Aeroszolok kiülepedésének vizsgálata - KTIA_AIK_12
AEROSZOLOK KIÜLEPEDÉSÉNEK ELMÉLETI ÉS KÍSÉRLETI VIZSGÁLATA GYAKORI LÉGÚTI BETEGSÉGEK ESETÉN (ASZTMA, COPD)
Kedvezményezett: Magyar Tudományos Akadémia Wigner Fizikai Kutatóközpont, Semmelweis Egyetem, Magyar Tudományos Akadémia Energiatudományi Kutatóközpont
Támogatás mértéke: 100%
Projekt azonosító száma: KTIA_AIK_12-1-2012-0019
Projekt tervezett befejezési dátuma: 2015.09.30.
Támogatás összege: 179 933 440 Ft
A projekt célja
A projekt átfogó célja az inhalált aeroszolok kiülepedésének elméleti és „in vitro” kísérleti vizsgálata. A projekt keretében az aeroszolok légúti áramlását és kiülepedési tulajdonságait számítógépes módszerekkel és mérésekkel is vizsgáljuk. A méréseket morfológiailag realisztikus, háromdimenziós, üreges légúti modellekben végezzük lézeres optikai módszerekkel. A projekt keretében létrehozzuk a fenti célokat szolgáló infrastruktúrát és kidolgozzuk azokat az eljárásokat és módszereket, amelyek lehetővé teszik az elméleti és kísérleti eredmények feldolgozását, értelmezését, összevetését és további kutatásokban való alkalmazását. Egy ilyen perspektivikus téma az asztmás vagy krónikus obstruktív tüdőbetegségben (COPD) szenvedő betegek kezelésére használt aeroszol gyógyszerek hatékonyságának vizsgálata áramlástechnikai szempontból, ugyanis a légzési mód alapvetően befolyásolja a hatóanyag adott célterületre történő eljutását.
A fenti infrastruktúra részét képezi egy kutatási célokra általunk kifejlesztett légzés szimulátor, amely programozható módon képes tetszőleges légzési mintákat lekövetni, így összehasonlíthatóvá teszi például az egészséges és a légúti betegségben szenvedő emberek légzésfunkcióinak eltérése miatt az inhalált gyógyszerek kiülepedésében bekövetkező változásokat is. Valós, orvosi képalkotó eszközökkel nyert felvételekből kiinduló légúti geometriai modelleket szándékozunk létrehozni ú.n. 3D rapid prototyping technikával, melyet mesterséges nyálkahártyával vonunk be. Az aeroszol részecskék áramlásának térbeli és időbeli vizsgálatára a legmodernebb lézeres méréstechnikai módszereket kívánjuk alkalmazni, például részecskeszámlálást és nagy érzékenységű Doppler-sebességmérést, a légúti kiülepedés feltérképezésére pedig Raman- és lumineszcencia-spektroszkópiát. A kidolgozott rendszer alkalmas lesz légúti megbetegedésben szenvedők inhalációs kezelésének optimalizálására. A kölcsönösen validált számítógépes és kísérleti modell segítségével megadható az a légzési mód, amely biztosítja, hogy a beteg légzésfunkciós adatai alapján megválasztott inhalációs eszközből a hatóanyag a megfelelő légúti területre jusson, és a mellékhatások a lehető legkisebbek legyenek.
Eredményeink
Létrejött a projekt kísérleti laboratóriuma, ahol helyett kapott a munkához szükséges számos meglévő és új berendezés:
Kidolgoztunk különböző típusú aeroszol gyógyszerek fizikai tulajdonságainak és légúti kiülepedésének vizsgálatára alkalmas mérési protokollokat, méréseket végeztünk a rendszerrel:
Az elméleti és a kísérleti munka támogatására felépítettünk egy adatbázist a Pulmonológiai Klinika adatbázisaiból, mely légúti betegségekben (asztma, COPD) szenvedő emberek CT felvételeit, spirometriáit és egyéb kapcsolódó adatait tartalmazza. A mérések standardizálásához feldolgoztuk az adatokat különböző mértékű légúti megbetegedések, gyógyszerbeviteli módok és légzésfunkciós adatok esetére.
Létrehoztunk háromdimenziós felső és centrális légúti digitális geometriákat:
Ezekből a digitális geometriákból 3D nyomtatással elkészültek a mérésekhez, kísérletekhez használt légúti modellek:
Meghatároztuk a rendelkezésünkre álló aeroszol gyógyszerek (DPI, MDI) méreteloszlását és kiülepedését különböző áramlási feltételek és légzési minták mellett. Spektroszkópiai módszerekkel kiülepedési méréseket végeztünk impaktorral és a 3D modelleken.
Továbbfejlesztettük a numerikus tüdőmodellt és számos új funkció mellett, beillesztettük a modellbe a higroszkopikus gyógyszerszemcse-méret növekedés szimulációjának a lehetőségét. Megtörtént a depozíciós modell továbbfejlesztése a 3D modelleken mért kiülepedési korrekciós tényezők integrálásával.
Páciens adatok alapján kiülepedési számításokat végeztünk különböző gyógyszerekre és különböző egészséges és asztmás egyénekre vonatkozólag. Egyénre szabottan optimalizáltuk önkéntesek gyógyszerbeviteli módját különböző aeroszol gyógyszerek esetében.
Megtörtént a belégzési mintázatok és diagnosztikus spirometriák összevetése, légzésfunkciós áramlás-idő adatok exportja a Klinika testpletysmográfjából. Különböző inhalációs gyógyszerek esetében megtörtént a készülékek spirometriás illesztése és a belső ellenállás lemérése. A méréseinkből nyert realisztikus légzési paramétereket felhasználva gyógyszerkiülepedési számításokat és méréseket végeztünk egészséges és COPDs egyénekre. Modellszámításokkal meghatároztuk a vizsgálatban szereplő gyógyszerek személyekre jellemző dózisait légúti régiók és generációszám szerint, majd az eredményeket összehasonlítottuk a mérések eredményeivel.
A légutak szűkületi fokát megadó COPD faktorokat határoztunk meg és építettünk a kiülepedési modellünkbe. Kidolgoztunk egy olyan interpolációs módszert, amellyel a mérések függvényében, egyénre szabott részecskeméret-eloszlásokat kaptunk.
A szimulációs eredményeket összehasonlítottuk a mért, valamint a szakirodalomban fellelhető adatokkal és jó egyezést találtunk. A modellezési eredményeket kiülepedési mechanizmusokra bontva is interpretáltuk.
Megvizsgáltuk a kapott eredmények új alkalmazási, hasznosítási lehetőségeit.
A szakmai munka és az adminisztratív teendők egyeztetése végett rendszeresen projektmegbeszéléseket tartottunk:
