המחברים מודים לפרופסור יו פנג, ד"ר ג'נה ברידל, איאן וודוורד ולוקאס אטיה על הדיונים המועילים ביניהם.

<ol>
	<li>Goel, A., Baboota, S., Sahni, J. K., Ali, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Exploring+targeted+pulmonary+delivery+for+treatment+of+lung+cancer.">Exploring targeted pulmonary delivery for treatment of lung cancer.</a> International Journal of Pharmaceutical Investigation. 3 (1), 8-14 (2013).</li><li>Kleinstreuer, C., Zhang, Z., Li, Z., Roberts, W. L., Rojas, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+new+methodology+for+targeting+drug-aerosols+in+the+human+respiratory+system.">A new methodology for targeting drug-aerosols in the human respiratory system.</a> International Journal of Heat and Mass Transfer. 51 (23), 5578-5589 (2008).</li><li>Feng, Y., Chen, X., Yang, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+In+Silico+Investigation+of+a+Lobe-Specific+Targeted+Pulmonary+Drug+Delivery+Method.">An In Silico Investigation of a Lobe-Specific Targeted Pulmonary Drug Delivery Method.</a> Design of Medical Devices Conference. , (2018).</li><li>Marple, V. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Next+generation+pharmaceutical+impactor+(a+new+impactor+for+pharmaceutical+inhaler+testing).+Part+I:+Design.">Next generation pharmaceutical impactor (a new impactor for pharmaceutical inhaler testing). Part I: Design.</a> Journal of Aerosol Medicine. 16 (3), 283-299 (2003).</li><li>Feng, Y., Zhao, J., Chen, X., Lin, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+In+Silico+Subject-Variability+Study+of+Upper+Airway+Morphological+Influence+on+the+Airflow+Regime+in+a+Tracheobronchial+Tree.">An In Silico Subject-Variability Study of Upper Airway Morphological Influence on the Airflow Regime in a Tracheobronchial Tree.</a> Bioengineering. 4 (4), 90 (2017).</li><li>Huynh, B. K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+Development+and+Validation+of+an+In+Vitro+Airway+Model+to+Assess+Realistic+Airway+Deposition+and+Drug+Permeation+Behavior+of+Orally+Inhaled+Products+Across+Synthetic+Membranes.">The Development and Validation of an In Vitro Airway Model to Assess Realistic Airway Deposition and Drug Permeation Behavior of Orally Inhaled Products Across Synthetic Membranes.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 31 (2), 103-108 (2018).</li><li>Lizal, F., Elcner, J., Hopke, P. K., Jedelsky, J., Jicha, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Development+of+a+realistic+human+airway+model.">Development of a realistic human airway model.</a> Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part H: Journal of Engineering in Medicine. 226 (3), 197-207 (2011).</li><li>Wei, X., Hindle, M., Delvadia, R. R., Byron, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+Vitro+Tests+for+Aerosol+Deposition.+V:+Using+Realistic+Testing+to+Estimate+Variations+in+Aerosol+Properties+at+the+Trachea.">In Vitro Tests for Aerosol Deposition. V: Using Realistic Testing to Estimate Variations in Aerosol Properties at the Trachea.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 30 (5), 339-348 (2017).</li><li>Kolewe, E. L., Feng, Y., Fromen, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Realizing+Lobe-Specific+Aerosol+Targeting+in+a+3D-Printed+In+Vitro+Lung+Model.">Realizing Lobe-Specific Aerosol Targeting in a 3D-Printed In Vitro Lung Model.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. , (2020).</li><li>Sul, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Assessing+Airflow+Sensitivity+to+Healthy+and+Diseased+Lung+Conditions+in+a+Computational+Fluid+Dynamics+Model+Validated+In+Vitro.">Assessing Airflow Sensitivity to Healthy and Diseased Lung Conditions in a Computational Fluid Dynamics Model Validated In Vitro.</a> Journal of Biomechanical Engineering. 140 (5), (2018).</li><li>Martonen, T. B., Katz, I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Deposition+Patterns+of+Polydisperse+Aerosols+Within+Human+Lungs.">Deposition Patterns of Polydisperse Aerosols Within Human Lungs.</a> Journal of Aerosol Medicine. 6 (4), 251-274 (1993).</li><li>Nahar, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+vitro,+in+vivo+and+ex+vivo+models+for+studying+particle+deposition+and+drug+absorption+of+inhaled+pharmaceuticals.">In vitro, in vivo and ex vivo models for studying particle deposition and drug absorption of inhaled pharmaceuticals.</a> European Journal of Pharmaceutical Sciences. 49 (5), 805-818 (2013).</li><li>Nichols, S. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Multi-laboratory+in+Vitro+Study+to+Compare+Data+from+Abbreviated+and+Pharmacopeial+Impactor+Measurements+for+Orally+Inhaled+Products:+a+Report+of+the+European+Aerosol+Group+(EPAG).">A Multi-laboratory in Vitro Study to Compare Data from Abbreviated and Pharmacopeial Impactor Measurements for Orally Inhaled Products: a Report of the European Aerosol Group (EPAG).</a> AAPS PharmSciTech. 17 (6), 1383-1392 (2016).</li><li>Yoshida, H., Kuwana, A., Shibata, H., Izutsu, K. I., Goda, Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Comparison+of+Aerodynamic+Particle+Size+Distribution+Between+a+Next+Generation+Impactor+and+a+Cascade+Impactor+at+a+Range+of+Flow+Rates.">Comparison of Aerodynamic Particle Size Distribution Between a Next Generation Impactor and a Cascade Impactor at a Range of Flow Rates.</a> AAPS PharmSciTech. 18 (3), 646-653 (2017).</li><li>Feng, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=An+in+silico+inter-subject+variability+study+of+extra-thoracic+morphology+effects+on+inhaled+particle+transport+and+deposition.">An in silico inter-subject variability study of extra-thoracic morphology effects on inhaled particle transport and deposition.</a> Journal of Aerosol Science. 123, 185-207 (2018).</li><li>Kleinstreuer, C., Seelecke, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhaler+system+for+targeted+maximum+drug-aerosol+delivery.">Inhaler system for targeted maximum drug-aerosol delivery.</a> United States patent. , (2005).</li><li>. How Medical 3D Printing is Gaining Ground in Top Hospitals Available from: <a target="_blank" href="https://www.materialise.com/en/blog/3d-printing-hospitals">https://www.materialise.com/en/blog/3d-printing-hospitals</a> (2019)</li><li>Weber, P. W., Price, O. T., McClellan, G. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Demographic+Variability+of+Inhalation+Mechanics:+A+Review.">Demographic Variability of Inhalation Mechanics: A Review.</a> Defense Threat Reduction Agency. , (2016).</li><li>Jiang, Y. Y., Xu, X., Su, H. L., Liu, D. X. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gender-related+difference+in+the+upper+airway+dimensions+and+hyoid+bone+position+in+Chinese+Han+children+and+adolescents+aged+6-18+years+using+cone+beam+computed+tomography.">Gender-related difference in the upper airway dimensions and hyoid bone position in Chinese Han children and adolescents aged 6-18 years using cone beam computed tomography.</a> Acta Odontologica Scandinavica. 73 (5), 391-400 (2015).</li><li>Martin, S. E., Mathur, R., Marshall, I., Douglas, N. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+age,+sex,+obesity+and+posture+on+upper+airway+size.">The effect of age, sex, obesity and posture on upper airway size.</a> European Respiratory Journal. 10 (9), 2087 (1997).</li><li>Xi, J., Longest, P. W., Martonen, T. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effects+of+the+laryngeal+jet+on+nano-+and+microparticle+transport+and+deposition+in+an+approximate+model+of+the+upper+tracheobronchial+airways.">Effects of the laryngeal jet on nano- and microparticle transport and deposition in an approximate model of the upper tracheobronchial airways.</a> Journal of Applied Physiology. 104 (6), 1761-1777 (2008).</li><li>Zhao, J., Feng, Y., Fromen, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Glottis+motion+effects+on+the+particle+transport+and+deposition+in+a+subject-specific+mouth-to-trachea+model:+A+CFPD+study.">Glottis motion effects on the particle transport and deposition in a subject-specific mouth-to-trachea model: A CFPD study.</a> Computers in Biology and Medicine. 116, 103532 (2020).</li><li>Kim, S. S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Chronic+obstructive+pulmonary+disease:+lobe-based+visual+assessment+of+volumetric+CT+by+Using+standard+images--comparison+with+quantitative+CT+and+pulmonary+function+test+in+the+COPDGene+study.">Chronic obstructive pulmonary disease: lobe-based visual assessment of volumetric CT by Using standard images--comparison with quantitative CT and pulmonary function test in the COPDGene study.</a> Radiology. 266 (2), 626-635 (2013).</li><li>. The Cancer Imaging Archive Available from: <a target="_blank" href="https://www.cancerimagingarchive.net/">https://www.cancerimagingarchive.net/</a> (2020)</li><li>Li, A., Ahmadi, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Computer+Simulation+of+Deposition+of+Aerosols+in+a+Turbulent+Channel+Flow+with+Rough+Walls.">Computer Simulation of Deposition of Aerosols in a Turbulent Channel Flow with Rough Walls.</a> Aerosol Science and Technology. 18 (1), 11-24 (1993).</li><li>Khalili, S. F., Ghanbarzadeh, S., Nokhodchi, A., Hamishehkar, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+effect+of+different+coating+materials+on+the+prevention+of+powder+bounce+in+the+next+generation+impactor.">The effect of different coating materials on the prevention of powder bounce in the next generation impactor.</a> Research in Pharmaceutical Sciences. 13 (3), 283-287 (2018).</li><li>Galliger, Z., Vogt, C. D., Panoskaltsis-Mortari, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=3D+bioprinting+for+lungs+and+hollow+organs.">3D bioprinting for lungs and hollow organs.</a> Translational Research. 211, 19-34 (2019).</li><li>Schwarz, K., Biller, H., Windt, H., Koch, W., Hohlfeld, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Characterization+of+exhaled+particles+from+the+healthy+human+lung--a+systematic+analysis+in+relation+to+pulmonary+function+variables.">Characterization of exhaled particles from the healthy human lung--a systematic analysis in relation to pulmonary function variables.</a> Journal of Aerosol Medicine and Pulmonary Drug Delivery. 23 (6), 371-379 (2010).</li><li>Patton, J. S., Byron, P. R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Inhaling+medicines:+delivering+drugs+to+the+body+through+the+lungs.">Inhaling medicines: delivering drugs to the body through the lungs.</a> Nature Reviews Drug Discovery. 6 (1), 67-74 (2007).</li><li>Zhang, Z., Kleinstreuer, C., Kim, C. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cyclic+micron-size+particle+inhalation+and+deposition+in+a+triple+bifurcation+lung+airway+model.">Cyclic micron-size particle inhalation and deposition in a triple bifurcation lung airway model.</a> Journal of Aerosol Science. 33 (2), 257-281 (2002).</li><li>Ju, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+of+Nebulized+Metal-Phenolic+Capsules+for+Controlled+Pulmonary+Deposition.">Engineering of Nebulized Metal-Phenolic Capsules for Controlled Pulmonary Deposition.</a> Advanced Science. 7 (6), 1902650 (2020).</li></ol>

למחברים אין מה לחשוף.

המכשיר הנוכחי המדינה-of-the-art עבור בדיקות תרופות ריאתי של מינון שאיפה מלאה הוא המשפיע גנרטור הבא (NGI), אשר מודד את הקוטר האווירודינמי שלתרסיס 4. נתוני גודל זה משמשים לאחר מכן כדי לחזות את ייצור הריאות שבו התרסיס יפקיד בהתבסס על מתאם שפותח עבור זכר בוגר בריא11. למרבה הצער, שיטה זו מוגבלת ביכולתה להעריך הבדלים בתצהיר ריאות אזורי, לקבוע את ההשפעות של תנאי המחלה על אספקת תרופות, ולחזות פרופילי תצהיר עבור קבוצות גיל שונות, גזעים, ומינים12,13,14. הפרוטוקול המתואר כאן יש את היכולת למלא את צרכי הבדיקה האלה על ידי מתן אפשרות לחוקרים ליצור כוונון, מודלים מדויקים אנטומית ריאות עם היכולת לכמת תצהיר יחסי ברמת האונה, בהתבסס על התנהגות זרימת נוזלים הוכח בעבר במודלים חישוביים3,5,15. באמצעות שיטה זו, מינון התרופות ולידה ניתן להעריך טוב יותר עבור גיאומטריות ריאות ילדים ומחלות לפני הכניסה לניסויים קליניים.
כפי שמוצג באיורים 4 ובאיור 5, תצהיר ברמת האונה ניתן למדוד במדויק ובמהירות הן עבור אירוסולי שאיפה ממוקדים והן עבור אירוסולים שאינם ממוקדים בשאיפה. בהיעדר התקן מיקוד, חלקיקים בטווח גודל זה (1.5 מיקרומטר) ותנאי זרימה (1-10 L/min) עוקבים אחר התייעלות הנוזלים ופרופיל זרימת האוויר הכולל מופנה לכל אונה (איור 4). יש לציין כי ניתן לפתח מכשירי משאף שונים וקבצים מצורפים לצינור ET כדי לרכז תרופות בשאיפה למקומות מבוקרים באונה. כמתואר בעבודתנו האחרונה ושל אחרים, תכונות רבות של מכשיר המשאף, פרופיל הזרימה והגיאומטריה של דרכי הנשימה תורמות להתנהגות תצהיר ממוקדת2,3,9,16. באופן כללי, פילוח אזורי יעיל כפי שמודגם על ידי דגמי במבחנה הייחודיים שלנו דורש חלוקת גודל אירוסול צרה וקצבי זרימת שאיפה נמוכים כדי למנוע מערבולות בדרכי הנשימה שנמצאו במיוחד בתוך קנה הנשימה. הכללה של דרכי הנשימה העליונות המלאות במודל במבחנה שלנו מאפשרת בילוי מדויק של דפוסי זרימת אוויר אלה הידועים כמשפיעים על התפלגות ברמת האונה במורד הזרם9. בגלל זרימות מורכבות אלה, העבודה האחרונה הוכיחה פילוח מוגבר מתחת glottis9. התוצאות שלנו באיור 5 מדגישות באופן ספציפי את היתרון של שימוש במתאם צינור ET כדי למקד אונות בודדות אזורית משחרור מתחת לגלוטיטיס, עם מיקוד יעיל ספציפי לאונה המוצג לאונות הן של הריאות הימניות והן של הריאות השמאליות ביעילות הנעה בין 62-74% מהמינון הכולל. זה מייצג עלייה על פני יעילות מיקוד אזורית בשחרור הפה שדווחו בעבר והוא שדרה חשובה ליישום קליני של גישה זו9. חשוב לציין, הפרוטוקול מאפשר מדידות הפצה ניסיוניות של האונה של מינון תרופות מלא ממגוון רחב של מכשירי מיקוד אזוריים פוטנציאליים מעבר לאלה שהוכחו כאן.
עם בדיקת CT בלבד, ניתן להדפיס במהירות דגם ריאות ספציפי למטופל כדי לבדוק שיטת לידה טיפולית פוטנציאלית. פרוטוקול זה לא רק יספק גישה ניסיונית בקנה מידה מעבדה כדי לתמוך בתכנון של מכשירי משאף חדשים, אלא גם ליצור הזדמנות עבור מכשירי שאיפה מותאמים אישית לפי דרישה בפרקטיקה הקלינית. משרף קשה בשימוש בפרוטוקול זה עולה ~ $0.12/mL; לכן, בתי חולים עם תשתית הדפסה תלת מימדית קיימת יכולים להדפיס דגם ריאות עבור מעט כמו $15 בחומרים17 ולהרכיב דרכי נשימה מותאמות אישית בפחות מיום. יש לציין כי זמני ההדפסה ועלויות החומרים בייצור התוסף ממשיכים לרדת במהירות, מה שמגדיל את ההיתכנות הכוללת של גישה זו. ניתן לשנות בקלות את ההגדרה הניסיונית שלנו כך שתשקף מספר תנאי זרימת אוויר באמצעות מודל ריאות שונה או הגדרת חלוקת זרימת אוויר שונה, בהתאם לאימות הניסיוני המוצג באיור 4. הבדלים בפרופילי זרימת ריאות וגיאומטריות בשל מאפיינים כגון גיל, גזע ומין מתועדים היטב בספרות וניתן לשלבם בקלות בגישת הדוגמנות שלנו18,19,20. באופן ספציפי, וריאציות גיאומטריות בגרון, הלוע, קנה הנשימה של דגמי ריאות יכול להיות בעל השפעה משמעותית על זרימת האוויר ואת דפוסי התצהיר האזורי הבאים15,21,22, אשר פרוטוקול זה מצויד היטב כדי לזהות. לפיכך, שילוב של גישה זו דוגמנות אישית צפויה להיות השפעה משמעותית על הפיתוח של טיפולי שאיפה מותאמים אישית.
כאן שונו קצבי זרימת האונה כך שישקפו את אלה של מחלת COPD המאופיינת בירידה בזרימת האוויר לאונות התחתונות(איור 4B),אך סריקות CT שמקורן בחולי COPD יכולות לשמש גם לחיקוי מדויק יותר של ארכיטקטורת הריאות החולה וחסמים אפשריים23. עם ספרייה של מודלים ריאות החולה פרופילי זרימה, ההשפעות של התקדמות המחלה על יעילות המסירה ניתן לחקור. יש מגוון רחב של סריקות קוד פתוח זמין מארגונים, כגון המכונים הלאומיים לבריאות (NIH) ואת ארכיון הדמיית סרטן (TCIA)24. בעוד מודלים אלה כיום יכולים רק לשכפל את הגיאומטריה החולה עד הדור השני או השלישי כדי למדוד כראוי הפצה ברמת האונה, העבודה נמשכת לפתח שינויים שיכולים לשלב את דרכי הנשימה התחתונות לניתוח מפורט יותר. פרוטוקול זה יכול גם לשלב מכשירים רלוונטיים קלינית להעברת תרופות כגון צינור ET כמתואר באיור 5B. חוקרים יכולים להעריך התקני מסירה מרובים כדי לחשוף מאפיינים שעשויים להגדיל או להקטין את יעילות הטיפול. לדוגמה, יעילות הפילוח מצטמצמת בעת ניסיון במודל הריאות המלא לעומת דגם הריאה הצנרור (איור 5). הבדל זה מצביע על כך שעקיפת האזור הנוצץ מונעת אזורים של ערבוב סוער המפחיתים את יכולת המיקוד.
פרוטוקול זה מוגבל על ידי חוסר היכולת לחקות במדויק את ממשק נוזלי האוויר הביולוגי. כתוצאה מכך, אירוסולים שבדרך כלל מופקדים על ידי השפעה אינרציאלית עשויים במקום להקפיץ את הקירות הנוקשים של דגם הריאה25. כדי לשפר זאת, כיוונים עתידיים כוללים לחקור שינויים משטח ציפויים לחקות את שכבת הרירית של אפיתל הריאות. ציפויים כגון שמן סיליקון וגליצרין נחקרו למניעת קפיצת חלקיקים ב- NGI וניתן לשלבם בקלות בדגמי הריאות המודפסים בתלת-ממד26. טכניקות אחרות כגון ביופרינטינג ותאים culturing על מודלים מודפסים 3D נחקרים על יכולתם לשלב תגובה סלולרית לתוך הפרוטוקול27. בנוסף, פרוטוקול זה משתמש בציוד ממוטב לקצבי זרימה של 1-15 L/min; בעתיד, שיעורי זרימה גבוהים יותר של 30-60 L / min, הטווח הרגיל של שיא קצבי זרימה מעוררי השראה, יכול לשמש על ידי החלפת שסתומי הבקרה ומד זרימה עבור אלה המתאימים לטווח קצב הזרימה הרצוי28,29. עם מודל בקר הזרימה בשימוש, המערכת מסוגלת רק מידול השראה ולא מחזור נשימה מחזורי מלא. שילוב של דפוסי נשימה חולפים באמצעות מאוורר או מערכת זרימה מורכבת יותר צפוי לשפר את הדיוק של תוצאות ניסיוניות ביחס ליעילות תצהיר חלקיקים30. לבסוף, ניסויי תצהיר בוצעו רק עם כדורי פוליסטירן פלואורסצנטי מונודיספרס החל בגודל של 1-5 מיקרומטר. כימות התצהיר מסתמך על פלואורסצנטיות תרסיס, ולכן השימוש בפרוטוקול זה עם אירוסולים שאינם פלואורסצנטיים עשוי לדרוש שילוב של תווית פלואורסצנטית כגון פלואורסצנטין איזוטיוציאניאט (FITC) לניתוח31. עם זאת, ניתן להחיל טכניקות אנליטיות נוספות כדי לנתח את המסנן בהתאם להרכב התרסיס, כגון כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים (HPLC) או ספקטרומטריית מסה.
הפרוטוקול שלנו מדגים את ההתקנה הניסיונית הראשונה במבחנה עם היכולת לכמת תצהיר ריאתי לובלי בגיאומטריית ריאות ספציפית למטופל. השגת התפלגות מבוקרת ברמת האונה צפויה להגביר את היעילות הטיפולית של טיפולי שאיפה, אשר יושגו רק באמצעות התקדמות במדידות במבחנה במינון מלא. עם העניין הגובר ברפואה מותאמת אישית, פרוטוקול זה יש פוטנציאל לדרבן את הפיתוח של טיפולים חדשים ריאות ממוקדות על ידי מתן תחזיות מדויקות יותר של יעילות הטיפול הפוטנציאלי.

מחלות ריאות רבות כגון סרטן ריאות ומחלת ריאות חסימתית כרונית (COPD) להפגין הבדלים אזוריים במאפייני המחלה; עם זאת, יש חוסר טכניקות טיפוליות זמין למקד משלוח סמים רק לאזורים חולים של הריאה1. מודלים רבים של דינמי נוזלים חישוביים (CFD) הוכיחו כי ניתן לווסת פרופילי תצהיר סמים על ידי זיהוי התייעלות ספציפית בריאה2,3. פיתוח משאפים ומתאמי צינור אנדוטראצ'י (ET) עם יכולות מיקוד אזוריות מתבצע במעבדה שלנו כדי לשלוט בחלוקת תרסיסים לאזורי ריאות חולים. הרחבת עקרונות אלה לשימוש קליני מוגבלת על ידי יכולת הבדיקה הפרה-קלינית הנוכחית. המיקום המדויק של מרבצי סמים בתוך הריאה ידוע כמנבא היעילות הטוב ביותר; עם זאת, הערכות התרופות הנוכחיות של טיפולי שאיפה צפויות לרוב באמצעות מתאמי ויוו במבחנה בגודל חלקיקים לתצהיר משוערבלבד 4. טכניקה זו אינה מאפשרת כל ניתוח מרחבי כדי לקבוע את ההשפעות של גיאומטריות דרכי הנשימה השונות על התפלגות אזורית באמצעות האונות השונות של הריאה. בנוסף, בדיקה זו חסרה גיאומטריות ריאות מדויקות אנטומית, אשר חוקרים הראו יכולה להיות השפעה משמעותית על פרופילי תצהיר5. נעשו כמה מאמצים לשלב גיאומטריות ריאה ספציפיות למטופל בפרוטוקולי בדיקה באמצעות תוספת של דרכי הנשימה העליונות; עם זאת, רוב הגישות הללו מדגמות משלוח אירוסול לדורות שונים של הריאה ולא לכל אונה ריאה6,7,8. הפרוטוקול הבא מציג שיטת תפוקה גבוהה של יצירת מודלים ריאות ספציפיים למטופל עם היכולת לכמת תצהיר חלקיקים יחסי בכל אחת מחמש האונות של הריאה9.
ריאות מודל מדויק אנטומית נוצרות על ידי סריקות טומוגרפיה ממוחשבת (CT) של חולה הדפסה תלת מימדית. כאשר משתמשים בו בשילוב עם מערכת זרימה המורכבת בקלות, ניתן לשלוט באופן עצמאי בקצב הזרימה היחסי דרך כל אחת מהאונה של הריאה המודלית ולהתאים אותה לחיקוי אלה של דמוגרפיה של חולים שונים ו/או מצבי מחלה שונים. בשיטה זו, החוקרים יכולים לבדוק את היעילות של שיטות טיפוליות פוטנציאליות בגיאומטריית ריאות רלוונטית ולתאם את הביצועים של כל שיטה עם התקדמות המורפולוגיה החולה. כאן, שני עיצובים מכשיר שפותחו במעבדה שלנו נבדקים על יכולתם להגדיל את התצהיר באונה הריאה הרצויה על ידי שליטה על המיקום של שחרור תרסיס בפה או קנה הנשימה. פרוטוקול זה יש גם פוטנציאל להשפיע באופן משמעותי על התפתחות הליכים מותאמים אישית עבור חולים על ידי הקלת חיזוי מהיר של יעילות הטיפול בריאה מודל ספציפי לנתוני סריקת CT של המטופל.

<table><tbody><tr><td>1/4&quot; Plastic Barbed Tube Fitting</td><td>McMaster Carr</td><td>5372K111</td><td></td></tr><tr><td>10 um Filter Paper</td><td>Fisher</td><td>1093-110</td><td></td></tr><tr><td>1um Fluorescent Polystyrene Particles</td><td>Polysciences</td><td>15702-10</td><td></td></tr><tr><td>1um Non-Fluorescent Polystyrene Particles</td><td>Polysciences</td><td>8226</td><td></td></tr><tr><td>2-Propanol</td><td>Fisher</td><td>A516-4</td><td>Referred to in protocol as &quot;IPA&quot;</td></tr><tr><td>3/8&quot; Plastic Barbed Tube Fitting</td><td>McMaster Carr</td><td>5372K117</td><td></td></tr><tr><td>Air Flow Meter (1 - 280 mL/min)</td><td>McMaster Carr</td><td>41695K32</td><td>Referred to in protocol as &quot;flow meter&quot;</td></tr><tr><td>Carbon M1 3D Printer</td><td>Carbon 3D</td><td></td><td>https://www.carbon3d.com/, Associated software referred to in protocol as &quot;slicing software&quot;</td></tr><tr><td>Collison Jet Nebulizer</td><td>CH Technologies</td><td>ARGCNB0008 (CN-25)</td><td>6 Jet MRE style horizontal collision with glass jar, Referred to in protocol as &quot;nebulizer&quot;, http://chtechusa.com/Manuals/MRE_Collison_Manual.pdf</td></tr><tr><td>Convection Oven</td><td>Yamato</td><td>DKN602</td><td></td></tr><tr><td>Copley Critical Flow Controller TPK2000 Reve 120V</td><td>MSP Corp</td><td>0001-01-9810</td><td>Referred to in protocol as &quot;flow controller&quot;</td></tr><tr><td>Copley High Capacity Pump Model HCP5</td><td>MSP Corp</td><td>0001-01-9982</td><td>Referred to in protocol as &quot;vacuum pump&quot;</td></tr><tr><td>Cytation</td><td>BioTek</td><td>CYT5MPV</td><td>Multifunctional Spectrophotometer/Fluorescent imager equiped with 4x/20x/40x objectives and DAPI/GFP/TexasRed laser/filter cubes</td></tr><tr><td>EPU40 Resin</td><td>Carbon 3D</td><td></td><td>https://www.carbon3d.com/materials/epu-elastomeric-polyurethane/, Referred to in protocol as &quot;soft resin&quot;</td></tr><tr><td>Filter for vacuum pump</td><td>Whatman</td><td>6722-5000</td><td></td></tr><tr><td>Flow Meter Model DFM 2000</td><td>MSP Corp</td><td>0001-01-8764</td><td>Referred to in protocol as &quot;electronic flow meter&quot;</td></tr><tr><td>ImageJ Software</td><td>ImageJ</td><td></td><td>https://imagej.nih.gov/ij/download.html</td></tr><tr><td>Inline Air Flow Control Valve (Push-to-Connect)</td><td>McMaster Carr</td><td>62005K333</td><td>Referred to in protocol as &quot;valve&quot;</td></tr><tr><td>Inline Filter Devices</td><td>Whatman</td><td>WHA67225000</td><td></td></tr><tr><td>Marine-Grade Plywood Sheet</td><td>McMaster Carr</td><td>62005K333</td><td>Referred to in protocol as &quot;wooden board&quot;</td></tr><tr><td>Materialise Mimics Software</td><td>Materialise</td><td></td><td>https://www.materialise.com/en/medical/mimics-innovation-suite, Referred to in protocol as &quot;CT scan software&quot;</td></tr><tr><td>Meshmixer Software</td><td>Autodesk</td><td></td><td>http://www.meshmixer.com/, Referred to in protocol as &quot;mesh editing software&quot;</td></tr><tr><td>Methanol</td><td>Fisher</td><td>A454-4</td><td></td></tr><tr><td>Opticure LED Cube</td><td>APM Technica</td><td>102843</td><td>Referred to in protocol as &quot;UV oven&quot;</td></tr><tr><td>PR25 Resin</td><td>Carbon 3D</td><td></td><td>https://www.carbon3d.com/materials/uma-urethanemethacrylate, /Referred to in protocol as &quot;hard resin&quot;</td></tr><tr><td>PVC Tube for Chemicals</td><td>McMaster Carr</td><td>5231K161</td><td>1/4&quot; ID</td></tr><tr><td>Screws</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>SolidWorks Software</td><td>Dassault Syst&amp;egrave;mes&amp;nbsp;SolidWorks Corporation</td><td></td><td>https://www.solidworks.com/, Referred to in protocol as &quot;3D modeling software&quot;</td></tr><tr><td>Straight Flow Rectangular Manifold</td><td>McMaster Carr</td><td>1125T31</td><td></td></tr><tr><td>Tubing to Flow Controller</td><td>McMaster Carr</td><td>5233K65</td><td>3/8&quot; ID</td></tr><tr><td>Wire</td><td></td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

evaluating regional pulmonary deposition using patient-specific 3d printed lung models

פיתוח טיפולים ממוקדים למחלות ריאות מוגבל על ידי הזמינות של שיטות בדיקה פרה-קוליניות עם היכולת לחזות משלוח אירוסול אזורי. מינוף הדפסה תלת-ממדית כדי ליצור מודלים ספציפיים לריאות המטופל, אנו מתארים את העיצוב של תפוקה גבוהה, התקנה ניסיונית במבחנה לכימות תצהיר ריאות לובלי. מערכת זו נעשית עם שילוב של רכיבים מסחריים זמינים ותל"ד מודפסים ומאפשרת את קצב הזרימה דרך כל האונה של הריאה להיות נשלט באופן עצמאי. מסירת אירוסולים פלואורסצנטיים לכל אונה נמדדת באמצעות מיקרוסקופ פלואורסצנטי. לפרוטוקול זה יש פוטנציאל לקדם את הצמיחה של רפואה מותאמת אישית למחלות בדרכי הנשימה באמצעות יכולתו לדגמן מגוון רחב של דמוגרפיה של חולים ומדינות מחלה. ניתן לווסת בקלות הן את הגיאומטריה של מודל הריאות המודפסות בתלת-ממד והן את הגדרת פרופיל זרימת האוויר כדי לשקף נתונים קליניים עבור חולים עם גיל, גזע ומין משתנים. מכשירי אספקת תרופות רלוונטיים קלינית, כגון הצינור endotracheal המוצג כאן, ניתן לשלב לתוך מערך הבדיקה כדי לחזות בצורה מדויקת יותר את היכולת של המכשיר למקד משלוח טיפולי לאזור חולה של הריאה. הרבגוניות של התקנה ניסיונית זו מאפשרת לו להיות מותאם אישית כדי לשקף שפע של תנאי שאיפה, שיפור הקשיחות של בדיקות טיפוליות פרה-קוליניות.

חלקיקים בטווח גודל זה (1-5 מיקרומטר) ותנאי זרימה (1-10 L /min) עוקבים אחר קווי זרם הנוזלים המבוססים הן על מספר סטוקס התיאורטי שלהם והן על נתוני vivo; לכן, בהיעדר מכשיר משלוח ממוקד, חלקיקים המשתחררים למודל הריאות צפויים להפקיד בהתאם לאחוז זרימת האוויר הכוללת המופנית לכל אונה. לאחר מכן ניתן להשוות את הכמויות היחסיות של מסירת חלקיקים לכל אונה לנתוני קצב זרימת האונה הקלינית המתקבלים באמצעות ניתוח טומוגרפיה ממוחשבת (HRCT) ספציפית למטופל ברזולוציה גבוהה ( HRCT ) סריקות10. מערך ניסיוני מאומת יניב פרופיל תצהיר חלקיקים לא ממוקד שאין לו הבדל מובהק סטטיסטית מפרופיל זרימת האוויר הקליני. נתוני אימות מוצגים עבור שני תנאי זרימה נפרדים: 1 L/min בריאה בריאה (איור 4A) ו 1 L / min בריאה מושפע COPD (איור 4B). בשני התנאים הללו, פרופיל התצהיר שנקבע באופן ניסיוני לא היה שונה סטטיסטית מהנתונים הקליניים, והוכיח כי ההגדרה מחקה במדויק את התפלגות זרימת האוויר לכל אחת מאונות הריאה. פרופילי תצהיר בסיסיים אלה שימשו כבקרה שנגדה מושווים פרופילי תצהיר חלקיקים ממוקדים.
כדי להמחיש את יכולתו של פרוטוקול זה לכמת שינויים בתצהיר ריאתי אזורי, נכללו נתונים לבדיקת שני התקני פילוח שונים: צינור אנדוטרצ'יאלי (ET) שונה (איור 5B) ומכשיר צילינדר קונצנטרי (איור 5E). שני התקנים אלה כללו שקע מזהה 2 מ"מ עם מיקום מתכוונן לשחרור חלקיקים ייעודי. צינור ET שונה הוערך עם מודל הריאות צנרור על יכולתו למקד תצהיר חלקיקים הן השמאלי התחתון (LL) האונה הימנית התחתונה (RL) האונה. בהשוואה לפרופיל תצהיר החלקיקים הלא ממוקדים, מכשיר זה יצר עלייה של כמעט פי ארבעה במסירה של LL Lobe (T-test p=0.004, n=3) בנוסף להסטת יותר מ-96% מהחלקיקים המועברים לריאה השמאלית (T-test p=0.0001, n=3)(איור 5A). שינוי הגדרת מיקום השחרור כדי למקד את האונה RL, התקן זה יצר יותר מכפיל את מסירת החלקיקים לאונה RL (T-test p = 0.02, n = 3) והסיט 94% של חלקיקים מועברים לריאה הימנית (T-test p = 0.0005, n = 3) (איור 5C). הדבר מצביע על כך שההתקן מצליח מאוד בהפקת אפנון פרופיל התצהיר המיועד. מכשיר הצילינדר הקונצנטרי נבדק בדגם הריאות המלא עם מטרה מיועדת של האונה השמאלית העליונה (LU). בהשוואה לפרופיל תצהיר החלקיקים הלא ממוקד, התקן זה גרם לעלייה של כמעט פי שלושה במסירה של LU Lobe (T-test p=0.0003, n=3) בנוסף להסטת יותר מ-87% מהחלקיקים המועברים לריאה השמאלית (T-test p=0.002, n=3)(איור 5D). יעילות פילוח ניתן לראות גם באופן איכותי על ידי השוואת התמונות של מסנן האונה היעד למסנני השקע האחרים. כפי שמתואר באיור 3, שיטת הפילוח היעילה ביותר תניב תצהיר חלקיקים גבוה באונה המיועדת של ריבית ותצהיר נמוך בשאר חנויות האונה. להדגמות נוספות של היכולות של פרוטוקול זה, אנא ראה את הניסויים שבוצעו על ידי Kolewe et al9.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig01.jpg"> איור 1: רכיבים ניסיוניים מודפסים בתלת-ממד. (A)סריקת CT של מטופל שהומרה לקובץ חלק תלת-ממדי באמצעות תוכנת סריקת CT ועריכת רשת שינוי. (B)דגם ריאות עם שינויים בשקע האונה שנעשו בעריכת רשת ותוכנת דוגמנות תלת מימדית. (C) דגם ריאות עם כניסת שונה בתוכנת דוגמנות 3D כדי לשקף חולה צנרור. (D)חיבור צינורות תיל וכובע(E)שעוצבו בתוכנת דוגמנות תלת-ממדית. (F)חתך רוחב של דגם תלת מימד המתאר את האופי השזור של שקעי דגם הריאות עם הכובע וחיבור צינורות דוקרני. (G) תצוגה מופרדת של הרכבת מכסה יציאה של דגם ריאות. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61706/61706fig01large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig02.jpg"> איור 2: הרכבה של התקנה ניסיונית. (A) סכמטי של התקנה ניסיונית כולל (1) nebulizer, (2) דגם ריאות, (3) כובעי יציאה, (4) מדי זרימה, (5) שסתומים, (6) סעפת, (7) בקר זרימה ו (8) משאבת ואקום. (B)התקנה שהורכבה במלואה. (C)תקריב של שקע האונה עם כובע מורכב. (D) דגם ריאות עם כל הכובעים שנוספו. (ה)תקריב של רשת אבובים להגדרת קצבי זרימה של שקע האונה. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61706/61706fig02large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig03.jpg"> איור 3: עיבוד תמונה של נייר סינון. התמונות הגולמיות שהוצגו נאספו במהלך ניסוי כדי למקד את הריאה השמאלית באמצעות חלקיקי פוליסטירן פלואורסצנטיים 1 מיקרומטר ב 1 L / min תחת פרופיל נשימה בריא. תמונות התצהיר "הגבוהות" וה"נמוכות" מתארות את מסנני האונה LL ו- RU, בהתאמה. הסף "הטוב", המיושם בטווח של 43 עד 255, שומר על קצוות מוגדרים בין חלקיקים בודדים ומונע זיהוי של סיבי נייר מסנן. הסף "המסכן", המיושם בטווח של 17 עד 255, מטשטש גבולות חלקיקים בודדים ומעריץ יתר על הנראה של אזור הפלואורסצנט של המסנן. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61706/61706fig03large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig04.jpg"> איור 4: אימות התקנה ניסיוני. (A)תוצאות אימות עבור חולים בריאים ו -( B) חולה COPD ב 1 L / min. כל הנתונים המוצגים הם ממוצעים ± SD עם שלושה שכפולים (למעט נתוני COPD קליניים, שם דווח רק על חולה אחד). נתוני ייחוס קליניים לחולי COPD בריאים התקבלו מסול, ואח'10. ערכות נתונים הושוו באמצעות מבחן ההשוואות המרובות של Sidak, וכל ההבדלים אינם משמעותיים. <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61706/61706fig04large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/61706/61706fig05.jpg"> איור 5: נתונים לדוגמה לניסויי פילוח. (A) האונה התחתונה השמאלית ו - (C) מיקוד האונה התחתונה הימנית הושג באמצעות (B) מערכת אספקת צינור ET שונה. (D)מיקוד האונה העליונה השמאלית הושג באמצעות (E) מערכת אספקת צינור קונצנטרי. עבור כל שלוש ערכות הנתונים, הטבעת הפנימית מייצגת את פרופיל התצהיר הלא ממוקד שהושג במהלך אימות ההתקנה, והטבעת החיצונית מייצגת את פרופיל התצהיר שהופק עם הוספת התקן הפילוח שצוין. מוצגים אמצעים לשלושה שכפולים עבור כל התקנה. ערכות נתונים הושוו באמצעות מבחן ההשוואות המרובות של Sidak ומבחן T לתלמיד בהנחה של שונות שווה. כל שלוש ההגדרות הניבו עלייה משמעותית במסירה לאונה של עניין: LL Lobe (T-test p = 0.004, n = 3), RL Lobe (T-test p = 0.02, n = 3), ו LU Lobe (T-מבחן p = 0.0003, n = 3). <a href="https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/61706/61706fig05large.jpg" target="_blank">לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>

Watch this Scientific Journal Video about Evaluating Regional Pulmonary Deposition using Patient-Specific 3D Printed Lung Models at JoVE.com

Evaluating Regional Pulmonary Deposition using Patient-Specific 3D Printed Lung Models

אנו מציגים תפוקה גבוהה, בשיטת במבחנה לכימות תצהיר ריאתי אזורי ברמת האונה באמצעות CT סריקה נגזר, מודלים של ריאות מודפסות 3D עם פרופילי זרימת אוויר מתכווננת.

הערכת תצהיר ריאתי אזורי באמצעות דגמי ריאות מודפסים תלת-ממדיים ספציפיים למטופל

Development of targeted therapies for pulmonary diseases is limited by the availability of preclinical testing methods with the ability to predict ...

evaluating-regional-pulmonary-deposition-using-patient-specific-3d

Nanyang Technological University

Research

JoVE Journal

Bioengineering

4.2K Views.  University of Delaware. אנו מציגים תפוקה גבוהה, בשיטת במבחנה לכימות תצהיר ריאתי אזורי ברמת האונה באמצעות CT סריקה נגזר, מודלים של ריאות מודפסות 3D עם פרופילי זרימת אוויר מתכווננת.

Video: Evaluating Regional Pulmonary Deposition using Patient-Specific 3D Printed Lung Models

A Combined 3D Tissue Engineered In Vitro/In Silico Lung Tumor Model for Predicting Drug Effectiveness in Specific Mutational Backgrounds

In the present study, we combined an in vitro 3D lung tumor model with an in silico model to optimize predictions of drug response based on a specific mutational background. The model is generated on a decellularized porcine scaffold that reproduces tissue-specific characteristics regarding extracellular matrix composition and architecture including the basement membrane. We standardized a protocol that allows artificial tumor tissue generation within 14 days including three days of drug treatment. Our article provides several detailed descriptions of 3D read-out screening techniques like the determination of the proliferation index Ki67 staining&#39;s, apoptosis from supernatants by M30-ELISA and assessment of epithelial to mesenchymal transition (EMT), which are helpful tools for evaluating the effectiveness of therapeutic compounds. We could show compared to 2D culture a reduction of proliferation in our 3D tumor model that is related to the clinical situation. Despite of this lower proliferation, the model predicted EGFR-targeted drug responses correctly according to the biomarker status as shown by comparison of the lung carcinoma cell lines HCC827 (EGFR -mutated, KRAS wild-type) and A549 (EGFR wild-type, KRAS-mutated) treated with the tyrosine-kinase inhibitor (TKI) gefitinib. To investigate drug responses of more advanced tumor cells, we induced EMT by long-term treatment with TGF-beta-1 as assessed by vimentin/pan-cytokeratin immunofluorescence staining. A flow-bioreactor was employed to adjust culture to physiological conditions, which improved tissue generation. Furthermore, we show the integration of drug responses upon gefitinib treatment or TGF-beta-1 stimulation - apoptosis, proliferation index and EMT - into a Boolean in silico model. Additionally, we explain how drug responses of tumor cells with a specific mutational background and counterstrategies against resistance can be predicted. We are confident that our 3D in vitro approach especially with its in silico expansion provides an additional value for preclinical drug testing in more realistic conditions than in 2D cell culture.

A Combined 3D Tissue Engineered In Vitro/In Silico Lung Tumor Model for Predicting Drug Effectiveness in Specific Mutational Backgrounds

We present a three-dimensional (3D) lung cancer model based on a biological collagen scaffold to study sensitivity towards non-small-cell-lung-cancer-(NSCLC)-targeted therapies. We demonstrate different read-out techniques to determine the proliferation index, apoptosis and epithelial-mesenchymal transition (EMT) status. Collected data are integrated into an in silico model for prediction of drug sensitivity.

רקמת 3D משולב תכנון הנדסי<em&gt; במבחנה</em&gt; /<em&gt; סיליקו</em&gt; דגם גידול ריאות לניבוי יעילות טיפול תרופתי רקעים מוטציוני ספציפיים

In the present study, we combined an in vitro 3D lung tumor model with an in silico model to optimize predictions of drug response based on a specific ...

A 3D Human Lung Tissue Model for Functional Studies on Mycobacterium tuberculosis Infection

Tuberculosis (TB) still holds a major threat to the health of people worldwide, and there is a need for cost-efficient but reliable models to help us understand the disease mechanisms and advance the discoveries of new treatment options. In vitro cell cultures of monolayers or co-cultures lack the three-dimensional (3D) environment and tissue responses. Herein, we describe an innovative in vitro model of a human lung tissue, which holds promise to be an effective tool for studying the complex events that occur during infection with Mycobacterium tuberculosis (M. tuberculosis). The 3D tissue model consists of tissue-specific epithelial cells and fibroblasts, which are cultured in a matrix of collagen on top of a porous membrane. Upon air exposure, the epithelial cells stratify and secrete mucus at the apical side. By introducing human primary macrophages infected with M. tuberculosis to the tissue model, we have shown that immune cells migrate into the infected-tissue and form early stages of TB granuloma. These structures recapitulate the distinct feature of human TB, the granuloma, which is fundamentally different or not commonly observed in widely used experimental animal models. This organotypic culture method enables the 3D visualization and robust quantitative analysis that provides pivotal information on spatial and temporal features of host cell-pathogen interactions. Taken together, the lung tissue model provides a physiologically relevant tissue micro-environment for studies on TB. Thus, the lung tissue model has potential implications for both basic mechanistic and applied studies. Importantly, the model allows addition or manipulation of individual cell types, which thereby widens its use for modelling a variety of infectious diseases that affect the lungs.

A 3D Human Lung Tissue Model for Functional Studies on Mycobacterium tuberculosis Infection

Human tuberculosis infection is a complex process, which is difficult to model in vitro. Here we describe a novel 3D human lung tissue model that recapitulates the dynamics that occur during infection, including the migration of immune cells and early granuloma formation in a physiological environment.

דגם רקמות 3D ריאות אדם ללימודים פונקציונליים ב<em&gt; חפת Mycobacterium</em&gt; זיהום

Tuberculosis (TB) still holds a major threat to the health of people worldwide, and there is a need for cost-efficient but reliable models to help us ...

Immunology and Infection

Generation of 3D Whole Lung Organoids from Induced Pluripotent Stem Cells for Modeling Lung Developmental Biology and Disease

Human lung development and disease has been difficult to study due to the lack of biologically relevant in vitro model systems. Human induced pluripotent stem cells (hiPSCs) can be differentiated stepwise into 3D multicellular lung organoids, made of both epithelial and mesenchymal cell populations. We recapitulate embryonic developmental cues by temporally introducing a variety of growth factors and small molecules to efficiently generate definitive endoderm, anterior foregut endoderm, and subsequently lung progenitor cells. These cells are then embedded in growth factor reduced (GFR)-basement membrane matrix medium, allowing them to spontaneously develop into 3D lung organoids in response to external growth factors. These whole lung organoids (WLO) undergo early lung developmental stages including branching morphogenesis and maturation after exposure to dexamethasone, cyclic AMP and isobutylxanthine. WLOs possess airway epithelial cells expressing the markers KRT5 (basal), SCGB3A2 (club) and MUC5AC (goblet) as well as alveolar epithelial cells expressing HOPX (alveolar type I) and SP-C (alveolar type II). Mesenchymal cells are also present, including smooth muscle actin (SMA), and platelet-derived growth factor receptor A (PDGFR&#945;). iPSC derived WLOs can be maintained in 3D culture conditions for many months and can be sorted for surface markers to purify a specific cell population. iPSC derived WLOs can also be utilized to study human lung development, including signaling between the lung epithelium and mesenchyme, to model genetic mutations on human lung cell function and development, and to determine the cytotoxicity of infective agents.

The article describes step wise directed differentiation of induced pluripotent stem cells to three-dimensional whole lung organoids containing both proximal and distal epithelial lung cells along with mesenchyme.

ייצור אורגנוידים של ריאות שלמות תלת-ממדיות מתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים למידול ביולוגיה התפתחותית של ריאות ומחלות

Human lung development and disease has been difficult to study due to the lack of biologically relevant in vitro model systems. Human induced pluripotent ...

Developmental Biology

3D Printing of Preclinical X-ray Computed Tomographic Data Sets

Three-dimensional printing allows for the production of highly detailed objects through a process known as additive manufacturing. Traditional, mold-injection methods to create models or parts have several limitations, the most important of which is a difficulty in making highly complex products in a timely, cost-effective manner.1 However, gradual improvements in three-dimensional printing technology have resulted in both high-end and economy instruments that are now available for the facile production of customized models.2 These printers have the ability to extrude high-resolution objects with enough detail to accurately represent in vivo images generated from a preclinical X-ray CT scanner. With proper data collection, surface rendering, and stereolithographic editing, it is now possible and inexpensive to rapidly produce detailed skeletal and soft tissue structures from X-ray CT data. Even in the early stages of development, the anatomical models produced by three-dimensional printing appeal to both educators and researchers who can utilize the technology to improve visualization proficiency. 3, 4 The real benefits of this method result from the tangible experience a researcher can have with data that cannot be adequately conveyed through a computer screen. The translation of pre-clinical 3D data to a physical object that is an exact copy of the test subject is a powerful tool for visualization and communication, especially for relating imaging research to students, or those in other fields. Here, we provide a detailed method for printing plastic models of bone and organ structures derived from X-ray CT scans utilizing an Albira X-ray CT system in conjunction with PMOD, ImageJ, Meshlab, Netfabb, and ReplicatorG software packages.

Using modern plastic extrusion and printing technologies, it is now possible to quickly and inexpensively produce physical models of X-ray CT data taken in a laboratory. The three -dimensional printing of tomographic data is a powerful visualization, research, and educational tool that may now be accessed by the preclinical imaging community.

הדפסת 3D של Preclinical רנטגן הממוחשבים טומוגרפית נתוני סטים

Three-dimensional printing allows for the production of highly detailed objects through a process known as additive manufacturing.  Traditional, ...

Biology

Generation of Human 3D Lung Tissue Cultures (3D-LTCs) for Disease Modeling

Translation of novel discoveries to human disease is limited by the availability of human tissue-based models of disease. Precision-cut lung slices (PCLS) used as 3D lung tissue cultures (3D-LTCs) represent an elegant and biologically highly relevant 3D cell culture model, which highly resemble in situ tissue due to their complexity, biomechanics and molecular composition. Tissue slicing is widely applied in various animal models. 3D-LTCs derived from human PCLS can be used to analyze responses to novel drugs, which might further help to better understand the mechanisms and functional effects of drugs in human tissue. The preparation of PCLS from surgically resected lung tissue samples of patients, who experienced lung lobectomy, increases the accessibility of diseased and peritumoral tissue. Here, we describe a detailed protocol for the generation of human PCLS from surgically resected soft-elastic patient lung tissue. Agarose was introduced into the bronchoalveolar space of the resectates, thus preserving lung structure and increasing the tissue&#39;s stiffness, which is crucial for subsequent slicing. 500 &#181;m thick slices were prepared from the tissue block with a vibratome. Biopsy punches taken from PCLS ensure comparable tissue sample sizes and further increase the amount of tissue samples. The generated lung tissue cultures can be applied in a variety of studies in human lung biology, including the pathophysiology and mechanisms of different diseases, such as fibrotic processes at its best at (sub-)cellular levels. The highest benefit of the 3D-LTC ex vivo model is its close representation of the in situ human lung in respect of 3D tissue architecture, cell type diversity and lung anatomy as well as the potential for assessment of tissue from individual patients, which is relevant to further develop novel strategies for precision medicine.

Generation of Human 3D Lung Tissue Cultures 3D-LTCs for Disease Modeling

Here, we present a protocol for the preparation of agarose-filled human precision-cut lung slices from resected patient tissue that are suitable for generating 3D lung tissue cultures to model human lung diseases in biological and biomedical studies.

דור של תרבויות רקמות אמבריולוגיה תלת-ממד (3D-LTCs) עבור מידול המחלה

Translation of novel discoveries to human disease is limited by the availability of human tissue-based models of disease. Precision-cut lung slices (PCLS) ...

Medicine

Development and Evaluation of 3D-Printed Cardiovascular Phantoms for Interventional Planning and Training

Catheter-based interventions are standard treatment options for cardiovascular pathologies. Therefore, patient-specific models could help training physicians&#39; wire-skills as well as improving planning of interventional procedures. The aim of this study was to develop a manufacturing process of patient-specific 3D-printed models for cardiovascular interventions.
To create a 3D-printed elastic phantom, different 3D-printing materials were compared to porcine biological tissues (i.e., aortic tissue) in terms of mechanical characteristics. A fitting material was selected based on comparative tensile tests and specific material thicknesses were defined. Anonymized contrast-enhanced CT-datasets were collected retrospectively. Patient-specific volumetric models were extracted from these datasets and subsequently 3D-printed. A pulsatile flow loop was constructed to simulate the intraluminal blood flow during interventions. Models&#39; suitability for clinical imaging was assessed by x-ray imaging, CT, 4D-MRI and (Doppler) ultrasonography. Contrast medium was used to enhance visibility in x-ray-based imaging. Different catheterization techniques were applied to evaluate the 3D-printed phantoms in physicians&#39; training as well as for pre-interventional therapy planning.
Printed models showed a high printing resolution (~30 &#181;m) and mechanical properties of the chosen material were comparable to physiological biomechanics. Physical and digital models showed high anatomical accuracy when compared to the underlying radiological dataset. Printed models were suitable for ultrasonic imaging as well as standard x-rays. Doppler ultrasonography and 4D-MRI displayed flow patterns and landmark characteristics (i.e., turbulence, wall shear stress) matching native data. In a catheter-based laboratory setting, patient-specific phantoms were easy to catheterize. Therapy planning and training of interventional procedures on challenging anatomies (e.g., congenital heart disease (CHD)) was possible.
Flexible patient-specific cardiovascular phantoms were 3D-printed, and the application of common clinical imaging techniques was possible. This new process is ideal as a training tool for catheter-based (electrophysiological) interventions and can be used in patient-specific therapy planning.

Here we present development of a mock circulation setup for multimodal therapy evaluation, pre-interventional planning, and physician-training on cardiovascular anatomies. With the application of patient-specific tomographic scans, this setup is ideal for therapeutic approaches, training, and education in individualized medicine.

פיתוח והערכה של פאנטום לב וכלי דם בהדפסה תלת-ממדית לתכנון והדרכה התערבותיים

Catheter-based interventions are standard treatment options for cardiovascular pathologies. Therefore, patient-specific models could help training ...

A Personalized 3D-Printed Model for Preoperative Evaluation in Thyroid Surgery

The anatomic structure of the surgical area of thyroid cancer is complex. It is very important to comprehensively and carefully evaluate the tumor location and its relation with the capsule, trachea, esophagus, nerves, and blood vessels before operation. This paper introduces an innovative 3D-printed model establishment method based on computerized tomography (CT) DICOM images. We established a personalized 3D-printed model of the cervical thyroid surgery field for each patient who needed thyroid surgery to help clinicians evaluate the key points and difficulties of the surgery and select the operation methods of key parts as a basis. The results showed that this model is conducive to preoperative discussion and the formulation of operation strategies. In particular, as a result of the clear display of the recurrent laryngeal nerve and parathyroid gland locations in the thyroid operation field, injury to them can be avoided during surgery, the difficulty of thyroid surgery reduced, and the incidence of postoperative hypoparathyroidism and complications related to recurrent laryngeal nerve injury reduced too. Moreover, this 3D-printed model is intuitive and aids communication for the signing of informed consent by patients before surgery.

Here, a new method of establishing a personalized 3D-printed model for preoperative evaluation of thyroid surgery is proposed. It is conducive to preoperative discussion, reducing the difficulty of thyroid surgery.

מודל מותאם אישית המודפס בתלת-ממד להערכה טרום ניתוחית בניתוחי בלוטת התריס

The anatomic structure of the surgical area of thyroid cancer is complex. It is very important to comprehensively and carefully evaluate the tumor ...

שחזור תלת מימד לאבחון וטיפול בגושים ריאתיים

A 3D Digital Model for the Diagnosis and Treatment of Pulmonary Nodules

The three-dimensional (3D) reconstruction of pulmonary nodules using medical images has introduced new technical approaches for diagnosing and treating pulmonary nodules, and these approaches are progressively being acknowledged and adopted by physicians and patients. Nonetheless, constructing a relatively universal 3D digital model of pulmonary nodules for diagnosis and treatment is challenging due to device differences, shooting times, and nodule types. The objective of this study is to propose a new 3D digital model of pulmonary nodules that serves as a bridge between physicians and patients and is also a cutting-edge tool for pre-diagnosis and prognostic evaluation. Many AI-driven pulmonary nodule detection and recognition methods employ deep learning techniques to capture the radiological features of pulmonary nodules, and these methods can achieve a good area under-the-curve (AUC) performance. However, false positives and false negatives remain a challenge for radiologists and clinicians. The interpretation and expression of features from the perspective of pulmonary nodule classification and examination are still unsatisfactory. In this study, a method of continuous 3D reconstruction of the whole lung in horizontal and coronal positions is proposed by combining existing medical image processing technologies. Compared with other applicable methods, this method allows users to rapidly locate pulmonary nodules and identify their fundamental properties while also observing pulmonary nodules from multiple perspectives, thereby providing a more effective clinical tool for diagnosing and treating pulmonary nodules.

מחבר זרקור: מודל דיגיטלי תלת ממדי לאבחון וטיפול בגושים ריאתיים  

The objective of this study is to develop a novel 3D digital model of pulmonary nodules that serves as a communication bridge between physicians and patients and is also a cutting-edge tool for pre-diagnosis and prognostic evaluation.

מודל דיגיטלי תלת ממדי לאבחון וטיפול בגושים ריאתיים

The three-dimensional (3D) reconstruction of pulmonary nodules using medical images has introduced new technical approaches for diagnosing and treating ...

הערכת תצהיר ריאתי אזורי באמצעות דגמי ריאות מודפסים תלת-ממדיים ספציפיים למטופל

Summary

Explore More Videos

Chapters in this video

רקמת 3D משולב תכנון הנדסי

דגם רקמות 3D ריאות אדם ללימודים פונקציונליים ב

ייצור אורגנוידים של ריאות שלמות תלת-ממדיות מתאי גזע פלוריפוטנטיים מושרים למידול ביולוגיה התפתחותית של ריאות ומחלות

הדפסת 3D של Preclinical רנטגן הממוחשבים טומוגרפית נתוני סטים

דור של תרבויות רקמות אמבריולוגיה תלת-ממד (3D-LTCs) עבור מידול המחלה

פיתוח והערכה של פאנטום לב וכלי דם בהדפסה תלת-ממדית לתכנון והדרכה התערבותיים

מודל מותאם אישית המודפס בתלת-ממד להערכה טרום ניתוחית בניתוחי בלוטת התריס

מודל דיגיטלי תלת ממדי לאבחון וטיפול בגושים ריאתיים

מודל דיגיטלי תלת ממדי לאבחון וטיפול בגושים ריאתיים

מודל דיגיטלי תלת ממדי לאבחון וטיפול בגושים ריאתיים