Nowy trójwymiarowy model płuc wspomaga rozwój terapii wziewnych

Choroby układu oddechowego stanowią poważne wyzwanie terapeutyczne. Obiecującym rozwiązaniem w ich leczeniu są leki wziewne, których skuteczność zależy od zdolności dostarczenia drobnych cząsteczek, zwanych aerozolami, do odpowiedniego miejsca w płucach, we właściwej dawce.

Skuteczność tego procesu może być jednak złożona i zależna od rodzaju leku, metody jego podania oraz indywidualnych cech pacjenta. Wynika to z trudności w przewidzeniu, jaka ilość leku rzeczywiście dostaje się do płuc i w których ich obszarach się osadza. Podobne problemy pojawiają się w przypadku oceny narażenia na szkodliwe czynniki środowiskowe, takie jak cząstki azbestu czy toksyny zawarte w dymie.

„Jeśli mamy do czynienia z toksyczną substancją z otoczenia, istotne jest, by wiedzieć, jak daleko i jak głęboko dociera ona do płuc” – powiedziała Catherine Fromen, profesor Uniwersytetu Delaware, uhonorowana tytułem Centennial Associate Professor for Excellence in Research and Education w Katedrze Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej. „Natomiast w przypadku projektowania skuteczniejszych leków na astmę lub inne choroby układu oddechowego, kluczowe jest określenie, gdzie dokładnie osiada wdychany aerozol oraz jak głęboko lek może przeniknąć – to pozwala przewidzieć skuteczność terapii.”

Fromen oraz dwójka absolwentów Uniwersytetu Delaware opracowali adaptowalny, trójwymiarowy model płuc, który potrafi odtwarzać realistyczne manewry oddechowe oraz umożliwia indywidualną ocenę skuteczności leków wziewnych w różnych warunkach oddychania.

W artykule opublikowanym w czasopiśmie „Device” Fromen wraz z zespołem przedstawiają, w jaki sposób ich nowy trójwymiarowy model płuc może pomóc w lepszym zrozumieniu zachowania leków wziewnych w górnych drogach oddechowych oraz w głębszych partiach płuc. Model ten może dostarczyć szerszych danych pozwalających dokładniej przewidywać skuteczność leków wziewnych w badaniach eksperymentalnych oraz symulacjach komputerowych, uwzględniając różnice osobnicze oraz wiekowe pacjentów. W publikacji naukowcy szczegółowo opisują proces budowy trójwymiarowej struktury oraz dotychczasowe wyniki swoich badań.

Wartościowe narzędzie badawcze

Podstawową funkcją płuc jest wymiana gazowa. W praktyce płuca często porównuje się do powierzchni kortu tenisowego, która umożliwia wymianę tlenu i dwutlenku węgla pomiędzy powietrzem a krwią w naszym organizmie. Jest to ogromna powierzchnia, a prawidłowe działanie tego układu jest kluczowe – jeśli płuca przestają funkcjonować, życie pacjenta jest poważnie zagrożone.

Catherine Fromen porównuje rozgałęzioną strukturę płuc do drzewa, które zaczyna się od pnia, a następnie rozgałęzia na coraz mniejsze gałęzie. Ich średnica zmniejsza się od kilku centymetrów w tchawicy do około 100 mikrometrów (czyli mniej więcej szerokości dwóch ludzkich włosów) w najdalszych partiach płuc. To skomplikowana sieć, która pełni funkcję filtra dla aerozoli przemieszczających się przez drogi oddechowe. Tak jak gałęzie drzewa kończą się liśćmi, tak odgałęzienia płuc zwieńczone są delikatnymi, przypominającymi liście pęcherzykami płucnymi (alveoli), w których dochodzi do wymiany gazowej.

„Te pęcherzyki płucne, obecne w głębszych partiach dróg oddechowych, tworzą powierzchnię niezbędną do wymiany gazowej, dlatego nie chcemy, by substancje szkodliwe z otoczenia dostawały się tam i uszkadzały te wrażliwe, delikatne struktury” – podkreśliła Fromen.

Odwzorowanie tak złożonej struktury i funkcji płuc w warunkach laboratoryjnych stanowi ogromne wyzwanie. Opracowany przez naukowców z Uniwersytetu Delaware trójwymiarowy model płuc wyróżnia się na tle dotychczasowych rozwiązań kilkoma kluczowymi cechami. Przede wszystkim model ten oddycha, wykonując ruchy oddechowe w sposób cykliczny – tak samo jak prawdziwe płuca. Jak zaznacza Fromen, jest to niezwykle istotny element. Dodatkowo model zawiera struktury przypominające kratownice, które odzwierciedlają zarówno objętość, jak i powierzchnię płuc. Te struktury kratowe, stworzone dzięki technologii druku 3D, są kluczową innowacją, umożliwiającą precyzyjne odwzorowanie procesów filtracyjnych płuc, bez konieczności odtwarzania ich pełnej biologicznej złożoności.

„Obecnie na rynku nie ma nic, co łączyłoby te dwie cechy” – wyjaśnia Fromen. „Oznacza to, że możemy badać pełną dawkę leku podawanego wziewnie. Możemy analizować ekspozycję na lek w czasie, śledzić, co dzieje się w trakcie inhalacji, gdzie osadza się lek, a także ile substancji zostaje wydychane.”

Proces testowania

Badanie, jak daleko aerozol lub cząstki środowiskowe przedostają się do wnętrza trójwymiarowego modelu płuc, jest procesem wieloetapowym. Sama ekspozycja modelu na aerozol trwa około pięciu minut, jednak analiza wyników jest znacznie bardziej czasochłonna. Naukowcy dodają do badanej substancji cząsteczki fluorescencyjne, co pozwala na śledzenie, gdzie dokładnie osadzają się cząstki wewnątrz 150 różnych części modelu.

„Każdy element modelu jest następnie przepłukiwany, a osadzone cząstki zostają wypłukane. Gdy cząstki osadzają się w modelu, znamy stężenie tego markera, dlatego po przepłukaniu możemy zmierzyć, ile markera odzyskaliśmy” – wyjaśnia Catherine Fromen.

Na podstawie uzyskanych danych tworzona jest mapa cieplna, która pokazuje, w których miejscach w drogach oddechowych modelu osiadły aerozole. Następnie wyniki te są porównywane z klinicznymi danymi referencyjnymi, opisującymi, gdzie takie aerozole osadzają się u człowieka w zbliżonych warunkach.

Obecny model zespołu naukowego odpowiada warunkom zdrowej osoby w pozycji siedzącej, podczas spokojnego oddychania i dla jednej wielkości cząstek aerozolu. Jednak badacze pracują nad rozszerzeniem możliwości modelu, aby umożliwiał badanie zachowania aerozoli w znacznie szerszym zakresie sytuacji klinicznych.

„Atak astmy, wysiłek fizyczny, mukowiscydoza, przewlekła obturacyjna choroba płuc (POChP) – wszystkie te stany w istotny sposób wpływają na to, gdzie osadzają się aerozole. Chcemy mieć pewność, że nasz model jest w stanie odzwierciedlić te różnice” – tłumaczy Fromen.

Możliwość symulowania specyficznych cech chorobowych, takich jak zwężenie dróg oddechowych czy nagromadzenie śluzu, może w przyszłości przyczynić się do bardziej spersonalizowanego leczenia pacjentów. Na przykład, u niektórych chorych może być konieczne wydłużenie czasu inhalacji, ponieważ lek nie osiąga odpowiedniego stężenia w miejscu docelowym. Inni pacjenci mogą potrzebować inhalatora o zmienionej konstrukcji, który pozwoli skierować lek do konkretnego obszaru płuc. Obecnie takie podejście jest trudne do wdrożenia w praktyce klinicznej, jednak model opracowany na Uniwersytecie Delaware dostarcza narzędzia bazowego do poszukiwania tego typu rozwiązań.

„To bardzo ważne, ponieważ obecnie leki wziewne projektowane są według zasady ‘jeden rozmiar dla wszystkich’. Tymczasem osoba z ciężkim POChP oddycha zupełnie inaczej i ma odmienną strukturę płuc niż zdrowa osoba” – zaznacza Fromen.

Ponadto wiele leków podawanych wziewnie nie przechodzi pomyślnie badań klinicznych, a przyczyny tych niepowodzeń często pozostają niejasne. W przypadku niepowodzenia badacze zastanawiają się, czy winna była sama cząsteczka leku, czy może wadliwa była formuła preparatu? A może substancja czynna nie osiągnęła wystarczającego stężenia w miejscu docelowym w płucach?

Według Fromen badania kliniczne zazwyczaj koncentrują się na ocenie, czy lek przynosi zauważalną poprawę stanu zdrowia pacjenta. Narzędzie opracowane na Uniwersytecie Delaware może jednak dostarczyć bardziej szczegółowych danych – określić, czy aerozol dotarł do właściwego miejsca i w odpowiedniej ilości. To może oszczędzić czas i koszty na etapie projektowania formulacji oraz ograniczyć niepowodzenia w badaniach klinicznych.

Naukowcy udostępnili projekt oraz metodykę swoich badań w formie otwartego dostępu, licząc, że inni badacze będą korzystać z tej techniki.

„Uczynienie tego narzędzia dostępnym dla innych otwiera drogę do współpracy, która może przynieść znaczące efekty” – podkreśla Fromen. „Klinicyści mogą wskazywać nam profile pacjentów, na których powinniśmy się skoncentrować, natomiast firmy farmaceutyczne mogą integrować model z własnymi procesami badawczo-rozwojowymi, aby optymalizować terapie dla konkretnych chorób układu oddechowego.”

Model opracowany na Uniwersytecie Delaware znajduje także zastosowanie poza branżą farmaceutyczną. W ramach nowego projektu finansowanego przez Army Research Lab, realizowanego we współpracy z grupą badawczą z Aberdeen Proving Ground, Fromen wykorzystuje model do wspierania badań toksykologicznych nad narażeniem na substancje środowiskowe. Celem jest nie tylko określenie, jak daleko szkodliwe cząstki przedostają się do płuc, ale również w jakiej ilości i w których rejonach płuc się osadzają oraz jaki jest ich wpływ – pozytywny lub negatywny – na tkankę płucną.