Ингаляции блок описанный здесь, может генерировать, образец для определения характеристик, и равномерно депонировать аэрозоль лекарственного средства в легких грызунов. Это позволяет доклиническое определению эффективности и безопасности доз препаратов, депонированных в легких; Основные данные, позволяющие клиническое развитие ингаляционных наркотиков.
Обструктивные заболевания дыхательных путей, такие как астма и хроническая обструктивная болезнь легких (ХОБЛ) в настоящее время лечат с помощью ингаляционных противовоспалительных и бронхолитических препаратов. Несмотря на наличие нескольких процедур, оба заболевания растут проблемы общественного здравоохранения. Большинство больной астмой хорошо контролируется на текущей ингаляционной терапии, но значительное число пациентов с тяжелой формами астмы не является. Астма поражает приблизительно 300 миллионов людей во всем мире, и примерно 20 процентов имеют тяжелую форму заболевания. В отличие от астмы, есть несколько эффективных методов лечения ХОБЛ. Оценкам, 10% населения имеет ХОЗЛ, и тенденции в показателях смертности возрастает при ХОБЛ, уменьшая для других серьезных заболеваний. Хотя развивающиеся препараты для ингаляционного доставки является сложной задачей, нос только блок ингаляции позволяет осуществлять прямую доставку новых лекарственных средств в легкие грызунов для предварительной клинической эффективности и безопасности / токсикологических исследований. Ингаляционные доставки лекарственных средствимеет несколько преимуществ для респираторных заболеваний, где высокая концентрация в легких повышает эффективность и сводит к минимуму системных побочных эффектов. Ингаляционные кортикостероиды и бронходилататоры извлечь выгоду из этих преимуществ и вдохнули доставки могут также держать потенциал для будущих биологических методов лечения. Ингаляции блок описанный здесь, может генерировать, образец для определения характеристик, и равномерно депонировать аэрозоль лекарственного средства в легких грызунов. Это позволяет доклиническое определению эффективности и безопасности доз препаратов, депонированных в легких грызунах, основные данные, необходимые до начала клинического развития.
Есть много преимуществ для ингаляционного введения лекарственных средств для лечения заболеваний дыхательных путей. Ингаляционная доставка применяется терапевтический агент непосредственно к месту действия, легким. Высокая локальная концентрация лекарственного средства в легких дает значительное преимущество, что сводит к минимуму дозу и системное воздействие, и максимально увеличивает эффективность. Это важное преимущество, которое может значительно повысить терапевтический индекс (ТИ, соотношение дозы лекарственного средства, которое вызывает побочный эффект по сравнению с дозой препарата, который обеспечивает эффективность) лекарственное средство. Ингаляционные β 2 -адренергические агонисты, кортикостероиды и антихолинергические препараты доказали свою эффективность в улучшении функции легкой у пациентов с астмой и ХОБЛ, при минимизации системных побочных эффектов (тахикардия, иммуносупрессия и запоры) наблюдали , когда эти препараты принимают перорально. Новые классы лекарственных средств (например, ингибиторы PDE4 1 и ингибиторы BTK 2) недавнодоказали свою эффективность в улучшении функции легкой в доклинических моделях заболеваний животных , но, похожих на & beta ; 2 – агонистов, кортикостероиды и анти-холинергические препараты, страдают от системных побочных эффектов , которые могут быть сведены к минимуму путем вдыхаемой доставкой. Из-за дополнительными затраты на развитие ингаляционных по сравнению с пероральными препаратами, ингаляционный препарат следует рассматривать только для дыхательных показаний после успешного пероральное / системного введения показывает механизм ограничения дозы на основе системных побочных эффектов.
Предварительно клинический, ингаляционные соединения оптимизированы для увеличения TI, который требует Эффективность in vivo и побочного эффект измерений. Первоначально эти измерения могут быть выполнены в отдельных анализах, как правило, местно доставлены измерения эффективности и системно доставлены измерения побочный эффект, но по-настоящему сравнить соединений, эффективность и побочные эффекты должны быть измерены в одних и тех же животных после введения путем ингаляции. Это требует исследования дозы / ответ, что переменный токhieve достаточного количества соединения, вводимое в легких, чтобы вызвать измеримый побочный эффект. Единственный способ в настоящее время , чтобы равномерно распределить большие дозы препарата в легкие множества мелких животных одновременно является нос только ингаляции 3, 4, 5. Сильные и слабые стороны различных методов воздействия при вдыхании были недавно рассмотрены 6, 7, 8. Специализированное оборудование и большое количество исследуемого соединения (граммовые количества) необходимы для носа только вдыхаемого доставки лекарственных средств, но доказательство правильности концепции исследование может быть возможным с помощью других средств.
Когда количество препарата ограничено (мг количество), методы прямого введения являются вариантом, но все страдают от неоднородного осаждения, с большим количеством лекарственного средства сосредоточены вдоль центральных дыхательных путей и менее широко представлены в паренхиматозном / альвеолярногообласти 3, 4, 5. Эффективная доза доставляется путем прямого закапывания всегда выше , и никогда не может быть непосредственно по сравнению с дозами ингаляционных 4. Прямые методы инстилляции включая интраназальный 9, трахею жидкости 10, 11 и распылительной инстилляцию 12 или сухой порошок инсуффляцию 13, 14 может быть использованы в качестве инструмента скрининга , чтобы определить приблизительный диапазон доз для последующих носа только ингаляционных исследований, или для определения ранжирование эффективности / токсичности для ряда структурно аналогичных препаратов 15. Благодаря центральному шаблону осаждения в дыхательных путях, методы прямого введения, могут быть более полезными для определения эффектов соединений, которые действуют на центральных дыхательных путях (бронхолитические или ингибиторы тучных клеток), чем яп периферийный легкий (противовоспалительный).
В отличии от людей, которые могут вдыхать существенную дозу концентрированного аэрозоля из ингалятора в одном глубоком вдохе, непрерывное генерирование вдыхаемого (средний массовый аэродинамический диаметр 0,5-5 мкм, MMAD) аэрозоль, в течение часа, требуется депозит эффективная доза лекарственного препарата в легкой спонтанном дыхании грызуна в носе только в системе 16 ингаляции. Аэрозольные генераторы (струйный распылитель или 17 подачи пыли Wright) , который может непрерывно производить необходимый размер частиц аэрозоля и концентрацию для носа только ингаляционных исследований, не очень эффективны при генерации высокого качества (вдыхаемые) аэрозолей. Скорости подачи лекарственного средства в эти аэрозольных генераторы для сильнодействующего (IC 50 пМ до нМ в функциональных анализах , основанные клеток) соединения , как правило , в диапазоне от 1 до 10 мг / мин , и обычно меньше , чем 1% от этого лекарственного аэрозоля делает его в зону дыхания животных(Рисунок 1). Многие из частиц, генерируемых являются слишком большими (> 5 мкм), чтобы попасть в легких и удаляются с помощью аэрозольного классификатора (предварительного сепаратора или циклона с точкой среза 5 мкм), чтобы избежать большой дозы лекарственного средства в носе. Добавление к неэффективности носа только систем для ингаляции является небольшим диапазоном размеров частиц (от 0,5 до 5 мкм MMAD) для вдыхаемых частиц. Многие из аэрозольных частиц менее 0,5 мкм выдыхаются (например , сигаретный дым) , а не на хранение в легких 18. Кроме того , многие из «больших» аэрозольных частиц (~ 5 мкм) депозита в носе поглощается или транспортируется мукоцилиарным клиренсом по направлению к задней стенке глотки , где они проглатываются в желудок 19. При использовании только нос ингаляции, доза депонированы в нос всегда больше , чем доза , депонированной в легких и носовой дозы может способствовать системного воздействия и побочных эффектов 20. Неотъемлемо, вдохнул Druг дозы малы (в диапазоне микрограмм) минимизации любого системного побочного эффекта препарата потенциал поглощаемого носа, легких, желудочно-кишечного тракта или тканей. Даже тогда, когда размер частиц аэрозоля, подаваемого на животных находится в диапазоне вдыхаемых, в среднем только 4% аэрозольных частиц, которые делают его в зону дыхания месторождения животных в легких. Более эффективные аэрозольные генераторы доступны, но струйный распылитель и Райт подача пыли не имеет себе равные за их способность производить непрерывные аэрозоли из различных жидких и сухих порошковых композиций, соответственно.
Респирабельная аэрозоля из предварительного сепаратора переходит в носе только блок 21 вдыхания , который основан на проточном прошлом конструкции 22 носа. Блок ингаляции имеет 3 яруса (только два яруса, показаны на рисунке 1), и каждый ярус содержит 10 портов воздействия для животных и отбора проб аэрозоля. Эти порты расположены по периферии вокруг сntral камера статического давления аэрозоля. Сознательный мышей помещает в держатели удерживающего стекла (6 дюймов в длину и диаметр 1,2 дюйма) и дышать аэрозольное содержимое блока ингаляции. Мышей не приспособился к удерживающим устройствам 23. Предыдущий опыт показал , что мыши переносят выдержку трубки меньше , чем продолжительность часа аналогичным образом , с или без адаптации 2.
Устройство для ингаляции предназначено для доставки лекарственных аэрозолей непосредственно в легкие животных, избегая при этом воздействий на оператор. Эффективность / токсичность этих препаратов, как правило, неизвестно и несколько элементов управления инженерной безопасности используются, чтобы избежать воздействия на операторов. Операторы должны всегда носить средства индивидуальной защиты (перчатки, лабораторные халаты, респираторы и защитные очки). Внешняя камера статического давления блока ингаляции находится под отрицательным давлением в любое время во время работы, что позволяет для безопасного удаления одного или групп животных withoу отключая генератор аэрозоля. Устройство для ингаляции также содержатся во вторичном корпусе, поддерживаемого при отрицательном давлении с помощью выпускного отверстия в потолке, чтобы предотвратить любую утечку аэрозоля в помещение в случае неисправности. Весь выходящий поток воздуха из системы ингаляции фильтруют с помощью фильтра НЕРА до выпуска в окружающую среду. Носовая только система экспозиции , используемая в этой рукописи была приобретена у одного поставщика (см дополнительной таблицы материалов).
Нос-единственная система для ингаляции и его работа для доставки фармацевтических аэрозолей в легкие грызунах были описаны. Удерживающие животных в нос только держатели является широко используемым методом для экспонирования животных в воздухе материала. Был проведен эксперимент демонстрирует антихолинергическим бронходилататоров ипратропия бромид 34 может мощно обратного метахолина индуцированного бронхоспазма при доставке нос только ингаляции мышам с ED 50 0,1 мкг / кг , осажденных дозу. Увеличение более чем в 10 раз в эффективной дозе ипратропиума требовалось для бронходилатации после внутритрахеальной доставки (ЭДЫ 50 интратрахеальных = 1,3 мкг / кг, данные не показаны) доставки. Это происходит из – за неоднородного рисунка осаждения лекарственного средства в легких , полученных путем внутритрахеальной дозирования 3, 5, 10. 10-кратный и более эффективная дозаРазличия между ингаляционным и интратрахеальным методов дозирования для других лекарственных средств были отмечены ранее другими 4.
Неоднородная картина осаждение лекарственного средства в легких , полученных путем внутритрахеальной дозирования также замедляет всасывание препарата в легкие 35, уменьшая скорость , с которой лекарственное средство поступает в системный кровоток и уменьшая вероятность видеть системные побочные эффекты. Поэтому, чтобы оптимизировать безопасность / эффективность (терапевтический индекс) 36 из новых ингаляционных препаратов, нос только поставку ингаляции следует использовать. Интратрахеальное осаждение даст неточную оценку TI пути генерации ошибочно высокие эффективные доз в легких и низких дозах в системный кровоток.
По мере появления новых препаратов доставленные ингаляционными разработаны, необходимо соответствующим образом перевести эффективную дозу лекарственного средства из доклинических исследований эффективности предсказать эффficacious человека доза для клинических испытаний. Позорная смерть Tusko слон 37 обычно цитируется в литературе , чтобы напомнить нам использовать Аллометрические масштабирование для прогнозирования доз межвидовых наркотиков и дозы межвидовых наркотиков не должны быть линейно экстраполированы на основе простого сравнения массы тела. Обычно использовать аллометрический подход с аллометрическим показателем б 0,67 для прогнозирования дозы препарата человека от доклинических исследований эффективности 38. С помощью мышей вдыхают ED 90 0,9 мкг / кг в течение ипратропии, с аллометрическим показателем 0,67, массы тела мыши 0,03 кг, и человек масса тела 60 кг; по оценкам , ЭД 90 человек 0,07 мкг / кг ((0,9 * (0,03 / 60) (1-0.67) = 0,07) может быть вычислена как предсказанного человека , осажденного дозы от наших данных мышей. Это прогнозируемое значение сопоставимо с фактическим человеком эффективна доза осаждается 0,26 мкг / кг, которые могут быть вычислены из доставленных сделатьсе 40 мкг 39 , разделенной на человека массой тела 60 кг , умноженное на человека пероральной ингаляции легких осаждения фракции 16 0,4 ((40/60) * 0,4 = 0,26). Оценка эффективной дозы ингаляционных осажденного человека также помогает планировать доставленные дозы , используемые в исследованиях ингаляции токсикологии , необходимые для проведения клинических испытаний 40.
Специализированное оборудование и большое количество исследуемого соединения (грамм) величины, необходимое для носа только вдыхаемого доставки лекарственного средства может быть значительными ограничения при разработке носа только техники ингаляции. Калибровочный прогон без настоящих животных необходимо, если конкретная доза требуется для (обычно токсикологии и не эффективность дозы / ответ) исследований, и эта калибровка перспектива потребует большего количества лекарственного средства должна быть доступны. Эта калибровка запуск необходим, так как физико-химические свойства каждой лекарственного средства / композиции могут варьироваться в достаточно, чтобы существенно повлиять на осажденную дозупрепарата в легких. Оптимизация воздуха и подачи лекарственного средства ставок генератора аэрозоля во время калибровки перспективы требуется для достижения размера частиц аэрозоля и концентрации для конкретной требуемой дозы. В то время как воздух и подачи лекарственного средства скорость аэрозольного генератора предлагаемая в способах является разумной отправной точкой, существует возможность, что для конкретного лекарственного препарата не-вдыхаемый (размера частиц> 5 мм) аэрозоль будет сгенерирован. На доклинической стадии, часто нет в наличии достаточно наркотиков, чтобы сделать калибровочный прогон, и невозможно знать априорно какие дозы (если таковые имеются) попадание в легкие. Кроме того, статическое электричество производится в процессе генерации аэрозоля и может влиять на время, необходимое для концентрации аэрозолей, чтобы уравновесить. Важно правильно заземлить оборудование для минимизации статического заряда. Другой вариант, чтобы минимизировать статическое электричество, чтобы добавить влажность воздуха, подаваемого в блок вдоха, чтобы увеличить проводимость ирассеивают электростатические заряды на частицах 25. Увлажнение воздуха, подаваемый в генератор аэрозоля не требуется для комфорта животных в течение коротких (<1 ч) дозировании сессий, но следует учитывать, если используются больше дозирования раз.
Препараты могут быть доставлены в легкие животных путем пассивного носа только ингаляцией или прямыми методами трахеи, которые обходят носоглотки осаждения. Нос-только поставка ингаляции обычно используется в области ингаляционной токсикологии 41 , но редко используется в начале процесса обнаружения наркотиков. Междисциплинарная исследовательская группа необходима для проведения носа только ингаляционные исследования в связи с: потребность в больших количествах лекарства, специализированные знания, необходимые для разработки, генерации и характеристики аэрозолей; эксплуатации сложного оборудования, а также измерить эффективность препарата на животных моделях заболеваний дыхательных путей. Способы доставки, описанные здесь, используются для разработки Smalл молекулы вдохнул препараты , но в будущем может быть применен для разработки ингаляционных биопрепаратов 42, 43. Надеюсь, что процедуры и рекомендации, представленные в этом манускрипте будет способствовать новые доклинические обнаружения наркотиков и токсикологии исследователей приобрести навыки, необходимые для доставки лекарственных средств для грызунов аэрозольной ингаляции.
The authors have nothing to disclose.
Мы признаем: Д-р Томас Будиман на TSE Systems GmbH для его технической экспертизы и оборудования настройки. Джон Фрай (Battelle Inc.) и д-р Руди Йегер (CH Technologies Inc.) за полезное обсуждение. Тянь Ву, Сэм Mboggo, апрель Миллер и Шон Дэвис (Amgen) за помощь при проведении экспериментов.
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 |