This manuscript reviews the modeling and simulations of different protocols to deliver medications to the olfactory region in image-based nasal airway models. Multiple software modules are used to develop the anatomically accurate nose model, generate computational mesh, simulate nasal airflows, and predict particle deposition at the olfactory region.
هناك العديد من المزايا من تسليم المخدرات المباشر الأنف إلى المخ في علاج الاضطرابات العصبية. ومع ذلك، يقتصر تطبيقه من قبل الكفاءة تسليم منخفضة للغاية (<1٪) على الغشاء المخاطي الشمي الذي يربط بشكل مباشر على الدماغ. ومن الأهمية بمكان لتطوير تقنيات الرواية لتقديم الأدوية العصبية أكثر فعالية للمنطقة حاسة الشم. الهدف من هذه الدراسة هو تطوير منصة رقمية لمحاكاة وتحسين داخل الأنف تسليم المخدرات حاسة الشم. وقدم طريقة صورة CFD إلى جانب أن synthetized في التنمية القائمة على صورة النموذج، جودة الربط، محاكاة السوائل، وتتبع الجسيمات المغناطيسية. مع هذا الأسلوب، وأداء ثلاثة بروتوكولات تسليم الأنف تقييم عدديا ومقارنتها. كما تمت دراسة التأثيرات عدديا من المناورات في التنفس، والتخطيط المغناطيس، قوة المجال المغناطيسي، موقف الإفراج المخدرات، وحجم الجسيمات على الجرعة حاسة الشم.
من لياليimulations، وجدنا أن جرعة حاسة الشم هامة سريريا (تصل إلى 45٪) كانت ممكنة باستخدام مزيج من تصميم المغناطيس والافراج عن المخدرات انتقائية. وكان من المتوقع تسليم 64 أضعاف أعلى من الجرعة في حال توجيه magnetophoretic بالمقارنة مع حالة دون ذلك. ومع ذلك، والتوجيه الدقيق للباستنشاق الرزاز انفيا إلى المنطقة الشم لا يزال تحديا بسبب الطبيعة غير المستقرة للmagnetophoresis، فضلا عن حساسية عالية من جرعة حاسة الشم لpatient-، device-، والعوامل المتصلة الجسيمات.
المخدرات تسليمها إلى منطقة حاسة الشم يمكن تجاوز الدم في الدماغ من العوائق ومباشرة يدخل الدماغ، مما يؤدي إلى امتصاص فعال وبداية التحرك السريع من المخدرات 1،2. ومع ذلك، أجهزة الأنف التقليدية مثل مضخات الأنف والبخاخات تسليم جرعات منخفضة للغاية في المنطقة الشم (<1٪) من طريق الأنف 3،4. ومن يرجع ذلك أساسا إلى بنية معقدة من الأنف البشري الذي يتكون من الضيقة، الممرات الملتوية (الشكل 1). يقع في منطقة الشم فوق الصماخ متفوقة، حيث لا يوجد سوى جزء صغير جدا من استنشاق الهواء يمكن أن تصل إلى 5،6. وعلاوة على ذلك، تعتمد أجهزة الاستنشاق التقليدية على القوات الهوائية لنقل العوامل العلاجية إلى المنطقة المستهدفة 7. ليست هناك سيطرة مزيد على حركة الجسيمات بعد الإفراج عنهم. ولذلك، فإن وسائل النقل وترسب هذه الجسيمات يعتمد في الغالب على سرعات الأولية والمواقف الافراج عنهم. بسببمرور الأنف معقد، فضلا عن عدم وجود رقابة الجسيمات، فإن غالبية الجزيئات المخدرات محاصرون في الأنف الأمامي ولا يمكن أن تصل إلى المنطقة الشمية 8.
في حين أن هناك العديد من الخيارات للأجهزة الأنف، تلك التي صممت خصيصا لتسليم حاسة الشم المستهدفة نادرا ما يتم الإبلاغ عن 7،9. الاستثناء الوحيد هو هوكمان وهو 10 الذي طور جهاز تسليم حاسة الشم-تفضيلية وأظهرت مستويات أعلى من القشرة إلى الدم المخدرات في الفئران بدلا من استخدام قطرة الأنف. ومع ذلك، وتوسيع نطاق النتائج ترسب في الفئران إلى البشر ليست واضحة، بالنظر إلى الاختلافات التشريحية والفسيولوجية واسعة بين هذين النوعين 11. وجود العديد من القيود عند استخدام إصدارات معدلة من الأجهزة الأنف القياسية لتسليم حاسة الشم. واحد نكسة الأساسية هي أنه ليس هناك سوى جزء صغير جدا من الأدوية يمكن أن يتم تسليمها إلى المخاطي الشمي، التي من خلالها الأدوية قد تدخلالدماغ. وتوقع النمذجة العددية التي تقل عن 0.5٪ من الجسيمات النانوية تدار الأنف يمكن أن تودع في المنطقة 3،5 حاسة الشم. معدل الترسيب هو أقل من ذلك (0.007٪) عن جزيئات ميكرون 12. من أجل جعل تسليم الأنف إلى المخ ممكنا سريريا، ومعدل الترسيب حاسة الشم لابد تحسنت بشكل ملحوظ.
وتوجد عدة طرق ممكنة لتحسين أداء حاسة الشم. نهج واحد هو فكرة الاستنشاق الذكية من خلال Kleinstreuer وآخرون. 13 على النحو المقترح الجسيمات إيداع في منطقة واحدة هي أساسا من منطقة معينة واحدة عند مدخل، فمن الممكن لتقديم الجسيمات إلى الموقع المستهدف من قبل الإفراج عنهم فقط من مناطق معينة في مدخل . وقد أظهرت هذه التقنية تسليم الذكية لتوليد أكثر كفاءة بكثير تسليم الرئة من الطرق التقليدية. 13،14 هو الافتراض أن هذه الفكرة تسليم الذكية يمكن أن تطبق أيضا في الأنف تسليم المخدرات إلى iجرعات mprove إلى المخاطي الشمي. عن طريق الإفراج عن الجسيمات في مواقع مختلفة في افتتاح الأنف ومن أعماق مختلفة داخل تجويف الأنف، وتحسين الكفاءة تسليم حاسة الشم وخفض النفايات المخدرات في الأنف الأمامي ممكنة.
طريقة محتمل آخر هو السيطرة بنشاط حركة الجسيمات داخل تجويف الأنف باستخدام مجموعة متنوعة من القوات المجال، مثل القوة الكهربائية أو المغناطيسية. وقد اقترح التحكم الكهربائي من الجسيمات المشحونة لتسليم المخدرات تستهدف الأنف البشري والرئتين 15-17. شي وآخرون. 18 اختبار عدديا أداء التوجيه الكهربائي من الجسيمات المشحونة وتوقع تحسنا كبيرا جرعات حاسة الشم. وبالمثل، بتوجيه من الجزيئات المغناطيسية المخدرات مع المجال المغناطيسي المناسب أيضا لديه القدرة على استهداف جزيئات في الغشاء المخاطي في حاسة الشم. السلوكيات وكلاء المستنشق، إذا المغناطيسية، ويمكن تغيير عن طريق فرض القوى المغناطيسية المناسبة <suص> 19. أظهرت السيدات وآخرون. 20 التي هي عملية لاستهداف الجزيئات المغناطيسية للمناطق محددة في الرئتين الماوس. قبل التعبئة والتغليف العوامل العلاجية مع جزيئات أكسيد الحديد مغنطيسية مسايرة فائقة superparamagnetic، وترسب في رئة واحدة على الفأرة تحت تأثير مجال مغناطيسي قوي وزيادة كبيرة مقارنة مع رئة أخرى 20.
ومن المفترض أن تكون جسيمات كروية وتراوحت من 150 نانومتر إلى 30 ميكرون في القطر. المعادلة الحاكمة هو 21:
(1)
يصف المعادلة المذكورة أعلاه حركة الجسيمات التي تحكمها قوة السحب، قوة الجاذبية، Saffman قوة رفع 22، قوة البراونية للجسيمات الدقيقة، وقوة magnetophoretic إذا وضعت في مجال مغناطيسي. هنا، والخامس ط هو سرعة الجسيمات، ش ط هو سرعة تدفق، τ p غيرزمن الاستجابة الجسيمات، C c هي معامل التصحيح كانينغهام، وα هي نسبة كثافة الهواء / الجسيمات. لتوجيه فعال المخدرات تدار الأنف إلى المنطقة الشم، فمن الضروري للقوات magnetophoretic تطبيقها للتغلب على كل من الجمود الجسيمات وقوة الجاذبية. في هذه الدراسة، وهو مركب من 20٪ maghemite (γ-الحديد 2 يا 3، 4.9 جم / سم 3) و 80٪ وكان من المفترض عامل نشط، والتي تعطي كثافة التقريبي 1.78 جم / سم 3 والنفاذية النسبية 50. كان من المقرر أن السامة للخلايا منخفضة للاختيار من γ الحديد 2 O 3. الحديد (3+) توجد الأيونات على نطاق واسع في جسم الإنسان، وسوف تركيز أيون أعلى قليلا لا يسبب اثار جانبية 23.
وقدم طريقة صورة CFD جانب في هذه الدراسة أن دمج التنمية القائمة على صورة النموذج، الربط بين الجودة ومحاكاة تدفق الهواء، وتتبع الجسيمات المغناطيسية. نفذت وحدات برمجية متعددة لتحقيق هذا الهدف، والتي تضمنت مهام تقسيم الصور الطبية والتعمير / الربط بين النماذج الهوائية دق?…
The authors have nothing to disclose.
وقد تم تمويل هذه الدراسة من جامعة ميتشجان المركزية مبتكرة منحة بحثية P421071 وفي وقت مبكر الوظيفي غرانت P622911.
MIMICS 13 | Materialise Inc, Ann Arbor, MI | MR image segmentation | |
Gambit | ANSYS Inc, Canonsburg, PA | Model development | |
ANSYS ICEMCFD | ANSYS Inc, Canonsburg, PA | Meshing | |
ANSYS Fluent | ANSYS Inc, Canonsburg, PA | Fluid and particle simulation | |
COMSOL Multiphsics | COMSOL Inc, Burlington, MA | Magnetic particle tracing |