L'unità di inalazione descritto può generare, campione per la caratterizzazione e depositare uniformemente un aerosol farmaco nei polmoni dei roditori. Ciò consente la determinazione pre-clinico di efficacia e sicurezza di dosi di farmaco depositate nei polmoni; dati chiave abilitanti clinica lo sviluppo di farmaci per via inalatoria.
malattie respiratorie ostruttive come l'asma e la broncopneumopatia cronica ostruttiva (BPCO) sono attualmente trattati con farmaci anti-infiammatori e broncodilatatori per via inalatoria. Nonostante la disponibilità di trattamenti multipli, entrambe le malattie sono in crescita preoccupazioni per la salute pubblica. La maggior parte dei pazienti con asma sono ben controllati sulle attuali terapie per via inalatoria, ma un numero considerevole di pazienti con asma grave non lo sono. L'asma colpisce circa 300 milioni di persone in tutto il mondo e circa il 20 per cento hanno una forma grave della malattia. In contrasto con l'asma, ci sono poche terapie efficaci per la BPCO. Si stima che circa il 10% della popolazione ha la BPCO e l'andamento dei tassi di mortalità è in aumento per la BPCO, diminuendo per altre malattie importanti. Sebbene sviluppo farmaci per via inalatoria consegna è impegnativo, l'unità di inalazione naso-solo permette fornitura diretta di nuovi farmaci al polmone di roditori per efficacia e sicurezza / tossicologia studi preclinici. somministrazione di farmaci per via inalatoriaha molteplici vantaggi per malattie respiratorie, dove l'alta concentrazione nel polmone migliora l'efficacia e minimizza gli effetti collaterali sistemici. corticosteroidi e broncodilatatori per via inalatoria beneficiare di questi vantaggi e la consegna per via inalatoria possono anche tenere il potenziale per le future terapie biologiche. L'unità di inalazione descritto può generare, campione per la caratterizzazione e depositare uniformemente un aerosol farmaco nei polmoni dei roditori. Ciò consente la determinazione pre-clinico di efficacia e sicurezza di dosi di farmaco depositate nei polmoni dei roditori, i principali dati necessari prima di iniziare la fase di sviluppo clinico.
Ci sono molti vantaggi per la somministrazione per via inalatoria di farmaci per il trattamento di malattie respiratorie. la consegna per via inalatoria si applica l'agente terapeutico direttamente al sito d'azione, i polmoni. Un'alta concentrazione locale del farmaco nei polmoni offre un vantaggio significativo che riduce al minimo la dose e l'esposizione sistemica, e massimizza l'efficacia. Questo è un vantaggio importante che può aumentare notevolmente l'indice terapeutico (TI, rapporto della dose di farmaco che provoca un effetto collaterale sulla dose di farmaco che fornisce efficacia) di un farmaco. Inalatori β 2 agonisti adrenergici, corticosteroidi e farmaci anti-colinergici sono dimostrati efficaci nel migliorare la funzione polmonare nei pazienti con asma e BPCO, riducendo al minimo gli effetti collaterali sistemici (tachicardia, immunosoppressione, e costipazione) osservato quando questi farmaci vengono assunti oralmente. Nuove classi di farmaci (ad esempio, gli inibitori PDE4 1 e gli inibitori della BTK 2) hanno di recentedimostrata efficace nel migliorare la funzione polmonare nei modelli animali di malattia pre-clinici ma, simile a beta2 agonisti, corticosteroidi e farmaci anti-colinergici, soffrono di effetti collaterali sistemici che possono essere minimizzate mediante consegna inalata. A causa del costo aggiunto di sviluppo di farmaci per via orale inalatori vs, una formulazione inalata deve essere considerato solo per indicazioni respiratorie successo dopo somministrazione orale / sistemica rivela la dose massima effetti collaterali sistemici per meccanismi.
Preclinicamente, composti per via inalatoria sono ottimizzati per aumentare la TI, che richiede nelle misure di efficacia vivo ed effetti collaterali. Inizialmente queste misurazioni possono essere effettuate in saggi separati, di solito una misura d'attualità consegnato efficacia e una misura degli effetti collaterali a livello sistemico consegnato, ma da confrontare veramente composti, di efficacia e gli effetti collaterali devono essere misurati negli stessi animali dopo la somministrazione per via inalatoria. Ciò richiede studi di dose / risposta che achieve abbastanza composto somministrato ai polmoni per indurre un effetto collaterale misurabile. L'unico modo per distribuire uniformemente attualmente grandi dosi di farmaco nei polmoni di più piccoli animali contemporaneamente è naso sola inalazione 3, 4, 5. I punti di forza e di debolezza delle diverse tecniche di esposizione per inalazione sono stati recentemente rivisti 6, 7, 8. attrezzature specializzate e una grande quantità di composto di prova (quantità dell'ordine del grammo) sono richiesti per il naso sola somministrazione di farmaci per via inalatoria, ma la prova-of-concept studi possono essere possibile con altri mezzi.
Quando la quantità di farmaco è limitata (quantità mg), metodi di somministrazione diretta sono un'opzione ma tutti soffrono di deposizione non omogenea, con più di farmaco concentrata lungo le vie aeree centrali e meno rappresentato nel parenchima / alveolareregioni 3, 4, 5. La dose efficace erogata dal instillazione diretta è sempre più alta e non può mai essere direttamente confrontata con le dosi per via inalatoria 4. Metodi instillazione diretta comprensiva intranasale 9, intratracheale liquido 10, 11 e spruzzo instillazione 12, o polvere secca insufflazione 13, 14 può essere utilizzato come strumento di screening per determinare l'intervallo di dose approssimativa per studi di inalazione naso sola successive, o per determinare la classifica di efficacia / tossicità per una serie di farmaci strutturalmente simili 15. A causa del modello centrale deposizione delle vie aeree, metodi di somministrazione diretta può essere più utile per determinare gli effetti dei composti che agiscono sulle vie respiratorie centrali (broncodilatatori o inibitori mastociti) che in polmone periferico (antinfiammatori).
A differenza di esseri umani, che può inalare una notevole dose di aerosol concentrato da un inalatore in un singolo respiro, la generazione continua di una respirabile (0,5-5 um massa diametro aerodinamico mediano, MMAD) aerosol, per un massimo di un'ora, si richiede il deposito una dose di farmaco efficace nei polmoni di un roditore che respira spontaneamente in un sistema di inalazione naso solo il 16. Aerosol (getto nebulizzatore o mangimi polvere Wright 17) che possono produrre continuamente la dimensione delle particelle di aerosol richieste e concentrazione per studi di inalazione naso sola non sono molto efficaci nel generare aerosol (respirabili) di alta qualità. Gli avanzamenti farmaco a questi aerosol per potente (IC 50 pM nM in saggi funzionali a base cellulare) composti sono comunemente nell'intervallo / min 1 a 10 mg e generalmente meno dell'1% di tale aerosol farmaco rende la zona di respirazione degli animali(Figura 1). Molte delle particelle generate sono troppo grandi (> 5 micron) per entrare nei polmoni e vengono rimossi da un classificatore aerosol (un pre-separatore a ciclone o con un punto di taglio 5 um) per evitare una grande dose di farmaco nel naso. Aggiungendo alla inefficienza dei sistemi di inalazione naso sola è la piccola gamma granulometria (da 0,5 a 5 um MMAD) per particelle respirabili. Molte delle particelle di aerosol inferiore a 0,5 um sono espirata (come il fumo di sigaretta) e non si deposita nei polmoni 18. Inoltre, molte delle particelle di aerosol "più grandi" (~ 5 micron) Deposito nel naso sono assorbiti o trasportato da clearance mucociliare verso la parte posteriore della gola dove vengono inghiottiti nello stomaco 19. Quando si utilizza inalazione naso sola, la dose depositata nel naso è sempre maggiore della dose depositata nei polmoni e la dose nasale può contribuire ad un'esposizione sistemica e gli effetti collaterali 20. Intrinsecamente, dru inalatog dosi sono piccole (nell'intervallo microgrammi) minimizzare qualsiasi sistemico potenziale effetto collaterale di farmaco assorbita dal nasale, polmonare o tessuti gastrointestinali. Anche quando la dimensione delle particelle dell'aerosol fornita agli animali è nell'intervallo respirabile, in media solo il 4% delle particelle di aerosol che rendono la zona di respirazione del deposito animali nei polmoni. Più efficienti aerosol sono disponibili, ma il nebulizzatore jet e mangimi polvere Wright sono incomparabili per la loro capacità di produrre aerosol continue da diverse formulazioni in polvere liquide e secche, rispettivamente.
Aerosol respirabile dal pre-separatore passa nell'unità inalazione esposizione naso sola 21 che si basa su un flusso passato la progettazione naso 22. L'unità inalazione ha 3 livelli (solo due livelli sono mostrati nella Figura 1) e ciascun livello contiene 10 porte di esposizione per animali e campionamento aerosol. Le porte sono situate perifericamente attorno al central plenum aerosol. topi coscienti sono collocati in supporti di vetro ritegno (6 pollici di lunghezza per diametro 1,2 pollici) e respirare il contenuto aerosol dell'unità inalazione. I topi non sono acclimatati ai dispositivi di ritenuta 23. Precedente esperienza ha dimostrato che i topi tollerano moderazione tubo di meno di una durata un'ora in modo simile, con o senza adattamento 2.
L'unità di inalazione è progettato per fornire aerosol droga direttamente ai polmoni degli animali evitando l'esposizione agli operatori. La potenza / tossicità di questi farmaci è di solito i controlli di sicurezza di ingegneria sconosciuti e molteplici sono utilizzati per evitare l'esposizione agli operatori. Gli operatori devono sempre indossare dispositivi di protezione individuale (guanti, camici da laboratorio, respiratori e occhiali protettivi). Il plenum esterna dell'unità inalazione è sotto pressione negativa in ogni momento durante il funzionamento, permettendo la rimozione sicura di singoli o gruppi di animali senzut lo spegnimento del generatore di aerosol. L'unità inalazione è anche contenuta in un contenitore secondario mantenuto ad una pressione negativa da una luce di scarico nel soffitto per impedire qualsiasi fuoriuscita di aerosol nella camera in caso di malfunzionamento. Tutta l'aria effluente dal sistema di inalazione viene filtrato da un filtro HEPA prima del rilascio nell'ambiente. Il sistema di esposizione naso-only utilizzato in questo manoscritto è stato acquistato da un singolo fornitore (vedi tabella supplementare dei Materiali).
Un sistema di inalazione naso sola e il suo funzionamento per fornire aerosol farmaceutici ai polmoni di roditori è stata descritta. All'immobilizzazione degli animali nei supporti naso sola è un metodo comunemente utilizzato per esporre gli animali a materiale disperso nell'aria. Un esperimento è stato condotto dimostrando l'anticolinergico broncodilatatore ipratropio bromuro 34 può potentemente invertire metacolina broncocostrizione indotta quando somministrato per inalazione naso solo a topi con un ED50 di 0,1 ug / kg dose depositata. Un aumento di oltre 10 volte nella dose efficace di ipratropio era necessario per broncodilatazione dopo la consegna intratracheale (ED 50 intratracheale = 1,3 ug / kg, dati non mostrati) consegna. Ciò è dovuto al modello deposizione non omogenea del farmaco nei polmoni prodotti dalla somministrazione intratracheale 3, 5, 10. 10 volte e maggiore dose efficacedifferenziali tra le tecniche di dosaggio per via inalatoria e intratracheali di altri farmaci sono stati osservati in precedenza da altri 4.
Il pattern di deposizione non omogenea del farmaco nei polmoni prodotti dalla somministrazione intratracheale rallenta anche l'assorbimento del farmaco da parte del polmone 35, diminuendo la velocità alla quale il farmaco entra nella circolazione sistemica e diminuendo le probabilità di vedere gli effetti collaterali sistemici. Pertanto, per ottimizzare la sicurezza / efficacia (indice terapeutico) 36 di farmaci inalatori nuovi, naso sola consegna inalatoria deve essere utilizzato. deposizione intratracheale darà una stima imprecisa della TI generando erroneamente alte dosi efficaci nelle dosi basse polmone e nella circolazione sistemica.
Man mano che vengono sviluppati nuovi farmaci erogati per via inalatoria, è indispensabile per tradurre in modo appropriato la dose efficace farmaco da studi di efficacia preclinici di prevedere un efdose umana ficacious per le sperimentazioni cliniche. La morte infame Tusko elefante 37 è comunemente citato nella letteratura ricordano per effettuare il ridimensionamento allometrica per prevedere dosi interspecie droga e che dosi interspecie farmaco non deve essere linearmente estrapolato sulla base di un semplice confronto di masse corporee. E 'comune l'uso di un approccio allometrica con un esponente b allometrica di 0,67 per predire dosi dei farmaci umani da efficacia preclinica studia 38. Utilizzando il mouse inalato ED 90 di 0,9 mg / kg per ipratropio, un esponente allometrica di 0,67, una massa corporea topo di 0,03 kg ed una massa corpo umano di 60 kg; un ED umano stimato 90 di 0,07 mg / kg ((0,9 * (0,03 / 60 ) (1-0.67) = 0,07) può essere calcolato come la dose depositata umano predetto dai nostri dati del mouse. Questo valore predetto è paragonabile alla umano reale efficace dose depositata di 0,26 mg / kg, che può essere calcolato dal consegnato farese di 40 ug 39 divisa per la massa del corpo umano di 60 kg moltiplicata per una frazione umano orale deposizione polmonare inalazione 16 di 0,4 ((40/60) * 0,4 = 0,26). Una stima della dose inalata depositato umana efficace aiuta anche a pianificare le dosi consegnate utilizzati negli studi di tossicologia per inalazione necessari per la sperimentazione clinica 40.
Le attrezzature specializzate e grandi quantità di composto di prova (quantità dell'ordine del grammo) necessario per il naso sola somministrazione di farmaci per via inalatoria possono essere significative limitazioni nello sviluppo della tecnica di inalazione naso-soltanto. Una corsa di calibrazione senza animali presenti è necessario se è necessaria una dose specifica per una (di solito tossicologia e non un 'efficacia della dose / risposta) di studio, e questa corsa di taratura richiederà più di droga ad essere disponibili. Questa corsa di taratura è necessaria perché le proprietà fisico-chimiche di ciascun farmaco / formulazione può variare abbastanza per influenzare notevolmente la dose depositatadi farmaco nei polmoni. Ottimizzazione dei flussi d'aria e dei mangimi farmaco al generatore di aerosol durante la corsa di taratura è necessario per ottenere una dimensione di particelle aerosol e concentrazione per il dosaggio specifico richiesto. Mentre le quantità d'aria e dei mangimi farmaco generatore di aerosol proposte ai metodi sono un punto di partenza ragionevole, esiste la possibilità che una formulazione di medicamento specifico sarà generato un non-respirabile (granulometria> 5 mm) aerosol. Nella fase preclinica, c'è spesso non è sufficiente farmaco disponibile per fare una corsa di calibrazione ed è impossibile sapere a priori quale dosi (se presenti) sono sempre nei polmoni. Inoltre, l'elettricità statica viene prodotto durante il processo di generazione di aerosol e può influenzare il tempo necessario per la concentrazione di aerosol ad equilibrarsi. E 'importante nella messa a terra l'attrezzatura per ridurre al minimo la carica statica. Un'altra opzione per ridurre al minimo l'elettricità statica è quello di aggiungere umidità dell'aria fornita all'unità inalazione, per aumentare la conduttività edissipare le cariche elettrostatiche sulle particelle 25. Umidificare l'aria fornita al generatore di aerosol non è necessaria per il comfort degli animali durante brevi (<1 h) sessioni di dosaggio, ma dovrebbe essere presa in considerazione se si utilizzano tempi di dosaggio più.
I farmaci possono essere consegnati ai polmoni di animali per inalazione naso solo passiva o metodi di gestione intratracheali diretti che ignorano la deposizione del rinofaringe. Naso-soltanto la consegna inalazione è comunemente utilizzato nel campo della tossicologia per inalazione 41, ma viene utilizzato con parsimonia nelle prime fasi del processo di scoperta di nuovi farmaci. Un gruppo di ricerca multidisciplinare è necessario per lo svolgimento di studi di inalazione naso-solo per la: necessità di grandi quantità di droga, conoscenze specialistiche necessarie per formulare, generare e caratterizzare gli aerosol; utilizzare attrezzature complesse, e misurare l'efficacia dei farmaci in modelli animali di malattie respiratorie. Le tecniche di consegna qui descritti sono utilizzati per sviluppare Small molecola farmaci per via inalatoria, ma in futuro può essere applicata per sviluppare farmaci biologici per via inalatoria 42, 43. Speriamo che le procedure e suggerimenti documentate in questo manoscritto faciliterà scoperta di nuovi farmaci e tossicologia ricercatori pre-clinici per acquisire le competenze necessarie per fornire farmaci ai roditori per inalazione di aerosol.
The authors have nothing to disclose.
Noi riconosciamo: Dr. Thomas Budiman al TSE Systems GmbH per la sua tecnica di personalizzazione competenze e attrezzature. John Fry (Battelle Inc.) e il Dr. Rudy Jaeger (CH Technologies Inc.) per i loro utili discussioni. Tian Wu, Sam Mboggo, April Miller, e Sean Davis (Amgen) per un aiuto con gli esperimenti.
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 |