2013. FEBRUÁR
EREDETI
KÖZLEMÉNY
Aeroszol gyógyszerek légzőrendszeri depozícióeloszlásának mérése és numerikus modellezése KEREKES ATTILA Magyar Tudományos Akadémia Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdtestfizikai és Optikai Intézet, Lézeralkalmazások Osztály, Budapest
FARKAS ÁRPÁD DR. BALÁSHÁZY IMRE DR. Magyar Tudományos Akadémia Energiatudományi Kutatóközpont, Környezetfizikai Laboratórium, Budapest
HORVÁTH ALPÁR DR. Chiesi Hungary Kft., Budapest
A légúti megbetegedések száma nemzetközi szinten is és hazánkban is évről-évre növekszik. Válaszul, intenzív kutatás-fejlesztési tevékenységek eredményeként sorra jelennek meg a tüneti kezelésre alkalmas inhalációs készítmények, illetve a különböző formában piacra kerülő hatóanyagokat inhalációs úton a légúti rendszerbe bejuttatni képes eszközök. Nem egyszerű feladat a különböző gyártók egymáshoz részben hasonló termékei közül kiválasztani azt, amely az esetenként jelentősen eltérő élettani sajátosságokkal, légzésfunkciós paraméterekkel rendelkező betegek egyedi igényeihez leginkább illeszkedik. Az eszközválasztás hatékonysága többek között az adott szakember tapasztalatának és termékismeretének a függvénye. Célunk egy olyan eszköz- és szoftverrendszer kifejlesztése, amely egyrészt segít a szakembereknek minden egyedi esetben a leghatékonyabb eszköz kiválasztásában, másrészt támpontot nyújt a gyártóknak és kereskedőknek a termékük piaci pozícionálásához, harmadrészt kijelöli a termékek ajánlott fejlesztési irányait. E célhoz kapcsolódó elvégzendő feladatok köre rendkívül sokszínű, de egy jelentősebb szelete – nevezetesen a hatóanyag célterületre juttatása és annak technikai megvalósítása – jórészt áramlástani probléma és, mint ilyen, jól kutatható in vitro és számítógépes módszerekkel. Ennek érdekében, egy olyan mérési infrastruktúra és numerikus szimulációs háttér kialakítását kellett megvalósítanunk, amely képes mindehhez realisztikus feltételeket biztosítani, a teljes folyamatot modellezni és paraméterezni, valamint az általuk szolgáltatott eredmények egymással és a szakirodalmi adatokkal is összevethetőek. A cikkben e kísérleti berendezés és numerikus modell bemutatására kerül sor, rávilágítva a bennük rejlő potenciálra, vagyis arra, hogy ezek milyen szerepet tölthetnek be a jövő gyógyszereinek és inhalációs eszközeinek a fejlesztésében és az aeroszol gyógyszerek bevitelének optimalizálásában. Kulcsszavak: aeroszol gyógyszerek részecskeméretének meghatározása, 3D légúti geometriák előállítása, légúti depozícióeloszlás mérése, 3D légzőrendszeri depozícióeloszlás számítása Measurement and numerical modeling of respiratory tract deposition of medical aerosols The treatment of higher and higher number of patients with airway diseases is a real challenge for both medical practitioners and drug
MEDICINA THORACALIS • LXVI. 1.
11
EREDETI
2013. FEBRUÁR
KÖZLEMÉNY
manufacturers. As a result of the intense research and development activities the spectrum of available inhalation devices and therapeutic aerosols is broadening year by year. Some patients may have very specific morphological particularities and lung function parameters, so it is a quite difficult task to select the appropriate product tailored to the special needs of each patient. Finding of the suitable medication and inhalation device is also a function of the expertise and experience of the pulmonologist. Our aim is to develop experimental infrastructure and numerical simulation tools in order to help the experts in choosing the appropriate medication and device, to support the development of aerosol drugs and to provide inhaler developers with pertinent information regarding the effect of device properties on airway deposition. Although the amount of work related to this goal is considerable, some aspects related to dynamics of aerosols, like their transport and deposition within the airways, can be efficiently explored by appropriate experimental setup and by complex computational fluid and particle dynamics (CFPD) methods. For this purpose, state of the art experimental devices and measurement techniques have been combined with emerging numerical algorithms in order to reveal the effects of drug and inhaler properties and breathing parameters on the airway deposition-distribution of inhaled therapeutic aerosols. In this review, details of the experimental and simulation techniques are described with special emphasis on the opportunities they hold in the fields of drug and inhaler development and aerosol drug delivery optimization. Key-words: measurement of size distribution of therapeutic aerosols, reconstruction 3D airway geometry, new experimental setup for the measurement of airway deposition, CFD modelling of airway deposition BEVEZETÉS Az asztma és a krónikus obstruktív tüdőbetegség (COPD) eredményes kezelése a rendelkezésre álló hatóanyagok és beviteli eszközök széles választéka ellenére továbbra is komoly kihívást jelent a kezelőorvosok számára. Az elmúlt évtizedek intenzív kutatás-fejlesztési munkájának eredményeként napjainkban a fenntartó kezelésre leggyakrabban alkalmazott gyógyszerbeviteli forma az inhalációs gyógyszerbevitel. Ezen gyógyszerbeviteli mód alkalmazása lehetővé teszi az egyes hatóanyagok (pl. szteroidok) szempontjából nem csekély kockázatot jelentő szisztémás mel12
lékhatások minimalizálását. Azáltal, hogy a hatóanyag jelentős része közvetlenül a tüdőbe, illetve azon belül elsődleges célterületként a nagylégutakba és a kislégutakba juttatható, maximalizálható a hatás és minimalizálható a várható rövid és hosszú távú mellékhatás. A kezelésben leggyakrabban használt hatóanyagok számos eszközben és hatóanyag erősségben (menynyiségben) kerültek forgalomba. A gyógyszerbeviteli eszközök száma a kombinációs készítmények generikus változatainak megjelenésével várhatóan tovább fokozódik. A belégző eszközök között jelentős különbségek fordulnak elő, mind az eszközök felépítésében, mind MEDICINA THORACALIS • LXVI. 1.
2013. FEBRUÁR pedig a tárolt hatóanyag(ok) fizikai tulajdonságaiban, az általuk leadott hatóanyag(ok) mennyiségében és a részecskeméret-eloszlásukban (1). Az elért teljes légzőrendszeri depozíciós hatásfok mellett a várható hatás függ az eszköz által leadott hatóanyag mennyiségétől, farmakokinetikai és farmakodinamikai paramétereitől, valamint a kiülepedés légzőrendszeren belüli térbeli eloszlásától is. Jelentősen csökkenhet a mellékhatások száma, ha csak a célszervben, különösen azon belül is csak a célterületen aktivizálódó hatóanyagot (prodrug) juttatunk a szervezetbe. Ezenkívül fontos paraméterek a várható hatás és mellékhatás szempontjából: a felezési idő, a lipidoldékonyság, a receptorhoz való kötődési idő, a megoszlási térfogat, és természetesen az, hogy milyen útvonalon ürül ki a hatóanyag a szervezetből (például a májban bomlik-e, vagy vesén keresztül változatlan formában távozik). A jelentős felső légúti depozíciót adó nagyrészecskés (5–7 µm átmérőjű) gyógyszerektől, a napjainkban alkalmazott légzési technika mellett, nem várható ugyanaz a hatás, mint ami az 1–2 mikronos részecskéket tartalmazó új beviteli eszközöktől, ugyanis a részecskemérettől igen erősen függ a légúti kiülepedéseloszlás. Természetesen a légzés módja is jelentősen befolyásolhatja a depozíció mértékét és helyét. A manapság forgalomban lévő aeroszol gyógyszerekre jellemző részecskeméret tartományokra a különböző tudományterületeken más-más kifejezéseket alkalmaznak. Az aeroszol gyógyszerek mindennapi szóhasználatában az 5 mikrométernél nagyobb átmérőjű részecskék alkotják a durva frakciót, a kb. 1–5 mikrométer átmérőjű részecskék a finom frakciót, és a 1 µm alatti régióban megjelenik az extrafinom frakció. A durva részecskék inhalációja általában jelentős mértékű szájüregi- és garatdepozícióval jár, a finom részecskék tüdőbeli depozíciója már jelentős lehet, az extrafinom részecskék pedig könnyen lejutnak a kis légutakba és az acináris részbe is. Az aeroszol fizikában az 1 mikron és a mikron feletti átmérőjű részecskék neve mikron méretű részecskék, az 1–0,1 mikron tartományt alkotják a finom részecskék, a 0,1–0,01 mikron terület az ultrafinom részecskéké, és a 0,01–0,001 mikron részecskeméret tartomány a nanorészecskéké. MEDICINA THORACALIS • LXVI. 1.
EREDETI
KÖZLEMÉNY
Az aeroszol gyógyszerek nem szigorúan monodiszperzek, hanem egy adott részecskeméret eloszlásuk van. A méreteloszlást általában egy, az eloszlásra jellemző mérettel jellemzik. Ezen jellemző méretként néha az MMD-t („mass median diameter”, annyi mint „tömeg medián átmérő”) adják meg, vagyis azt az átmérőt, amelyhez tartozó tömegnél éppen a részecskék felének nagyobb a tömege. Gyakrabban a méreteloszlást az MMAD-val („mass median aerodynamic diameter”, azaz „tömeg medián aerodinamikai átmérő”) jellemzik, ami csak abban különbözik az előzőtől, hogy nem a geometriai átmérő, hanem az úgynevezett aerodinamikai átmérő méreteloszlását veszik alapul. Az aerodinamikai átmérő alatt azt az átmérőt értjük, amivel az adott részecske ugyanolyan határsebességgel ülepszik, mint az egységnyi sűrűségű gömb alakú részecske. A szakirodalomban használt nomenklatúra éppúgy nem egységes, mint azok a mérési módszerek és eredmények, amelyekkel ezen hatóanyagok (gyógyszerek) esetében a hazai és a nemzetközi irodalomban találkozunk. E helyzet javítására, a részecskeméretek és a légutak nevezéktana területén, a Medicina Thoracalis 2012. decemberi számában megjelent egy a hazai irodalomban hiánypótló közlemény (2). A fenti áttekintés szemléletesen mutatja, hogy a légúti depozíciót lényegesen befolyásoló számtalan tényező közül az egyiket – nevezetesen az átlagos részecskeméretet – kiválasztva, a különböző gyártók termékeinél e paraméter értékében milyen nagyfokú az eltérés. Ráadásul ezen adatok érzékenyek a mérési módszerre is. Nem szabad elfeledkeznünk arról sem, hogy bár az átlagos részecskeméret az egyik legfontosabb paraméter, azonban az esetek egy jelentős részében a méretből fakadó előnyök nem tudnak megfelelően érvényesülni, mivel egy másik paraméter, mondjuk pMDI használata esetén a szinkronizáció vagy a DPI esetén a szívóerő nem megfelelő. Az optimális depozíciós hatásfok eléréséhez, vagy a megfelelő készülék kiválasztásához a készülék által generált részecskesokaság méreteloszlásának ismerete így mindenképpen szükséges és hasznos, de semmiképpen nem elégséges ismeret. Ezenkívül érdemes megjegyeznünk, hogy az átlagos részecskeméret még messzemenően nem jellemzi teljesen a részecskeméret eloszlását. Sőt a részecskék 13
EREDETI
2013. FEBRUÁR
KÖZLEMÉNY
I. táblázat A leggyakoribb hazai forgalomban lévő készülékek által generált aeroszol részecskefelhő MMAD vagy MMD értéke Hatóanyag
Belégző
Szerző
MMAD, MMD
A vonatkozó
(µm)
megjegyzés jele
Tiotropium
Handihaler
Chapman KR[3]
3,90 (±0,29)
–
Salbutamol
Respimat
Longest PW[4]
5,30
b
Salmeterol
Evohaler Diskus
Nagel MW[5] Tarsin WY[6]
3,40 3,54 (±0,47)
c d
Budesonide
Easyhaler
Hirst PH[7]
4,00
e
Ciclesonide
pMDI
Gulliver T[12]
1,1–2,1
–
Beclomethasone
pMDI
Leach CL[11]
0,7
–
Formoterol
Aerolizer Turbuhaler
Weuthen T[8] Weuthen T[8]
7,90–4,27 5,49–2,13
f g
Extrafinom formoterol
pMDI - Modulite
Häussermann S[10]
0,75
–
Indacaterol
Breezhaler
Chapman KR[3]
3,20 (±0,22)
–
Salmeterol/fluticasone
Evohaler Diskus
Nagel MW[5] Tarsin WY[6] Taki M[9]
3,40 / 2,90 3,54 (±0,47)/3,57 (±0,48) 4,96–3,05
i és j – m
Formoterol/ budesonide
Turbuhaler
Tarsin WY[6]
3,30 (±0,64)/3,09 (±0,55)
–
Formoterol/ beclomethasone
pMDI - Modulite
De Backer W[13]
1,3±0,1
–
Az I. táblázatban a teljesség igénye nélkül összefoglaltuk a leggyakoribb aeroszol gyógyszerek megadott jellemző méretét. A táblázatban közölt adatokhoz a következő megjegyzéseket fűzzük: b: a vizsgálatban az MMD-t mérték. Az MMD és az MMAD között 10˚C-on nincs szignifikáns különbség. 21–22˚C-on mérve az MMAD 18–30 %-kal kisebb lehet, mint az MMD. A légutak magas páratartalmának és a hatóanyagok belégzéskor történő gyors felmelegedésének együttes befolyása az MMD és MMAD értékekre in vivo körülmények között nem ismert; c: a salmeterol/fluticasone Evohaler fix kombinációból a szalmeterol MMAD-ja; d: a salmeterol/fluticasone Diskus 500 fix kombinációból a szalmeterol MMAD-ja; e: a budesonide Easyhaler MMAD-ja (a formoterol Easyhaler adata nem elérhető); f: az MMAD különböző szívóerőknél: 7,9 ±0,37 µm 28,3 liter/percnél; 4,44 ±0,21 µm 40 liter/ percnél; 4,26 ±0,13 µm 60 liter/percnél és 4,27 ±0,21 µm 80 liter/percnél; 14
g: az MMAD különböző szívóerőknél: 5,49 ±0,83 28,3 l/percnél; 2,64 ±0,04 40 liter/percnél; 2,51 ±0,35 60 liter/percnél és 2,13 ±0,05 80 liter/ percnél; i: salmeterol xinafoát (SX); j: fluticasone propionát (FP); m: a salmeterol/fluticasone 500 Diskus fix kombináció részecskeméretét (MMAD) többféle impaktorral is meghatározták. Az Andersen-féle kaszkád impaktorral mérve a következő eredmények születtek: 30 liter/perces szívóerőnél az SX 4,15 ±0,09 µm, az FP 4,2 ±0,05 µm, kb. 70 liter/perces szívóerőnél az SX 3,05 ±0,12 µm, az FP 3,07 ±0,06 µm volt. Többfázisú folyadék impingerrel (multistage liquid impinger, MSLI) mérve 30 liter/perces szívóerőnél az SX 4,05 ±0,12 µm, az FP 3,87 ±0,17 µm, kb. 70 liter/perces szívóerőnél az SX 3,78 ±0,13 µm, az FP 3,43 ±0,02 µm volt. Next generation impaktorral (NGI) mérve 30 liter/perces szívóerőnél az SX 4,96 ±0,16 µm, az FP 4,78 ±0,13 µm, kb. 70 liter/perces szívóerőnél az SX 3,23 ±0,05 µm, az FP 3,30 ± 0,04 µm volt. MEDICINA THORACALIS • LXVI. 1.
2013. FEBRUÁR mérete és dinamikája jelentősen változhat a belégzés során is. A témakör kutatása így mindenképpen indokolt feladat, a légzőrendszeri kiülepedéseloszlást befolyásoló tényezők meghatározása és hatásuk feltérképezése hozzájárulhat egy hatékonyabb inhalációs terápiás metodika és eszközpark létrehozásához.
A KUTATÁSI INFRASTRUKTÚRA KIALAKÍTÁSÁNAK ELŐZMÉNYEI Az inhalációs készítmények légúti depozíciójának a feltérképezésére, a kiülepedés hatásfokának becslésére mind az in vivo, mind az in vitro, mind pedig az in silico (számítógépes szimuláció) módszerek használata általánosan elterjedt attól függően, hogy az elérni kívánt kutatási célokhoz melyik illeszkedik a legjobban. A gamma kamera alkalmas lehet a különböző készítmények által generált részecskék légzőrendszeri kiülepedéseloszlásának a vizualizálására a megfelelő légúti régiókban (14). Azonban az e módszer által szolgáltatott eredmények nagymértékben függnek a vizsgált személy pillanatnyi légzésfunkciós értékeitől (légzési hullámformáitól), pMDI esetén a szinkronizáció hatásfokától, de akár a környezeti hőmérséklettől is (15). A leggyakrabban használt eljárás a szcintigráfia, melynek alapján a teljes tüdőben vagy annak egy régiójában kiülepedett részecskék mennyiségéről kapunk információt, de a kiülepedés helyéről csak korlátozottan, mivel az eljárás kétdimenziós képet eredményez. A légutak komplex szerkezetéből kifolyólag a 2D szcintigráfiás kép központi része például nemcsak centrális légutakat, hanem kis légutakat és alveolusokat is tartalmaz. Ha forgó gamma kamerás módszert alkalmazunk (SPECT, single photon emission computed tomography), akkor már rekonstruálható valamelyest a térbeli eloszlás, de a felvétel hosszabb időt igényel, ami alatt a részecskék már elkezdenek tisztulni. A PET (positron emission tomography) felvétel rövid ideig tart és kevés jelzőanyag szükséges hozzá, de rövid felezési idejű izotópokat igényel, amihez a közelben részecskegyorsítónak kell lennie. Ha a SPECT és PET technikákat CT-vel kombináljuk, akkor a morfológiai és kiülepedési információk szuperponálhatók és lényegeMEDICINA THORACALIS • LXVI. 1.
EREDETI
KÖZLEMÉNY
sen pontosabb kiülepedési képet kapunk. Egyéb vizualizációs technikák, mint például az endo-bronchiális ultrahang (EBUS, endo-bronchial ultrasound) vagy az optikai koherencia tomográfia (OCT, optical coherence tomography) módszerek még kifejlesztés, validálás és standardizálás alatt állnak (16). Egy adott készítmény várható terápiás hatásának becsléséhez a fent említett képalkotó eljárások által kapott kiülepedési képek támpontot jelentenek a kísérleti feltételekben meghatározott populációra nézve, azonban nem feltétlenül relevánsak a nem átlagos, az általánostól eltérő esetek kezeléséhez. Szükség van egy olyan eszközparkra és módszertanra, amely képes a légzőrendszeri kiülepedéseloszlást jó felbontással megadni, valamint az ezt befolyásoló tényezők egyedi és együttes hatását elemezni, és végül a gyógyszerbevitelt egyénre szabottan optimalizálni. Célkitűzésünk az áramlástani szempontból hatékonyabb, egyénre szabott terápiás eszközök, módszerek kifejlesztése, melyekkel jelentősen növelni tudjuk egy adott célterületre juttatott hatóanyagok mennyiségét (depozíciós hatásfokát), úgy, hogy a nem célterületi kiülepedést és így a nem kívánt mellékhatásokat nem növeljük, hanem lehetőleg csökkentjük. Az ilyen kutatásokhoz az in vivo eszközök (leggyakrabban gamma-kamera) nem nyújtanak megfelelő adatokat az áramlások és a részecskedepozíció helyi eloszlásáról, ezenfelül nehézkes a mérések reprodukálása is. A kutatás-fejlesztés így napjainkban többnyire in silico és in vitro módszerekkel, illetve azok eredményeinek közös analízisével folyik. A szimulációk révén kapott eredmények pontossága függ a választott numerikus algoritmusoktól és a hozzájuk rendelt kezdeti és peremfeltételektől. Továbbá, a számítógépes modellezésnek korlátot szab a mindenkori számítástechnikai kapacitás. Az orvosi képalkotó eszközök fejlődésének köszönhetően valósághű digitális 3D légúti geometriát lehet előállítani, melyben numerikus áramlástani (CFD) szimulációt végezve megadható az adott készítmény kiülepedéseloszlása, lokális kiülepedési sűrűsége és kiülepedési hatásfoka (17–19). Az in vitro módszer legszembetűnőbb előnye a számítógépes szimulációkkal szemben, hogy a bemene15
EREDETI
KÖZLEMÉNY
ti paramétereket egy jól felépített kísérleti infrastruktúra esetén valóban a vizsgálni kívánt inhalációs eszköz biztosítja, így realisztikus mérések is kivitelezhetővé válnak. A kezdeti, egyszerű csövekből felépített, erősen idealizált légúti modellek (20) mel1 lett megjelentek a korróziós technikával előállított, tüdőöntvényekből fejlesztett 3D légúti modellek is, melyek már valós geometriát szolgáltattak a kísérletekhez. Az igazi áttörést a modellalkotásban a rapid prototyping eszközök kereskedelmi forgalomba kerülése jelentette. Segítségükkel a képalkotó eszközök (CT, MR) által felvett képek alapján összeállított digitális légutak háromdimenziós geometriáját ki lehet nyomtatni. Az így kapott üreges 3D fizikai modellben már nem csupán szimulációk, de mérések is végezhetők (21–23). A modellben kialakuló áramlási kép megzavarása nélkül, érintésmentes lézeres mérési technikákkal a különböző készítmények kiülepedési hatékonysága a folyamatban szerepet játszó paraméterek szisztematikus változtatása mellett mérhető. A kisebb átmérőjű légutak realisztikus háromdimenziós geometriája korróziós bronchiális öntvények mikroCT-vel történő rekonstrukciójával állítható elő. Itt ugyanis a CT és az MR felbontása már nem elég jó.
AZ IN VITRO MÉRÉSEK ÉS A KIFEJLESZTETT ESZKÖZÖK A lehető leghatékonyabb mérési infrastruktúra megalkotásához elemezni kellett, hogy melyek azok az inhalált részecskék légúti kiülepedését befolyásoló legfontosabb tényezők, melyek értékeit szisztematikusan változtatva a kapott mérési adatokból egy, a depozíciós folyamatokat akár egyedi esetekre is előre jelezni képes modell megalkotására nyílik lehetőség. A mérési elrendezés tervezésekor folyamatalapú megközelítést alkalmaztunk, melynek megfelelően az inhalációs folyamat minden elemét lépésről lépésre modellezni, parametrizálni és a paraméterértékek változtatásainak hatását elemezni tudjuk. A kísérletek eredményei összevethetők a számítógépes szimulációk eredményeivel, így kiemelten fontos a mérési geo-
2013. FEBRUÁR
1. ábra In vitro kísérleti elrendezés metria digitális megfelelőjének a létrehozása, illetve fordítva, a számítástechnikai feltételek által meghatározott lehetőségek in vitro kísérleti biztosítása. Ennek megfelelően az alábbi mérési elrendezés megvalósítása mellett döntöttünk: Az 1. ábrán jelölt aeroszol generátor egy olyan speciális eszköz, mellyel tetszőleges mono-, illetve polidiszperz aeroszolt tudunk előállítani. Ilyen eszközt alkalmazunk, ha a számítógépes szimulációk eredményeit kívánjuk validálni. Másfelől, speciális aeroszol generátornak tekinthető minden inhalációs készítményhez mellékelt eszköz is, így azok is csatlakoztathatóak a vákuumkamrához. A kamra egy szigetelt zárt tér, amelyben az áramlási és depozíciós méréseket végezzük. A kamrába helyezzük el a légúti modellt, így biztosítva a légúti geometria kimenetein az azonos nyomásesést, és a mérőműszereket, melyekkel vagy a légúti modell egy adott pontján történő depozíciót mérjük, vagy a benne kialakuló áramlási teret vizsgáljuk. A kamrában a nyomásesést egy pulmonológiai hullámforma generátor biztosítja. Az 1. ábrán szereplő minden részegységet magunk fejlesztettük, speciálisan az általunk előzetesen megfogalmazott elvárásoknak megfelelően. A mérési elrendezés maximális kihasználhatóságának a biztosításához többféle légúti modellt készítettünk. A legegyszerűbbek a teljesen transzparens üvegmodellek. Ezek geometriai adatai, így az egyes ágak átmérői, hosszai és az elágazások szögei valós emberi légutak mért adatainak felelnek meg. Az egyszerű, hengeres geometria viszonylag könnyen megalkotható, illetve jól reprodukálható digitális formában is, így a szimu-
1 Korróziós technika: első lépésben halottból kivett tüdőbe műanyagot fecskendeznek, mely ott megszilárdul, majd a lágy részeket lemaratva megmarad a légúti rendszer geometriája.
16
MEDICINA THORACALIS • LXVI. 1.
2013. FEBRUÁR
EREDETI
KÖZLEMÉNY
2. ábra Üvegmodell, és annak digitális (számítógépes) változata
4. ábra Digitális (bal oldal) és nyomtatott (jobb oldal) légúti modell
lációs eredmények könnyen összevethetők a mérések eredményeivel (2. ábra). A depozíciós kísérletekhez, melyeknél nem szükséges a modell kiváló optikai transzparenciája a látható tartományban, alkalmazni lehet a korróziós technikával készült üreges gyanta modelleket. Ehhez a légúti öntvényt viaszból készíttettük, melyre műgyanta réte-
létrehozott digitális, háromdimenziós modellt használja a nyomtatáshoz, így ugyanazt a geometriát lehet alkalmazni mind a számítógépes szimulációkhoz, mind pedig az in vitro kísérletekhez (4. ábra). A mérőkamrába alapvetően három különböző mérőfejet építettünk be, melyekkel mind a beszívott részecskéknek a modell belső falán történő kiülepedését, mind pedig a légutakban kialakuló áramlási sebességteret mérni tudjuk. Utóbbi azért nagyon fontos, mert a számítógépes szimulációs modellek első lépésben a levegő áramlási sebességterét, majd a részecske pályáját és pontos kiülepedési helyét számítják ki. Ennek megfelelően a szimulációk és a kísérletek részecskedepozíciós eredményeinek összehasonlításakor igen hasznos, ha a vonatkozó levegőáramlási terek összehasonlítására is van mód. A részecskék kiülepedését két különböző módszerrel vizsgáltuk. Az első esetében fluoreszcens anyaggal jelöltük meg a beszívott részecskéket, melyek egy része a modell falán kiülepedett. Az adott területről jövő elektromágneses sugárzást egy szűrőn keresztül kamerával detektáltuk. A terület nagysága többek között függ a kamera helyzetétől, a választott objektívtől, a kamera detektorának a méretétől és pixelszámától. A modell egy adott felületdarabjáról detektált intenzitás arányos a kiülepedett részecskék darabszámával. A másik módszer a Raman-spektroszkópia. Ekkor a mérőfej a modell vizsgált pontján kiülepedett hatóanyag Raman-spektrumát érzékeli, így nincs szükség az inhalációs készítmény előzetes preparációjára sem. A harmadik mérőfej egy lézeres Doppler-sebességmérő. Az eszköz a 0,5 µm-nél nagyobb átmérőjű, levegőben
3. ábra Korróziós technikával készült, realisztikus modell get vittünk fel. A viaszt kiolvasztva üreges, realisztikus légúti modellt kapunk (3. ábra). A harmadik változat a jelenleg elérhető legmodernebb modellkészítési eljárással, az úgynevezett gyors prototípus-gyártással (rapid prototyping), más néven 3 dimenziós nyomtatással készült. A technika legnagyobb előnye (amellett, hogy nagymértékben realisztikus modell készíthető a segítségével), hogy a képalkotó eljárás során felvett légúti szeletek összerakásával MEDICINA THORACALIS • LXVI. 1.
17
EREDETI
KÖZLEMÉNY
áramló részecskék sebességének kontaktusmentes meghatározását teszi lehetővé. A Doppler-fejet egy pásztázó mechanikára szereltük, amelynek hajtásáról egy szervomotor gondosodott. Az így kialakított elrendezéssel viszonylag nagy részecske-koncentrációk mellett is képesek vagyunk a modell tetszőleges keresztmetszetében meghatározni az ott áramló részecskék sebességét. A mérőkamrában és így a légúti modellben is, a nyomásesést egy légzés-szimulátorral hozzuk létre. Az eszköz működési elve meglehetősen egyszerű. Egy Piston-pumpa szívja, illetve fújja a levegőt, melyet egy szervomotor hajt. A motort programozható logikai vezérlő (PLC) működteti. A szervo-hajtásnak köszönhetően a rendszer rendkívül pontosan reprodukálni tudja az áramoltatni kívánt légtömeg mennyiségét. A 3 legkisebb mozgatható légmennyiség 0,1 cm , miközben a maximálisan beszívható légmennyiség 6,8 liter. A beépített memóriának köszönhetően 50 különböző légzési hullámformát tudunk tárolni, melyek a kezelőpanelről egyszerűen betölthetőek (5. ábra). Az összeállított mérési elrendezés kellő mértékű rugalmasságot biztosít ahhoz, hogy mind elméleti jelentőséggel bíró kutatási témák megvalósítására, mind gyakorlati szempontból érdekes, alkalmazásorientált mérések és fejlesztések elvégzésére is lehetőségünk legyen.
5. ábra A felépített in vitro mérési berendezés (a mérőkamrába a lézer doppler sebességmérő fej van telepítve)
18
2013. FEBRUÁR
AEROSZOL GYÓGYSZEREK LÉGÚTI TRANSZPORTJÁNAK, KIÜLEPEDÉSÉNEK ÉS TISZTULÁSÁNAK SZÁMÍTÓGÉPES MODELLEZÉSE Az in vivo kísérletek etikai és technikai korlátai, valamint a számítási kapacitások folyamatos növekedése egyaránt hozzájárulnak ahhoz, hogy a számítógépes modellezés a belélegzett részecskék légúti transzportja és kiülepedéseloszlása számításának egyre hatékonyabb eszközévé váljon. A bonyolult geometriában áramló levegő sebességterét és e légutakba jutó, számos erőhatásnak kitett részecskék pályáit leíró egyenletek megoldásával meghatározható azok kiülepedési helye a légzőrendszerben. Ezen számítások eredményei nagymértékben segíthetik az optimális gyógyszerbevitel légzési módjának megtalálását, valamint egy-egy betegségre az aeroszol gyógyszer ideális részecskeméretének számítását és az inhalátor fejlesztését. A jelenlegi numerikus légúti depozíciós modellek alapvetően két csoportba sorolhatók: analitikus és numerikus modellekre. A két csoport közötti alapvető különbség, hogy míg az analitikus modellek erősen idealizált légúti geometriára vonatkozó analitikus depozíciós képleteket alkalmaznak és maximális felbontóképességük egy légúti generáció, addig a numerikus áramlástan (CFD, computational fluid dynamics) alapú modellek bonyolult geometriákra és légzési formákra is képesek megadni a belélegzett levegő sebességterét és a részecskék pontos kiülepedési helyét, akár egyetlen légúti elágazáson belül is (lásd 6. ábra). Ugyanakkor, az analitikus modellek nagy előnye, hogy a teljes légzőrendszert átfogják, míg a jelenlegi számítógép kapacitások mellett a CFD módszerek csupán a légutak egyes szegmenseire (pl. felső légutak, nagy bronchusok) alkalmazhatók (6. ábra). A fenti két módszer kombinált alkalmazásával hatékony módon jellemezhetjük mind a regionális, mind pedig a lokális (akár sejtszintű) légúti gyógyszerkiülepedést. E prediktív számítógépes eljárások képesek mind minőségi, mind pedig mennyiségi információt szolgáltatni a belélegzett aeroszolok depozícióeloszlásáról. MEDICINA THORACALIS • LXVI. 1.
2013. FEBRUÁR
6. ábra A belélegzett levegő sebességtere az orr – garat - gége régió három jellegzetes metszősíkjában (bal oldal) és az aeroszol gyógyszerek kiülepedési képe a trachea alsó részében és a nagyobb bronchusokban (jobb oldal)
EREDETI
KÖZLEMÉNY
A számítógépes modellek segítségével optimalizálható az aeroszol gyógyszerek bevételi módja és az alkalmazandó gyógyszer részecskemérete. Ezáltal a megfelelő mennyiségű gyógyszer juttatható a megfelelő helyre, növelhető a gyógyszer hatékonysága és csökkenthető annak mellékhatása (24–26).
KÖVETKEZTETÉSEK
A világban megfigyelhető termékfejlesztési trend mind az uniformizálás, mind pedig az egyénre szabhatóság. Egyfelől a gyártók nyilvánvaló érdeke, hogy termékük a lehető legszélesebb körben alkalmazható legyen, ennek megfelelően a fejlesztéseiket, termékeiket úgy próbálják irányítani, illetve pozício7. ábra A nyák (mucus) sebességtere (bal oldal) és a kiülepedett aeroszolok nálni, hogy a célközönség tisztulási pályái (jobb oldal) egy 4–5. generációs légúti elágazásban (ha a tra- lehető legnagyobb hányachea az első generáció) dának az igényeit kielégítse. Azonban ha pontosabb Az aeroszol gyógyszerek hatékonysága szempont- elemzésekre van szükség, akkor kiderül, hogy a célköjából nemcsak a kiülepedés statikus helye, hanem zönség korántsem homogén és figyelembe kell venni annak időbeni változása is releváns, ugyanis a kitapadt az egyéni tulajdonságokat is. részecskéket a légutak falán lévő mozgó nyák a garat A létrehozott és fent bemutatott, egymást kölcsöirányába szállítja. nösen támogató és validáló, kísérleti berendezés és Az analitikus és numerikus eljárások képesek a nyák numerikus eszköztár alkalmasak arra, hogy az inhalámozgásának és ezáltal a mucociliaris tisztulásnak a ciós készítményeket áramlástani és részecskekiülepeleírására is. A kiülepedési és tisztulási modellek szimul- dési szempontból elemezzék, valamint feltérképezzék tán alkalmazásával a belélegzett részecskéknek nem- azok sajátosságait, különös tekintettel a légzőrendszeri csak a kiülepedés előtti, de a posztdepozíciós mozgá- kiülepedéseloszlásra. A kapott eredmények támpontul sa is követhető. A 7. ábrán a nyákréteg sebességtere szolgálhatnak egyrészt a szakemberek számára, hogy és néhány kiülepedett részecske tisztulási pályája lát- adott páciens esetében a lehető legmegfelelőbb eszható egy centrális légúti bronchialis elágazásban. közt választhassák ki, másrészt segítséget jelenthetnek MEDICINA THORACALIS • LXVI. 1.
19
EREDETI
KÖZLEMÉNY
mind az inhalátor-, mind pedig a gyógyszergyártóknak új termékek kifejlesztéséhez, vagy akár hatékonyabb marketingstratégiák kidolgozásához.
KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Farkas Árpád munkája az Európai Unió és Magyarország támogatásával a TÁMOP 4.2.4.A/1-11-1-20120001 azonosító számú „Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése országos program” című kiemelt projekt keretei között valósult meg. A támogatást a szerző ezúton is köszöni. Irodalomjegyzék 1. Müller V, Tamási L, Somfay A, Kovács G, Losonczy G.: Az eltérő inhalációs eszközből adagolt azonos hatóanyagú készítmények közötti különbségek. Med Thor, 2012; 65: 2012; 65(5): 329–335. 2. Herke P – Szabó M.: Légúti szerepváltások: hangsúly-eltolódás vagy elvi jelentőség? Med Thor, 2012; 65: 432-437. 3. Chapman KR, Fogarty CM, Peckitt C, Lassen C, Jadayel D, Dederich J, Dalvi M, Kramer B.: Delivery characteristics and patients’ handling of two singledose dry-powder inhalers used in COPD. Int J COPD, 2011; 6: 353-363. 4. Longest PW, Hindle MJ.: Evaluation of the Respimat Soft Mist Inhaler using a Concurrent CFD and in Vitro Approach. J. Aerosol Med Pulm Drug Deliv, 2009; 22: 99-112. 5. Nagel MW, Wiersema KJ, Bates SL, Mitchell JP.: Performance of Large- and Small Volume Valved Holding Chambers with a New Combination Long-Term Bronchodilatator / Anti-inflammatory Formulation Delivered by Pressurized Metered Dose Inhaler. J Aerosol Med, 2002; 15: 427-433. 6. Tarsin WY, Pearson SB, Assi KH, Chrystyn H.: Emitted dose estimates from Seretide® Diskus® and Symbicort®Turbuhaler® following inhalation by severe asthmatics. Int J Pharm, 2006; 316: 131-137. 7. Hirst PH, Bacon RE, Pitcairn GR, Silvasti M, Newman SP. A comparison of the lung deposition of budesonide from Easyhaler®, Turbuhaler® and pMDI plus spacer in asthmatic patients. Respir Med, 2001; 95: 720-727. 8. Weuthen T, Roeder S, Brand P.: In Vitro Testing of Two Formoterol Dry Powder Inhalers at Different Flow Rates. J Aerosol Med, 2002; 15: 297-303.
20
2013. FEBRUÁR 9. Taki M, Mariott C, Zeng XM, Martin GP.: Aerodynamic deposition of combination dry powder inhaler formulations in vitro: A comparison of three impactors. Int J Pharm, 2010; 388: 40-51. 10. Häussermann S, Acerbi D, Brand P, Herpich C, Poli G, Sommerer K, Meyer T.: Lung Deposition of Formoterol HFA (Atimos®/Forair®) in Healthy Volunteers, Asthmatic and COPD patients. J Aerosol Med, 2007; 20: 331-341. 11. Leach CL, Kuehl PJ, Chand R, Ketai L, Norenberg JP, McDonald JD.: Characterization of respiratory deposition of fluticasone-salmeterol hydrofluoroalkane-134a and hydrofluoroalkane-134a beclomethasone in asthmatic patients, Ann Allergy Asthma Immunol, 2012; 108: 195-200. 12. Gulliver T, Morton R, Eid N. Inhaled Corticosteroids in Children with Asthma Pharmacologic Determinants of Safety and Efficacy and Other Clinical Considerations. Pediatr Drugs, 2007; 9: 185-194. 13. De Backer W, Devolder A, Poli G, Acerbi D, Monno R, Herpich C, Sommerer K, Meyer T et al. Lung Deposition of BDP/Formoterol HFA pMDI in Healthy Volunteers, Asthmatic, and COPD Patients. J Aerosol Med Pulm Drug Deliv, 2012; 23: 1-12. 14. Newman S, Salmon A, Nave R, Drollmann A.: High lung deposition of 99mTclabeled ciclesonide administered via HFA-MDI to patients with asthma. Respir Med, 2006; 100: 375–384. 15. Finlay WH (szerk.).: The Mechanics of Inhaled Pharmaceutical Aerosols: An Introduction. Academic Press, London. 2001. 16. Conway J.: Lung imaging – Two dimensional gamma scintigraphy, SPECT, CT and PET. Adv Drug Del Rev, 2012; 64: 357-368. 17. Annapragada A, Mishchiy N.: In Silico Modeling of Aerosol Deposition in Lungs. Drug Discov Today Dis Models, 2007; 4:155-161. 18. Ma B, Lutchen KR.: CFD Simulation of Aerosol Deposition in an Anatomically Based Human Large-Medium Airway Model. Ann Biomed Eng, 2009; 37: 271-285. 19. Lambert AR, O'Shaughnessy PT, Tawhai MH, Hoffman EA, Lin C-L.: Regional Deposition of Particle in an Image-Based Airway Model: Large-Eddy Simulation and Left-Right Lung Ventilation Asymmetry. Aerosol Sci Technol, 2011; 45: 11-25. 20. Zhang Y, Finlay WH.: Experimental Measurements of Particle Deposition in Three Proximal Lung Bifurcation Models with an Idealized Mouth-Throat. J Aerosol Med, 2005; 18: 460-473. 21. Heenan AF, Finlay WH, Grgic B, Pollard A, Burnell PKP.: An Investigation of the Relationship Between the Flow Field and Regional Deposition in Realistic Extra-Thoracic Airways. J Aerosol Sci, 2010; 35: 1013-1023. 22. Delvadia RR, Longest PW, Hindle M, Byron PR.: In Vitro Tests for Aerosol Deposition. III: Effect of Inhaler Insertion Angle on Aerosol Deposition. J Aerosol Med Pulm Drug Deliv, 2012; doi:10.1089/jamp.2012.0989 23. Jedelsky J, Lizal F, Jicha M:. Characteristics of turbulent particle transport in human airways under steady and cyclic flows. Int J Heat Fluid Flow, 2012; 35: 84–92. 24. Farkas Á, Balásházy I, Szőcs K.: Characterization of regional and local deposition of inhaled aerosol drugs in the respiratory system by computational fluid and particle dynamics methods. J Aerosol Med, 2006; 19: 329-343. 25. Balásházy I, Alföldy B, Molnár AJ, Hofmann W, Szőke I, Kis E:. Aerosol drug delivery optimization by computational methods for the characterization of total and regional deposition of therapeutic aerosols in the respiratory system. Curr Comp Aided Drug Des, 2007; 3: 13-32. 26. Balásházy I, Hofmann W, Farkas Á, Madas BG.: Three-dimesional model for aerosol transport and deposition in expanding and contracting alveoli. Inh Toxicol, 2008; 20: 611-621.
MEDICINA THORACALIS • LXVI. 1.
