本文所描述的吸入单元可以产生,样品表征和在啮齿类动物的肺中均匀地沉积的药物气雾剂。这使得临床前确定的有效性和沉积于肺部药物剂量的安全性的;关键数据,使临床吸入药物的发展。
阻塞性呼吸系统疾病,如哮喘和慢性阻塞性肺疾病(COPD)目前由吸入抗炎和支气管扩张药治疗。尽管多次治疗的可用性,这两种疾病都是不断增长的公共健康问题。大部分哮喘患者都很好地控制电流吸入疗法但重症哮喘患者有相当数量都没有。哮喘影响全世界估计有3亿人,大约20%有疾病是一种严重的。相较于哮喘,很少有有效的治疗慢性阻塞性肺病。人口估计有10%的人COPD并同时减少其他主要疾病死亡率的趋势是COPD增加。虽然开发药物的吸入给药是具有挑战性的,只有鼻子吸入单元使啮齿动物的预临床疗效和安全性/毒理学研究肺直接交付的新型药物。吸入给药具有用于呼吸系统疾病,其中肺中的高浓度提高疗效和减少全身性副作用的多个优点。吸入糖皮质激素和支气管扩张从这些优势中获益,并吸入输送还可以适用于未来的生物疗法的潜力。本文所描述的吸入单元可以产生,样品表征和在啮齿类动物的肺中均匀地沉积的药物气雾剂。这使得临床前确定疗效并存放于啮齿动物肺部药物剂量的安全性,启动临床开发之前所需的关键数据。
有许多优点的药物呼吸道疾病治疗吸入给药。吸入给药直接将治疗剂作用的部位,肺。在肺中药物的局部浓度高提供了减少剂量和全身暴露显著的优势,并最大限度地提高疗效。这是一个重要优点,即能大大提高治疗指数(TI,药物引起过度的药物剂量,提供功效的副作用的剂量比)的药物。吸入β2 -肾上腺素能激动剂,皮质类固醇和抗胆碱能药物已被证明在提高患者的哮喘和COPD肺功能有效,同时最小化的全身副作用(心动过速,免疫抑制,和便秘)当这些药物口服观察到。新的药物类(例如,PDE4抑制剂1和BTK抑制剂2)最近证明改善在临床前的动物疾病模型,但是,类似于β2 -激动剂,皮质甾类和抗胆碱能药物肺功能有效,遭受全身副作用,可能通过吸入输送最小化。由于吸入与口服药物开发所增加的成本,吸入制剂只应考虑呼吸迹象成功后口服/全身给药剂量揭示限制基于机制的全身性的副作用。
临床前,吸入化合物经优化以增加TI,这需要在体内效力和副作用的测量。最初,这些测量可以在分开的测定中,通常是一个局部递送功效测量和全身递送副作用测量,但要真正比较化合物制成,疗效及副作用应在吸入给药后的相同的动物进行测定。这需要剂量/响应的研究,交流hieve给予肺足够化合物以诱导可测量的副作用。的唯一方法目前大剂量药物的均匀地分配到多个小动物的肺同时仅鼻吸入3,4,5。的优势和不同的吸入暴露弱点的技术最近已经审查6,7,8。专门的设备和大量的测试化合物(克数量)的所需要的鼻吸入仅药物递送,但验证的概念研究可以通过其他手段是可能的。
当药物的量是有限的(毫克的量),直接施用方法是一种选择,但所有从非均匀沉积遭受与更多的药物沿着中央气道浓缩和较差表示在实质/肺泡区域3,4,5。直接滴入提供有效剂量是始终较高,不能直接进行比较,以吸入剂量4。直接滴入方法包括鼻内9,气管内液体10,11和喷雾滴注12,或干粉末吹入13,14可被用作筛选工具来确定购买仅鼻吸入研究的近似剂量范围内,或确定效力/毒性的排名的一系列结构相似的药物15。由于中心气道沉积图案,直接给药方法可能更有用,以确定化合物的,关于中央气道比I(支气管扩张药或肥大细胞抑制剂)作用的影响n中的外周肺(抗炎药)。
与人类不同,谁可以从吸入器在一个单一的深呼吸吸入气溶胶浓缩的相当大的剂量,连续产生可呼吸的(0.5-5微米质量中值空气动力学直径,MMAD)气雾剂,长达一个小时,则需要沉积一种有效的药物剂量成一个仅鼻吸入系统16自主呼吸啮齿动物的肺。气溶胶发生器(喷射雾化器或赖特灰尘进料17),其可以连续地产生用于仅鼻吸入研究所需的气溶胶颗粒大小和浓度是不是在产生高质量(吸入)气溶胶非常有效的。所述药物进料速率为有效的这些气溶胶发生器(IC 50 pM至nM的功能性的基于细胞的测定)的化合物在1〜10毫克/分范围通常是和药物气雾剂通常小于1%会向呼吸区动物(图1)。许多产生的粒子的过大(> 5微米),以进入肺并通过气溶胶分类器(预分离器或旋风分离器具有5μm切口的点)被除去以避免在鼻子大剂量的药物。添加到仅鼻吸入系统的低效率是可吸入颗粒的小颗粒尺寸范围(0.5至5微米MMAD)。许多小于0.5微米的呼出(如香烟烟雾),而不是沉积于肺部18中的气溶胶粒子的。此外,许多“较大”的气溶胶颗粒的(〜5微米)在鼻子存款被吸收或通过粘膜纤毛清除朝向在那里它们被吞咽到胃19中的咽喉后部输送。当仅使用鼻吸入,敷在鼻剂量总是比沉积于肺部剂量和鼻剂量可以向全身暴露和副作用20大。本质上,吸入DRU克剂量的小(在微克范围)最小化由鼻,肺,或胃肠道组织吸收药物的任何全身副作用的潜力。甚至当提供给动物的气溶胶的颗粒大小是在吸入范围,平均只有4%的气溶胶颗粒,它使在肺部动物沉积物的呼吸区。更有效的气溶胶发生器是可用的,但喷射式喷雾器和Wright灰尘进料是无与伦比它们对来自不同液体和干粉制剂,分别产生连续气溶胶能力。
从预分离器吸入气雾剂传递成是基于流过鼻子设计22中的鼻式暴露吸入部21。吸入单元具有3层(仅两层在图1中示出),并且每个层包含对动物和气溶胶取样10个曝光端口。这些端口位于外围周围的CEntral气溶胶全会。有意识的小鼠被放置在玻璃抑制保持器(6英寸长英寸直径的1.2)和呼吸吸入单元的气溶胶成分。小鼠未驯化的约束装置23。先前的经验表明,小鼠耐受管克制不到一个小时的持续时间类似地,具有或不具有适配2。
吸入单元设计为直接递送药物气溶胶的动物的肺,同时避免暴露于运营商。这些药物的效力/毒性通常是未知和多个工程安全控制来避免暴露给运营商。运营商必须始终佩戴个人防护装备(手套,实验服,呼吸器,安全眼镜)。吸入单元的外气室是下在操作期间的任何时候都负压,从而允许安全移除的单个或动物组无覆盖UT切断气雾发生器。吸入单元也包含在通过排气口在天花板维持在负压力,以防止气雾剂的任何逃逸进入室内在故障的情况下的二次外壳。从吸入系统中的所有流出物的空气被释放到环境中之前,一个HEPA过滤器过滤。在这个手稿中使用的鼻式暴露系统是从单一供应商(参见材料的补充表 )购得。
只有A鼻吸入系统及其操作提供药用气雾剂啮齿动物的肺部进行了描述。在鼻式保持器抑制动物是用于暴露动物空降材料通常使用的方法。进行实验证明了抗胆碱能支气管扩张药异丙托溴铵34能够有效地逆转醋甲胆碱诱导的支气管收缩时通过鼻式吸入用的沉积剂量为0.1μg/ kg的ED 50递送至小鼠。在异丙托的有效剂量大于10倍的增加被要求支气管扩张以下气管内递送(ED 50气管内= 1.3微克/千克,数据未示出)输送。这是由于在通过气管内给药3,5,10产生的肺部药物的非均匀沉积图案。 10倍和更高的有效剂量吸入气管和给药技术之间的差异对其他药物已被他人4先前观察到的。
在气管内给药所产生的肺药物的非均匀沉积图案也由35肺减慢药物吸收,减少在其中药物进入全身循环的速率和减小看到的全身性副作用的可能性。因此,为了优化安全性/功效(治疗指数)的新吸入药物36时,应使用鼻只吸入递送。气管内沉积将通过产生错误的高有效剂量在肺中和低剂量全身循环得到TI的不准确估计。
如吸入途径提供新的药物的开发,它从临床前药效学研究的有效药物剂量适当地转换为预测的EF是必不可少的ficacious人用剂量的临床试验。 Tusko的臭名昭著的死亡大象37文献中常常被引用来提醒我们使用异速生长尺度预测物种间的药物剂量和种间药物剂量不应线性外推的身体群众的一个简单比较的基础上。这是通常使用的异速生长方式与0.67的异速生长指数b。从临床前药效学研究38预测人类药物剂量。使用鼠标吸入的0.9微克/千克为异丙托铵,0.67的异速指数,0.03千克小鼠体重,和60公斤人体重ED 90; 0.07微克的估计人类ED 90 /公斤((0.9 *(0.03 / 60)(1-0.67)= 0.07)。该预测值可以被计算为从我们的鼠标数据的预测的人类剂量沉积比得上实际人类的0.26微克/千克有效沉积剂量,这可以从所传送的执行来计算的40微克39由60公斤乘以16的0.4((40/60)* 0.4 = 0.26)人口腔吸入肺部沉积分数人体质量除以本身。有效的人吸入沉积量的估计也有助于计划在临床试验需要40吸入毒理学研究中使用的递送剂量。
显影唯一鼻吸入技术当专门的设备和大量的用于鼻吸入仅药物递送所需的试验化合物(克数量)可以是显著限制。如果需要特定的剂量(通常是毒理学和不药效剂量/应答)的研究,并且该校准运行将需要更多的药物可用,而不存在动物甲校准运行是必要的。此校准运行是必要的,因为每一种药物/制剂的物理化学性质可以变化足以极大地影响所沉积的剂量在肺部药物。空气和药物的进料速率,以在校准运行期间气雾剂发生器的优化是必需的,以实现所需的特定剂量的气溶胶颗粒大小和浓度。而在所述方法中所建议的气溶胶发生器的空气和药物的进料速率是一个合理的起点,有潜在的对特定的药物配制剂的非可吸入(粒度> 5mm)的气雾剂将生成。在临床前研究阶段,往往存在足够的可用药物做校准运行,不可能事先知道什么剂量(如果有的话)进入肺部。另外,静电在气雾剂产生过程中产生的并影响了气溶胶浓度达到平衡所需的时间。重要的是要正确接地设备,以尽量减少静电荷是很重要的。以最小化静电另一种选择是湿度增加供给到吸入单元的空气,以增加导电性和消散上的颗粒25的静电荷。加湿供给到气溶胶发生器的空气期间短(<1个小时)给药会话不需要用于动物的舒适性,但如果使用较长的给药时间应该被考虑。
药物可以释放到动物的被动鼻式吸入或绕过鼻咽沉积直接气管内给药方法肺部。鼻式吸入递送在吸入毒理学41的领域中常用的,但微在药物发现过程的早期使用。是需要进行,由于鼻式吸入研究的多学科研究小组:需要大量的药物,制定,产生和表征气溶胶所需的专门知识;操作复杂的设备,并测量呼吸疾病的动物模型药物疗效。本文所描述的递送技术被用来开发SmaI位升分子吸入药物,但在将来可应用于开发吸入生物制剂42,43。但愿这份手稿记录的程序和技巧,将有利于新的临床前药物发现和毒理学研究人员获得必要通过雾化吸入,以药物输送到啮齿动物的技能。
The authors have nothing to disclose.
我们承认:托马斯·布迪曼博士在TSE Systems GmbH公司提供的技术专长和设备定制。约翰·弗莱(巴特尔公司)和鲁迪博士耶格(CH Technologies公司)为他们的有益的讨论。吴天,山姆Mboggo,四月米勒和肖恩·戴维斯(Amgen公司),用于实验的帮助。
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 |