La unidad de inhalación descrito en este documento puede generar, la muestra para la caracterización, y uniformemente depositar un medicamento en aerosol en los pulmones de los roedores. Esto permite la determinación pre-clínica de la eficacia y seguridad de dosis de los medicamentos depositados en los pulmones; los datos clave que permiten el desarrollo de fármacos inhalados clínica.
enfermedades respiratorias obstructivas como el asma y la enfermedad pulmonar obstructiva crónica (EPOC) se tratan actualmente por los fármacos antiinflamatorios y broncodilatadores inhalados. A pesar de la disponibilidad de múltiples tratamientos, ambas enfermedades están creciendo preocupaciones de salud pública. La mayoría de los pacientes con asma están bien controlados en las terapias inhaladas actuales, pero un número considerable de pacientes con asma grave no lo son. El asma afecta a un estimado de 300 millones de personas en todo el mundo y aproximadamente el 20 por ciento tiene una forma grave de la enfermedad. En contraste con el asma, hay pocos tratamientos efectivos para la EPOC. Se estima que un 10% de la población tiene EPOC y la tendencia en las tasas de mortalidad está aumentando para la EPOC, mientras que la disminución de otras enfermedades graves. Aunque los fármacos en desarrollo para la entrega inhalado es un reto, la unidad de inhalación nariz de sólo permite la entrega directa de nuevos fármacos al pulmón de roedores para la eficacia y la seguridad / toxicología estudios pre-clínicos. administración de fármacos inhaladostiene múltiples ventajas para enfermedades respiratorias, donde la alta concentración en el pulmón mejora la eficacia y minimiza los efectos secundarios sistémicos. corticosteroides y broncodilatadores inhalados se benefician de estas ventajas y entrega inhalado también pueden tener potencial para futuras terapias biológicas. La unidad de inhalación descrito en este documento puede generar, la muestra para la caracterización, y uniformemente depositar un medicamento en aerosol en los pulmones de los roedores. Esto permite la determinación pre-clínica de la eficacia y seguridad de dosis fármaco depositado en los pulmones de los roedores, los datos clave necesarios antes de iniciar el desarrollo clínico.
Hay muchas ventajas para la administración inhalada de fármacos para el tratamiento de la enfermedad respiratoria. entrega inhalado se aplica el agente terapéutico directamente en el sitio de acción, los pulmones. Una alta concentración local del fármaco en los pulmones ofrece una ventaja significativa que minimice la exposición sistémica de la dosis y, y maximiza la eficacia. Esto es una ventaja importante que se puede aumentar en gran medida el índice terapéutico (TI, proporción de dosis de fármaco que causa un efecto secundario sobre la dosis de fármaco que proporciona una eficacia) de un medicamento. Inhalados β 2 agonistas adrenérgicos, corticosteroides, y fármacos anti-colinérgicos han demostrado ser eficaces en la mejora de la función pulmonar en pacientes con asma y EPOC, al tiempo que minimiza los efectos secundarios sistémicos (taquicardia, inmunosupresión, y estreñimiento) observada cuando estos medicamentos se toman por vía oral. Nuevas clases de fármacos (por ejemplo, inhibidores de PDE4 1 y los inhibidores de BTK 2) tienen recientementedemostrado ser eficaz en la mejora de la función pulmonar en modelos de enfermedades de animales pre-clínicos, pero, similar a agonistas ß 2, corticosteroides, y fármacos anti-colinérgicos, sufren de efectos secundarios sistémicos que pueden minimizarse mediante la entrega inhalado. Debido al costo añadido de desarrollo de fármacos orales inhalados vs., una formulación inhalada sólo debe considerarse para indicaciones respiratorias después de la administración oral exitosa / sistémico revela limitante de la dosis efectos secundarios sistémicos basados en el mecanismo.
Pre-clínicamente, los compuestos inhalados se han optimizado para aumentar la TI, lo que requiere tr las mediciones de la eficacia in vivo y de efectos secundarios. Inicialmente, estas mediciones se pueden realizar en ensayos separados, por lo general una medición tópicamente entregado eficacia y una medición de efectos secundarios sistémicamente entregado, pero para comparar verdaderamente compuestos, eficacia y efectos secundarios se deben medir en los mismos animales después de la administración inhalados. Esto requiere estudios de dosis / respuesta que achieve suficiente compuesto administrado a los pulmones para inducir un efecto secundario medible. La única manera actualmente para distribuir uniformemente grandes dosis de fármaco en los pulmones de varios animales pequeños simultáneamente es sólo para la nariz inhalación 3, 4, 5. Las fortalezas y debilidades de diferentes técnicas de exposición por inhalación Recientemente se han revisado 6, 7, 8. Se requieren equipo especializado y una gran cantidad de compuesto de ensayo (cantidades en gramos) para la nariz de sólo la administración de fármacos por inhalación, pero la prueba de concepto estudios pueden ser posibles por otros medios.
Cuando la cantidad de fármaco es limitada (cantidades mg), métodos de administración directos son una opción, pero todos sufren de deposición no homogénea, con más fármaco concentrado a lo largo de las vías aéreas centrales y menos bien representado en el parénquima / alveolarlas regiones 3, 4, 5. La dosis eficaz entregada por instilación directa es siempre superior y nunca puede ser directamente comparada con dosis inhaladas 4. Métodos instilación directa incluyendo intranasal 9, intratraqueal líquido 10, 11 y el aerosol de la instilación 12, o insuflación de polvo seco 13, 14 se pueden utilizar como una herramienta de detección para determinar el intervalo de dosis aproximada para estudios de inhalación sólo para la nariz posteriores, o para determinar la clasificación de la eficacia / toxicidad para una serie de estructuralmente medicamentos similares 15. Debido al patrón de deposición de la vía aérea central, los métodos de administración directos pueden ser más útiles para determinar los efectos de los compuestos que actúan sobre las vías aéreas centrales (broncodilatadores o inhibidores de mastocitos) que in el pulmón periférico (antiinflamatorios).
A diferencia de los humanos, que puede inhalar una dosis sustancial de aerosol concentrada de un inhalador en una sola respiración profunda, la generación continua de una respirable (0,5-5 m de diámetro aerodinámico mediano de masa, MMAD) aerosol, para un máximo de una hora, se requiere para depositar una dosis de fármaco eficaz en los pulmones de un roedor con respiración espontánea en un sistema de inhalación sólo para la nariz 16. Los generadores de aerosol (nebulizador de chorro o la alimentación de polvo Wright 17) que pueden producir de forma continua el tamaño de partícula de aerosol requerida y de concentración para los estudios de inhalación sólo para la nariz no son muy eficientes en la generación de aerosoles (respirable) de alta calidad. Las tasas de alimentación de fármaco a estos generadores de aerosoles para potente (IC 50 pM a nM en ensayos basados en células funcionales) compuestos son comúnmente en el intervalo / min 1 a 10 mg y por lo general menos de 1% de que el medicamento en aerosol hace que sea a la zona de respiración de los animales(Figura 1). Muchas de las partículas generadas son demasiado grandes (> 5 m) para entrar en los pulmones y se eliminan por un clasificador de aerosol (un pre-separador de ciclón o con un punto de corte 5 micras) para evitar una gran dosis de medicamento en la nariz. Agregando a la ineficiencia de los sistemas de inhalación sólo para la nariz es el rango de tamaño de partícula pequeño (0,5 a 5 micras MMAD) de las partículas respirables. Muchas de las partículas de aerosol de menos de 0,5 micras se exhalan (como el humo del cigarrillo) y no depositada en los pulmones 18. Además, muchas de las partículas de aerosol "más grandes" (~ 5 m) de depósito en la nariz se absorben o se transporta por el aclaramiento mucociliar hacia la parte posterior de la garganta donde son tragadas en el estómago 19. Cuando se utiliza la inhalación sólo para la nariz, la dosis depositada en la nariz es siempre mayor que la dosis depositada en los pulmones y la dosis nasal puede contribuir a la exposición sistémica y los efectos secundarios 20. Inherentemente, Dru inhaladog dosis son pequeñas (en el intervalo de microgramos) minimizar cualquier potencial efecto secundario sistémico de fármaco absorbido por el nasal, pulmonar, o en los tejidos gastrointestinales. Incluso cuando el tamaño de partícula del aerosol suministrado a los animales está en el rango respirable, un promedio de sólo el 4% de las partículas de aerosol que llegan a la zona de respiración del depósito de animales en los pulmones. generadores de aerosoles más eficientes están disponibles, pero el nebulizador de chorro y de alimentación de polvo Wright son incomparables por su capacidad para producir aerosoles continuos de diversas formulaciones de polvos líquidos y secos, respectivamente.
Aerosol respirable de la pre-separador pasa a la unidad de exposición a la inhalación sólo para la nariz 21 que se basa en un flujo-pasado el diseño nariz 22. La unidad de inhalación tiene 3 capas (sólo dos niveles se muestran en la Figura 1) y cada nivel contiene 10 puertos de exposición para los animales y muestreo de aerosol. Los puertos están situados periféricamente alrededor de la ceplenum de aerosol ntral. ratones conscientes se colocan en soportes de retención de vidrio (6 pulgadas de largo por 1,2 pulgadas de diámetro) y respiran el contenido de aerosol de la unidad de inhalación. Los ratones no se aclimataron a los dispositivos de retención 23. La experiencia previa ha demostrado que los ratones toleran restricción tubo de menos de una hora de duración de manera similar, con o sin adaptación 2.
La unidad de inhalación está diseñada para ofrecer aerosoles de medicamentos directamente a los pulmones de los animales, evitando la exposición a los operadores. La potencia / toxicidad de estos fármacos es generalmente controles de seguridad de ingeniería desconocidos y múltiples se utilizan para evitar la exposición a los operadores. Los operadores siempre deben llevar equipo de protección personal (guantes, batas de laboratorio, respiradores y gafas de seguridad). La cámara impelente exterior de la unidad de inhalación es bajo presión negativa en todo momento durante el funcionamiento, lo que permite la eliminación segura de simple o grupos de animales without apagar el generador de aerosol. La unidad de inhalación también está contenida en un recinto secundario mantenido a una presión negativa por un orificio de escape en el techo para evitar cualquier escape de aerosol en la habitación en caso de mal funcionamiento. Todo el aire efluente del sistema de inhalación es filtrada por un filtro HEPA antes de su liberación en el medio ambiente. El sistema de exposición sólo para la nariz utilizado en este manuscrito se adquirió de un único proveedor (véase la Tabla suplementaria de Materiales).
Un sistema de inhalación sólo para la nariz y su funcionamiento para suministrar aerosoles farmacéuticos a los pulmones de los roedores se ha descrito. Sujeción de los animales en los titulares de la nariz de sólo es un método utilizado comúnmente para exponer a los animales a los materiales en el aire. Se realizó un experimento que demuestra la anticolinérgico broncodilatador bromuro de ipratropio 34 puede revertir potentemente la broncoconstricción inducida por metacolina cuando se entrega por inhalación sólo para la nariz a los ratones con un ED50 de 0,1 g / kg dosis depositadas. Se requirió un aumento mayor de 10 veces en la dosis eficaz de ipratropio para broncodilatación después de la administración intratraqueal (ED 50 intratraqueal = 1,3 g / kg, datos no mostrados) de entrega. Esto es debido al patrón de deposición no homogénea de fármaco en los pulmones producidos por dosificación intratraqueal 3, 5, 10. De 10 veces y una mayor dosis efectivadiferenciales entre las técnicas de dosificación inhalados y intratraqueal para otros fármacos se han observado previamente por otros 4.
El patrón de deposición no homogénea de fármaco en los pulmones producidos por dosificación intratraqueal también retrasa la absorción del fármaco por el pulmón 35, disminuyendo la velocidad a la que entra el fármaco a la circulación sistémica y la disminución de las posibilidades de ver los efectos secundarios sistémicos. Por lo tanto, para optimizar la seguridad / eficacia (índice terapéutico) 36 de nuevos fármacos inhalados, sólo para la nariz administración por inhalación se debe utilizar. deposición intratraqueal dará una estimación inexacta de la TI mediante la generación de dosis erróneamente altos eficaces en las dosis de pulmón y baja a la circulación sistémica.
Como se desarrollan nuevos fármacos suministrados por la vía inhalada, es esencial para traducir adecuadamente la dosis de fármaco eficaz de los estudios de eficacia preclínicos para predecir un efdosis humana ficacious para ensayos clínicos. La muerte infame de Tusko el elefante 37 es comúnmente citado en la literatura para recordarnos a utilizar el escalamiento alométrico para predecir las dosis entre especies de drogas y que las dosis entre especies de drogas no debe extrapolarse linealmente sobre la base de una simple comparación de masas corporales. Es común el uso de un enfoque alométrico con un exponente alométrico b de 0,67 para predecir dosis de los fármacos humanos de eficacia preclínica estudia 38. Con el ratón inhalado ED 90 de 0,9 mg / kg para ipratropio, un exponente alométrico de 0,67, una masa corporal de ratón de 0,03 kg, y una masa cuerpo humano de 60 kg; una ED humana estimada 90 de 0,07 g / kg ((0,9 * (0,03 / 60 ) (1-0.67) = 0,07) se puede calcular como la dosis depositada humana predicha a partir de nuestros datos del ratón. Este valor predicho es comparable a la humana real dosis depositada eficaz de 0,26 mg / kg, que se puede calcular a partir de la entregado hacerSE de 40 g 39 dividida por la masa del cuerpo humano de 60 kg multiplicado por una fracción de inhalación deposición pulmonar oral humana 16 de 0.4 ((40/60) * 0,4 = 0,26). Una estimación de la dosis depositada inhalado humano eficaz también ayuda a planificar las dosis suministradas utilizados en los estudios de toxicología de inhalación requeridos para los ensayos clínicos 40.
El equipo especializado y gran cantidad de compuesto de ensayo (cantidades en gramos) requerida para la nariz de sólo la administración de fármacos inhalados pueden ser limitaciones significativas en el desarrollo de la técnica de inhalación sólo para la nariz. Una carrera de calibración sin animales presentes es necesario si se requiere una dosis específica para un estudio (por lo general toxicología y no una eficacia de dosis / respuesta), y esta calibración de ejecución se requiere más fármaco que esté disponible. Esta ejecución de la calibración es necesaria debido a que las propiedades fisicoquímicas de cada fármaco / formulación puede variar suficiente para afectar en gran medida la dosis depositadade fármaco en los pulmones. se requiere optimización de los tipos de aire y de alimentación de fármaco al generador de aerosol durante la ejecución de la calibración para conseguir un tamaño de partícula de aerosol y la concentración de la dosis específica requerida. Mientras que las tasas de aire y de alimentación de fármaco generador de aerosol que se sugieren en los métodos son un punto de partida razonable, existe un potencial de que para una formulación específica de drogas se generará un (tamaño de partícula> 5 mm) de aerosol no respirable. En la etapa preclínica, a menudo no es suficiente medicamento disponible para hacer una carrera de calibración y es imposible saber a priori qué dosis (si los hay) se llegue a los pulmones. También, la electricidad estática se produce durante el proceso de generación de aerosol y puede influir en el tiempo requerido para que la concentración de aerosol que se equilibre. Es importante para conectar a tierra correctamente el equipo para minimizar la carga estática. Otra opción para minimizar la electricidad estática es añadir humedad al aire suministrado a la unidad de inhalación, para aumentar la conductividad ydisipar las cargas electrostáticas en partículas 25. La humidificación del aire suministrado al generador de aerosol no se requiere para la comodidad de los animales durante (<1 h) sesiones de dosificación cortos pero se debe considerar si se utilizan tiempos de dosificación más largo.
Los medicamentos pueden ser entregados a los pulmones de los animales por inhalación sólo para la nariz pasiva o métodos de administración intratraqueal directos que omiten deposición nasofaríngeo. Administración por inhalación sólo para la nariz se utiliza comúnmente en el campo de la toxicología de inhalación 41, pero se usa con moderación temprano en el proceso de descubrimiento de fármacos. Un equipo multidisciplinario de investigación es necesaria para la realización de estudios de inhalación sólo para la nariz debido a la: necesidad de grandes cantidades de drogas, el conocimiento especializado necesario para formular, generar y caracterizar los aerosoles; operar equipo complejo, y medir la eficacia del fármaco en modelos animales de enfermedad respiratoria. Las técnicas de administración descritas en este documento se utilizan para desarrollar small molécula de fármacos inhalados pero en el futuro se puede aplicar a desarrollar productos biológicos inhalados 42, 43. Con suerte los procedimientos documentados y sugerencias en este manuscrito facilitarán nuevo descubrimiento de drogas y toxicología investigadores preclínicos para adquirir las habilidades necesarias para administrar medicamentos a los roedores por inhalación de aerosoles.
The authors have nothing to disclose.
Reconocemos: Dr. Thomas Budiman al TSE Systems GmbH para su personalización experiencia y el equipo técnico. John Fry (Battelle Inc.) y el Dr. Rudy Jaeger (CH Technologies Inc.) para sus debates. Tian Wu, Sam Mboggo, April Miller, y Sean Davis (Amgen) para obtener ayuda con los experimentos.
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 |