung der Rückseite der Kehle aufgenommen oder transportiert werden, wo sie in den Magen 19 geschluckt werden. Wenn die Nase nur Inhalation verwenden, die Dosis in der Nase abgelagert ist immer größer als die Dosis in der Lunge abgelagert und die Nasendosis kann 20 bis systemische Exposition und Nebenwirkungen beitragen. Von Natur aus, inhaliert drug Dosen sind klein (im Mikrogrammbereich) durch die nasale, Lungen- oder Magen-Darm-Gewebe absorbiert jede systemische Nebenwirkungspotential des Arzneimittels zu minimieren. Selbst wenn die Partikelgröße des Aerosols zu den Tieren zugeführt wird, in dem Bereich einatembaren, einen Durchschnitt von nur 4% der Aerosolpartikel, die es in der Atemzone der Tiere Ablagerung in den Lungen zu machen. Effizientere Aerosolgeneratoren sind verfügbar, aber die Strahl-Vernebler und Wright Staubaufgabe für ihre Fähigkeit, kontinuierliche Aerosolen aus verschiedenen flüssigen und trockenen Pulverformulierungen bzw. zu erzeugen unerreicht sind.
Einatembaren Aerosol aus dem Vorabscheider gelangt in die nasen nur Belichtungsinhalationseinheit 21 , die auf einer Strömungs Vergangenheit der Nase 22 Design basieren. Das Inhalationsgerät besitzt 3 Reihen (nur zwei Ebenen in Abbildung 1 dargestellt sind), und jede Spur enthält 10 Exposition Ports für Tiere und Aerosol Probenahme. Die Anschlüsse befinden sich am Umfang um den central Aerosol plenum. Conscious Mäuse werden in Glashaltehaltern (6 Zoll lang und 1,2 Zoll Durchmesser) und atmen die Aerosolgehalte des Inhalationsgerätes gegeben. Die Mäuse sind nicht auf die Rückhaltevorrichtungen 23 akklimatisiert. Die bisherige Erfahrung hat gezeigt , dass Mäuse Rohrstütze von weniger als eine Stunde Dauer in ähnlicher Weise tolerieren, mit oder ohne Anpassung 2.
Das Inhalationsgerät ist so konzipiert, Arzneimittel Aerosole direkt in den Lungen der Tiere zu liefern, während der Betreiber zu vermeiden Exposition. Die Wirksamkeit / Toxizität dieser Medikamente ist in der Regel unbekannt und mehrere Kontrollen der Sicherheitstechnik eingesetzt werden Exposition gegenüber den Betreibern zu vermeiden. Die Betreiber müssen immer persönliche Schutzausrüstung (Handschuhe, Laborkittel, Beatmungsgeräte und Schutzbrille) tragen. Das äußeree Plenum des Inhalationsgerätes unter Unterdruck zu allen Zeiten während des Betriebes, so dass für die sichere Entfernung von einzelnen oder Gruppen von Tieren without Abschalten des Aerosolgenerators aus. Das Inhalationsgerät ist auch in einem sekundären Gehäuse bei einem Unterdruck durch eine Abgasöffnung in der Decke zu verhindern, dass ein Entweichen des Aerosols in den Raum, im Fall einer Störung aufrechterhalten enthält. Alle Abstrom von Luft aus dem Inhalationssystem wird durch einen HEPA-Filter gefiltert, bevor sie in die Umwelt zu. Das Nase nur in diesem Manuskript verwendete Belichtungssystem wurde von einem einzigen Anbieter (siehe zusätzliche Tabelle der Materialien) erworben.
Ein Nasen nur Inhalationssystem und dessen Betrieb pharmazeutische Aerosole zu liefern in die Lungen von Nagetieren beschrieben worden. Fesselung Tiere in nasen nur Halter ist ein gebräuchliches Verfahren für Tiere airborne Material auszusetzen. Ein Experiment wurde durchgeführt , 34 , um den anticholinergen Bronchodilatator Ipratropiumbromid demonstrieren kann potently Methacholin induzierte Bronchokonstriktion umkehren , wenn sie durch die Nase nur Inhalation an Mäusen mit einem ED 50 von 0,1 & mgr; g / kg deponierten Dosis geliefert. Ein mehr als 10-fachen Anstieg der effektive Dosis von Ipratropium wurde für Bronchodilatation nach intratrachealer Lieferung erforderlich (ED 50 = 1,3 & mgr; g intratrachealen / kg, Daten nicht gezeigt) Lieferung. Dies ist aufgrund der inhomogenen Ablagerungsmuster des Arzneimittels in den durch intratracheale Verabreichung hergestellt Lungen 3, 5, 10. 10-fach und mehr wirksame DosisUnterschiede zwischen inhalativen und intratracheale Dosiertechniken für andere Medikamente werden von anderen 4 beobachtet zuvor.
Die inhomogene Ablagerungsmuster des Arzneimittels in der durch intratracheale Verabreichung hergestellt Lungen verlangsamt auch die Resorption des Wirkstoffs durch die Lunge 35, um die Rate abnimmt , bei der das Medikament den systemischen Kreislauf eintritt , und verringert die Chancen der systemischen Nebenwirkungen zu sehen. Daher die Sicherheit / Wirksamkeit (therapeutischer Index) 36 neuartiger inhalativen Medikamenten zu optimieren, nasen nur sollte Inhalation Lieferung verwendet werden. Intratracheale Abscheidung wird durch die Erzeugung fälschlicherweise hohe wirksame Dosen in der Lunge und geringen Dosen in die systemische Zirkulation eine ungenaue Schätzung des TI geben.
Als neue Medikamente durch die inhalierten Route geliefert entwickelt werden, ist es wichtig, die wirksame Arzneimitteldosis aus präklinischen Studien zur Wirksamkeit angemessen übersetzt eine ef vorherzuzusagenficacious Humandosis für klinische Studien. Der berüchtigte Tod von Tusko 37 der Elefant häufig in der Literatur zitiert wird uns daran zu erinnern , allometric Skalierung zu verwenden zwischenartliche Arzneimitteldosen zur Vorhersage und dass Interarzneimitteldosen sollten nicht linear auf der Grundlage eines einfachen Vergleichs von Körpermassen hochgerechnet werden. Es ist üblich , einen allometric Ansatz mit einem allometric Exponenten b von 0,67 zu verwenden menschlichen Arzneimitteldosen zur Vorhersage von präklinischen Wirksamkeits 38 studiert. Mit der Maus inhalierte ED 90 von 0,9 & mgr; g / kg für Ipratropium, einen allometric Exponenten von 0,67, eine Maus Körpermasse von 0,03 kg, und einer menschlichen Körpermasse von 60 kg; ein geschätzter menschlicher ED 90 von 0,07 & mgr; g / kg ((0,9 * (0,03 / 60) (1-0,67) = 0,07) als die vorhergesagten menschlichen abgelagerten Dosis von unseren Mausdatum berechnet werden. Dieser Wert vorhergesagt ist vergleichbar mit dem tatsächlichen menschlichen wirksam abgelagerte Dosis von 0,26 ug / kg, die von dem zuge berechnet werden kann tunse von 40 & mgr; g 39 durch die menschliche Körpermasse von 60 kg geteilt durch eine menschliche orale Inhalation pulmonale Abscheidungsfraktion multipliziert 16 von 0,4 ((40/60) * 0,4 = 0,26). Eine Schätzung der effektiven menschlichen inhalierte deponierten Dosis hilft auch , die gelieferten Dosen in den Inhalationstoxikologiestudien für klinische Studien 40 erforderlich verwendet zu planen.
Die spezielle Ausrüstung und eine große Menge an Testverbindung (Gramm-Mengen), die für die Nase nur inhalierte Arzneimittelabgabe kann erhebliche Einschränkungen, wenn die Nase nur Inhalationstechnik zu entwickeln. vorhanden ist, ein Kalibrierungslauf ohne Tiere notwendig, wenn eine bestimmte Dosis für eine (in der Regel Toxikologie und keiner Wirksamkeit Dosis / Reaktion) erforderlich Studie, und dieser Kalibrierungslauf wird mehr Arzneimittel benötigt zur Verfügung steht. Dieser Kalibrierungslauf ist notwendig, da die physikalisch-chemischen Eigenschaften der einzelnen Arzneimittel / Formulierung genug variieren können stark die deponierten Dosis beeinflussendes Arzneimittels in der Lunge. Optimierung der Luft und Medikament Vorschübe an dem Aerosolgenerator während des Kalibrierungsdurchlauf erforderlich ist erforderlich, um eine Aerosol-Teilchengrße und Konzentration für die spezifische Dosis zu erreichen. Während die Aerosolgenerator Luft und Medikament-Feed in den Methoden vorgeschlagen Raten Punkt ein angemessener Ausgangs sind, gibt es für eine bestimmte Medikamentenformulierung eines nicht-respirablen (Partikelgröße> 5 mm) Aerosol erzeugt wird, dass potenziell. In der präklinischen Phase, gibt es oft nicht genug Medikament zur Verfügung eines Kalibrierungslauf zu tun, und es ist unmöglich, a priori welche Dosen (falls vorhanden) zu wissen, werden immer in die Lunge. Auch statische Elektrizität während der Aerosolerzeugung Verfahren hergestellt und kann die Zeit für die Aerosolkonzentration äquilibrieren erforderlich beeinflussen. Es ist wichtig, richtig, das Gerät zu erden statische Aufladung zu minimieren. Eine weitere Option statische Elektrizität zu minimieren, ist Feuchtigkeit in der das Inhalationsgerät zugeführten Luft an, die Leitfähigkeit zu erhöhen undabführen elektrostatische Ladungen auf den Partikeln 25. bei kurzen (<1 h) Dosierung Sitzungen Befeuchten der Luft zum Aerosolgenerator zugeführt wird, für den Tierkomfort nicht erforderlich, soll aber, wenn längeren Dosierungszeiten verwendet werden, in Betracht gezogen werden.
Medikamente können durch passive Nasen nur Inhalation oder direkte intratracheale Verabreichung Methoden in die Lungen der Tiere abgegeben werden, die Nasen-Rachen-Ablagerung umgehen. Nasen nur Inhalation Lieferung wird allgemein auf dem Gebiet der Inhalationstoxikologie 41 verwendet , ist aber sparsam früh in dem Drug Discovery – Prozess verwendet. Ein interdisziplinäres Forscherteam ist für die Durchführung von nasen nur Inhalationsstudien erforderlich aufgrund des: Bedarf an großen Mengen von Drogen, Fachkenntnisse zu formulieren, erzeugen und charakterisieren Aerosole erforderlich; betreiben komplexe Ausrüstung und Arzneimittelwirksamkeit in Tiermodellen von Erkrankungen der Atemwege misst. Die Liefer hierin beschriebenen Techniken verwendet werden, Smal zu entwickelnl Molekül Drogen inhaliert aber in Zukunft angewendet werden können inhalierte Biologika 42 zu entwickeln, 43. Hoffentlich werden die Verfahren und in diesem Manuskript dokumentiert Tipps werden neue präklinische Forscher Wirkstoffforschung und Toxikologie erleichtern, die Fähigkeiten zu erwerben notwendigen Medikamente zu Nagetieren durch Aerosolinhalation zu liefern.
The authors have nothing to disclose.
Wir erkennen an: Dr. Thomas Budiman bei TSE Systems GmbH für seine technische Kompetenz und Ausrüstung Anpassung. John Fry (Battelle Inc.) und Dr. Rudy Jaeger (CH Technologies Inc.) für ihre hilfreichen Diskussionen. Tian Wu, Sam Mboggo, April Miller und Sean Davis (Amgen), um Hilfe bei den Experimenten.
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 |