به گزارش پایگاه اطلاع رسانی بنیان، تحویل داروهای استنشاقی به ریه‌ها یکی از روش‌های مؤثر در درمان بیماری‌های تنفسی است. با‌این‌حال، درک دقیق از نحوه رسوب ذرات دارویی در بخش‌های مختلف ریه همچنان چالشی بزرگ در حوزه پزشکی است. مقاله‌ای که در سال ۲۰۲۴ منتشر شده است، به معرفی یک مدل آزمایشگاهی نوین می‌پردازد که می‌تواند به بهبود این درک کمک کند.

تأثیر نرخ تنفس بر رسوب ذرات

یکی از جنبه‌های کلیدی که در مطالعه بررسی شده، تأثیر نرخ تنفس بر میزان و محل رسوب آئروسل‌ها در ریه است. در شرایط تنفس طبیعی، جریان هوا به‌طور یکنواخت‌تری در تمام بخش‌های ریه توزیع می‌شود، اما در نرخ‌های بالاتر تنفس (مثلاً هنگام ورزش یا استرس)، جریان آشفته‌تری ایجاد شده که می‌تواند باعث افزایش رسوب آئروسل‌ها در مناطق خاصی از ریه شود. این موضوع می‌تواند اهمیت زیادی برای درمان بیماری‌هایی مانند آسم و COPD داشته باشد، زیرا بیماران در شرایط تنفسی مختلف ممکن است دریافت دارویی متفاوتی از داروهای استنشاقی خود داشته باشند. مطالعه انجام شده توسط محققان نشان داد که مدل TIDAL قادر است به‌خوبی این تغییرات را شبیه‌سازی کند و بنابراین، می‌تواند به توسعه درمان‌های فردمحور کمک کند.

نقش اندازه و خواص فیزیکی ذرات

علاوه‌بر نرخ تنفس، اندازه و ترکیب فیزیکی ذرات آئروسل نیز در میزان رسوب آن‌ها در ریه نقش مهمی ایفا می‌کند. ذرات بزرگ‌تر (۵ تا۱۰ میکرون) معمولاً در مسیرهای هوایی فوقانی ته‌نشین می‌شوند، در‌حالی‌که ذرات ریزتر (۱ تا ۳ میکرون) امکان ورود به بخش‌های عمیق‌تر ریه را دارند. در سیستم TIDAL، پژوهشگران از ذرات آئروسل با اندازه‌های مختلف استفاده کردند تا تأثیر این پارامتر را بررسی کنند. نتایج نشان داد که ذرات کوچک‌تر به‌طور یکنواخت‌تری در سرتاسر ریه پخش می‌شوند، در‌حالی‌که ذرات بزرگ‌تر عمدتاً در راه‌های هوایی مرکزی ته‌نشین می‌شوند. این یافته می‌تواند در طراحی فرمولاسیون‌های دارویی جدید که نیاز به هدف‌گیری دقیق‌تر دارند، مفید باشد.

کاربردهای پزشکی و صنعتی مدل‌های شبیه‌سازی تنفسی

مدل‌هایی مانندTIDAL  نه تنها برای پژوهش‌های دارورسانی مفید هستند، بلکه می‌توانند کاربردهای گسترده‌تری نیز داشته باشند. برای مثال، در حوزه آلودگی هوا، این مدل‌ها می‌توانند به بررسی نحوه رسوب ذرات آلاینده در ریه کمک کنند و تأثیر عوامل محیطی مانند میزان رطوبت و ترکیب شیمیایی ذرات را بر سلامت انسان مطالعه کنند. همچنین در صنعت ماسک‌های تنفسی، چنین مدل‌هایی می‌توانند برای ارزیابی میزان کارایی ماسک‌ها در جلوگیری از ورود ذرات آلاینده یا ویروس‌ها به ریه مورد استفاده قرار گیرند.

مدل‌سازی کامل حجم راه‌های هوایی: سیستم TIDAL

در این مطالعه، پژوهشگران سیستمی به نام  TIDAL (Total Inhaled Deposition in an Actuated Lung) را توسعه داده‌اند. این سیستم شامل یک مدل سه‌بعدی چاپ‌شده از ریه است که قابلیت شبیه‌سازی تنفس چرخه‌ای را داراست. طراحی مدولار این مدل امکان ترکیب راه‌های هوایی بالایی اختصاصی هر بیمار با شبیه‌سازی راه‌های هوایی عمیق‌تر را فراهم می‌کند. این ویژگی به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا حجم کل ریه را تا بیش از ۷ لیتر شبیه‌سازی کنند. یکی از ویژگی‌های برجسته سیستم TIDAL، قابلیت تنظیم الگوهای تنفسی است. این سیستم با استفاده از یک رابط کاربری گرافیکی تعاملی، امکان تنظیم و کنترل دقیق جریان‌های دم و بازدم را فراهم می‌کند. این ویژگی به پژوهشگران اجازه می‌دهد تا شرایط تنفسی مختلف را شبیه‌سازی کرده و تأثیر آن‌ها بر رسوب ذرات آئروسل را بررسی کنند.

ارزیابی رسوب آئروسل با استفاده از سیستم TIDAL

برای ارزیابی کارایی سیستم TIDAL، پژوهشگران از یک نبولایزر مش ارتعاشی استفاده کردند تا ذرات آئروسل را به مدل ریه معرفی کنند. سپس، میزان رسوب ذرات در بخش‌های مرکزی و محیطی ریه اندازه‌گیری شد. نتایج به‌دست‌آمده با داده‌های درون‌بدنی (in vivo) و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری (in silico) مقایسه شد و همخوانی قابل‌توجهی مشاهده گردید. این نتایج نشان‌دهنده دقت و قابلیت اعتماد سیستم TIDAL در پیش‌بینی دینامیک رسوب ذرات در راه‌های هوایی است.

مقایسه با روش‌های تصویربرداری پیشرفته

در حوزه ارزیابی رسوب آئروسل‌ها، روش‌های تصویربرداری پیشرفته نیز نقش مهمی ایفا می‌کنند. به‌عنوان مثال، مطالعه‌ای با استفاده از توموگرافی کامپیوتری با تابش سینکروترون (Synchrotron Radiation CT) به تصویربرداری کمی از رسوب منطقه‌ای آئروسل‌ها در ریه‌های خرگوش‌ها پرداخت. این روش امکان اندازه‌گیری دقیق تهویه منطقه‌ای و مورفولوژی ریه را فراهم می‌کند. در‌این‌مطالعه، پژوهشگران از آئروسل‌های حاوی ید به‌عنوان ماده کنتراست استفاده کردند و با استفاده از تکنیک K-edge Subtraction، تصاویر دقیقی از توزیع آئروسل‌ها در ریه به‌دست آوردند. این تصاویر نشان‌دهنده توزیع ناهمگن آئروسل‌ها در بخش‌های مختلف ریه بود که می‌تواند به بهبود درک ما از دینامیک رسوب ذرات کمک کند.

مزایا و محدودیت‌های  روش‌های مختلف

هر یک از روش‌های مذکور دارای مزایا و محدودیت‌های خاص خود هستند. سیستم TIDAL با ارائه یک مدل فیزیکی و قابل تنظیم، امکان شبیه‌سازی شرایط تنفسی مختلف را فراهم می‌کند و می‌تواند به‌عنوان یک ابزار قدرتمند در آزمایشگاه‌ها مورد استفاده قرار گیرد. از‌سوی‌دیگر، روش‌های تصویربرداری پیشرفته مانند توموگرافی با تابش سینکروترون، امکان مشاهده مستقیم و دقیق توزیع ذرات در ریه را فراهم می‌کنند، اما نیاز به تجهیزات پیچیده و گران‌قیمت دارند.

آینده پژوهش‌های مرتبط با رسوب آئروسل‌ها

با پیشرفت فناوری‌های شبیه‌سازی و تصویربرداری، انتظار می‌رود که در آینده مدل‌های تنفسی دقیق‌تری برای بررسی نحوه رسوب ذرات آئروسل توسعه یابند. ترکیب سیستم‌های فیزیکی مانند TIDAL با مدل‌های محاسباتی (CFD) و داده‌های تصویربرداری پیشرفته، می‌تواند یک تصویر جامع‌تر از نحوه توزیع داروهای استنشاقی در بدن ارائه دهد. چنین ترکیبی می‌تواند راه را برای توسعه داروهای استنشاقی مؤثرتر و درمان‌های شخصی‌سازی‌شده باز کند که متناسب با نیازهای هر بیمار تنظیم می‌شوند.

بهبودهای احتمالی در مدل‌های تنفسی

با‌وجود پیشرفت‌های چشمگیر در مدل‌سازی تنفسی، هنوز چالش‌هایی در پیش‌بینی دقیق رسوب آئروسل‌ها در شرایط واقعی وجود دارد. یکی از این چالش‌ها، تفاوت‌های آناتومیکی بین افراد مختلف است. ساختار راه‌های هوایی در افراد بسته به عوامل ژنتیکی، بیماری‌های تنفسی، و حتی سن می‌تواند متفاوت باشد. بنابراین، یک مدل عمومی ممکن است نتواند به‌طور کامل توزیع دارو را برای همه بیماران شبیه‌سازی کند. پژوهشگران در حال بررسی روش‌هایی مانند چاپ سه‌بعدی شخصی‌سازی‌شده و استفاده از داده‌های تصویربرداری پزشکی برای ایجاد مدل‌های خاص هر بیمار هستند. علاوه‌بر‌این، ترکیب مدل‌های فیزیکی با فناوری‌های هوش مصنوعی می‌تواند به بهینه‌سازی طراحی داروهای استنشاقی و ارائه راهکارهای درمانی دقیق‌تر کمک کند.

نتیجه‌گیری

پیشرفت‌های اخیر در مدل‌سازی و تصویربرداری از ریه‌ها، ابزارهای قدرتمندی را برای درک بهتر از دینامیک رسوب آئروسل‌ها فراهم کرده است. سیستم  TIDAL با ارائه یک مدل فیزیکی قابل تنظیم، امکان شبیه‌سازی دقیق شرایط تنفسی را فراهم می‌کند و می‌تواند به بهبود طراحی و تحویل داروهای استنشاقی کمک کند. همچنین، روش‌های تصویربرداری پیشرفته مانند توموگرافی با تابش سینکروترون، با ارائه تصاویر دقیق از توزیع ذرات در ریه، می‌توانند به تأیید و تکمیل نتایج به‌دست‌آمده از مدل‌های فیزیکی کمک کنند.

پایان مطلب./