ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится, среди прочего, к устройствам, системам, способам и применениям, относящимся к моделированию структуры и/или функций дыхательных путей и их дыхательных характеристик. Настоящее изобретение применимо для исследования взаимодействий между испытательными веществами (например, вдыхаемыми веществами в атмосферах испытания) и дыхательными путями, а также динамики аэрозоля и выделения. В частности, настоящее изобретение связано с моделированием дыхательных путей человека.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Дыхательная система проходит от носа и верхних дыхательных путей к альвеолярной поверхности легких, где происходит газообмен. Вдыхаемые аэрозоли движутся ото рта через верхние дыхательные пути и со временем попадают в альвеолы. По мере того, как аэрозоль проходит глубже в дыхательные пути, адсорбируется больше растворимых газов, тогда как конкретные частицы аэрозоля оседают глубоко в воздухоносных путях и альвеолах. В частности, одним представляющим интерес аэрозолем в контексте настоящего изобретения является дым, такой как табачный дым, поскольку можно изучать воздействие дыма на модель или посредством модели дыхательных путей.
Существующие системы воздействия аэрозолем наиболее часто полагаются на непрерывный, однонаправленный поток аэрозоля или на пассивное осаждение. Непрерывные потоки аэрозоля создаются положительным или отрицательным давлением, и аэрозоли направлены перпендикулярно к системе для биологических испытаний или проходят параллельно плоскости системы биологических испытаний. Эффективность доставки дозы в таком режиме воздействия в основном зависит от геометрической формы камеры для воздействия и скорости потока аэрозоля для испытания. Тем не менее, рот, время задержки дыхания и динамические модели потока, встречающиеся во время дыхания человека (то есть, вдоха и выдоха) нельзя смоделировать с помощью современных систем воздействия аэрозолем. Следовательно, мало шансов достичь доставки дозы, характерной для ситуации in vivo, особенно относительной доставки составляющих аэрозоля в форме частиц и газа. Кроме этого, фильтрующее действие проводящих воздухоносных путей не может быть смоделировано характерным образом. Таким образом, при использовании современных систем воздействия аэрозолем, применяют аэрозоль с одинаковым распределением размеров аэрозольных частиц, например, с культурами бронхиальных клеток и носовых культур. Тем не менее, в живых организмах, более крупные аэрозольные частицы в основном взаимодействуют и удаляются из аэрозоля в верхних дыхательных путях, в то время как более глубокие области дыхательных путей, в основном подвергаются воздействию менее крупных аэрозольных частиц и газообразных составляющих. Кроме этого, в системах воздействия с непрерывным потоком, разбавление аэрозоля достигается путем непрерывного добавления разбавляющего воздуха к аэрозолю выше по потоку вблизи от камер для воздействия. Тем не менее, если необходимо моделировать характеристики курения, как в биологическом организме, этот режим разбавления не является характерным для организма, поскольку он не учитывает период задержки во рту, во время которого аэрозолю с высокой плотностью позволяют задержаться на несколько секунд перед втягиванием в дыхательные пути вместе с большим объемом разбавляющего воздуха.
При пассивном осаждении аэрозоля аэрозоль для испытания впрыскивают в камеру, на дне которой находятся системы для биологических испытаний. После впрыска аэрозоля, аэрозолю позволяют осесть на систему для испытаний, обычно посредством силы тяжести. Электростатическое притяжение аэрозольных частиц к системе для испытаний может использоваться для увеличения осаждения аэрозольных частиц. Наноразмерные аэрозольные частицы, в частности, могут требовать электростатического притяжения из-за своей низкой эффективности осаждения. Воздействия сложных аэрозолей, содержащих аэрозольные частицы с разными размерами и плотностями, а также газообразные составляющие, нельзя осуществить в системах с пассивным осаждением аэрозоля, поскольку дифференциальная относительная доставка больших аэрозольных частиц, маленьких аэрозольных частиц и газообразных составляющих аэрозоля не является характерной для процессов, происходящих в живом организме.
В данной области техники существует постоянная потребность в улучшенных смоделированных системах для изучения дыхательных путей, особенно смоделированных системах для изучения дыхательных путей, которые содержат сложную модель воздухоносных путей.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В данном документе раскрыта структура, которая моделирует влияния древовидной структуры проводящих воздухоносных путей, например, человека или животного, в отношении вдыхаемых аэрозолей. Это позволяет увеличить количество поколений разветвлений воздухоносных путей до физиологически более подходящего уровня без одновременного создания неконтролируемого количества соединений. Можно использовать разные версии модели воздухоносных путей без влияния на общую функциональность системы и без необходимости каких-либо модификаций других частей смоделированной системы дыхательных путей. Она может использоваться вместе с системой, которая моделирует дыхательные пути, чтобы обеспечить анализ или испытание, например, аэрозолей любого типа в отношении их влияния на биологические системы in vitro (например, применение в in vitro системах воздействия аэрозолем); изучить, как аэрозоли любого типа изменяются в их основных свойствах в древовидной структуре воздухоносных путей (например, распределение частиц по размеру, концентрация частиц или химический состав или комбинация двух или более из них); или для изучения того, как аэрозоли осаждаются на поверхностях, представляющих эпителий дыхательных путей человека, в контексте аэрозольной дозиметрии.
В первом аспекте предусмотрена перфорированная конструкция для применения в модели дыхательных путей, при этом конструкция содержит перфорированную оболочку, заключающую в себе один или более разветвленных каналов, причем каждое перфорационное отверстие представляет собой открытый конец ветви.
В дополнительном аспекте предусмотрена перфорированная конструкция для применения в модели дыхательных путей, при этом конструкция содержит перфорированную оболочку, заключающую в себе один или более разветвленных каналов, причем каждое перфорационное отверстие представляет собой открытый конец одного или более разветвленных каналов.
Соответственно разветвление каждого канала является раздвоенным.
Соответственно диаметр каждого канала, присутствующего после n+1 последовательных точек разветвления, меньше или равен диаметру канала, присутствующего после n точек разветвления.
Соответственно общая площадь поперечного сечения всех каналов, присутствующих после n+1 последовательных точек разветвления, больше или равна общей площади поперечного сечения всех каналов после n точек разветвления.
Соответственно конструкция является асимметричной или имеет радиальную симметрию.
Соответственно конструкция является модульной.
Соответственно вся или часть конструкции образована из одного или более материалов, выбранных из группы, включающей: непористые материалы, в том числе металлы и непористые синтетические материалы; пористые материалы, в том числе пористый силикон; гелеобразные материалы, в том числе термогели; гидрофобные материалы; гидрофильные материалы; амфифильные материалы или комбинации двух или более из них.
Соответственно еще один из разветвленных каналов дополнительно содержит одно или более покрытий на части или всей внутренней поверхности разветвленных каналов, таких как покрытие или покрытия для обеспечения водой и питательными веществами клеток, выращенных во всем или части одного или более разветвленных каналов.
Соответственно часть или весь из одного или более разветвленных каналов покрыты матрицей, содержащей среду для культивирования клеток, или содержат по меньшей мере один микродатчик для отслеживания условий в конструкции или зонд для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
Соответственно один или более разветвленных каналов дополнительно содержат одно или более отверстий, способных принимать один или более модулей для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в конструкции или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
Соответственно среда для культивирования клеток содержит один или более гидрогелей, таких как желатин-метакрилоил (GelMa).
В дополнительном аспекте предусмотрен насос для смещения объема газа, содержащий один или более разветвленных каналов, находящихся внутри насоса, при этом разветвленный(-е) канал(-ы) соединен с проходом для приема и выпуска газа.
В дополнительном аспекте предусмотрен насос для смещения объема газа, содержащий проход и один или более разветвленных каналов, находящихся внутри насоса, при этом один или более разветвленных каналов соединены с проходом для приема и выпуска газа.
В дополнительном аспекте предусмотрен насос для смещения объема газа, содержащий наружную часть и внутреннюю часть, проход и один или более разветвленных каналов, находящихся внутри насоса, при этом один или более разветвленных каналов соединены с проходом для приема и выпуска газа.
Соответственно разветвленная структура содержится в перфорированной конструкции согласно настоящему изобретению.
Соответственно один или более разветвленных каналов содержатся в перфорированной конструкции согласно настоящему изобретению.
Соответственно разветвленная структура повторяет модель воздухоносных путей.
Соответственно насос содержит камеру, выполненную с возможностью содержания объема газа и содержащую основу и одно или более отверстий, способных принимать один или более модулей для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
Соответственно насос дополнительно содержит двигатель для управления работой насоса. Подходящим образом, насос представляет собой поршневой насос.
Подходящим образом, модули расположены в основе камеры.
Подходящим образом, модули являются резьбовыми или безрезьбовыми.
Соответственно модули приспособлены для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, или выполнены с возможностью хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, или приспособлены для отслеживания условий в камере, или приспособлены для отслеживания условий в камере, или приспособлены для отбора проб газа, или приспособлены для определения характеристик газа. Альтернативно или дополнительно модули приспособлены для содержания по меньшей мере одного микродатчика или зонда или выполнены с возможностью хранения по меньшей мере одного микродатчика или зонда, приспособленного для отслеживания условий в камере, или приспособленного для отслеживания условий в камере, или приспособленного для отбора проб газа, или приспособленного для определения характеристик газа.
Соответственно один или более модулей содержат матрицу, содержащую среду для культивирования клеток. Соответственно среда для культивирования клеток содержит один или более гидрогелей, таких как желатин-метакрилоил (GelMa). В качестве альтернативы или в дополнение, один или более модулей содержат по меньшей мере один микродатчик.
Соответственно матрица, содержащая среду для культивирования клеток, содержит культуру клеток или контактирует с ней, подходящим образом 2- или 3-мерную культуру клеток.
Соответственно модули, приспособленные для содержания или хранения среды для культивирования клеток и/или по меньшей мере одного микродатчика, дополнительно содержат микрофлюидный канал и необязательно микрофлюидный насос, соединенный с ним.
Соответственно модули содержат один или более микродатчиков или приспособлены для их содержания.
Подходящим образом, модуль содержит микровесы на кристалле кварца.
Подходящим образом, соединительная конструкция соединена с проходом.
Подходящим образом, соединительная конструкция является полой.
Соответственно насос дополнительно содержит двигатель для управления работой насоса.
Подходящим образом, давление нагнетания соответствует атмосферному давлению или давлению выше или ниже атмосферного давления.
Подходящим образом, рабочий объем насоса составляет от приблизительно 0 до 1000 мл или от приблизительно 1 до приблизительно 100 мл.
Подходящим образом, насос содержит нержавеющую сталь.
Подходящим образом, камера представляет собой цилиндр.
Подходящим образом, камера содержит стекло.
Подходящим образом, объем камеры представляет объем полости легкого или его части.
В дополнительном аспекте предоставлена система для определения взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, причем указанная система содержит: (a) первый насос, содержащий: (i) камеру, выполненную с возможностью содержания первого объема газа, содержащего атмосферу испытания; (ii) первый проход, приспособленный для приема и выпуска газа и содержащий клапан для регулировки потока газа по первому проходу, причем указанный клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями, причем в открытом положении указанный клапан способен открываться в направлении атмосферы испытания или окружающего воздуха; (iii) второй проход, приспособленный для выпуска и приема газа и содержащий клапан для регулировки потока газа по второму проходу, причем указанный клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями; (iv) пластину поршня в камере, причем указанная пластина поршня содержит один или более просветов для поступления или притока газа в камеру, при этом один или более, или каждый, из просветов включают в себя клапан, способный перемещаться между открытым и закрытым положениями и способный регулировать поступление или приток газа; и (v) двигатель для управления работой первого насоса; (b) второй насос, как описан в данном документе; (c) соединительную конструкцию, используемую для передачи газа из первого насоса во второй насос; и (d) одно или более отверстий в первом насосе или втором насосе или стенках соединительной конструкции или сочетании двух или более из них, причем указанные отверстия способны принимать в себя модуль для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика или выполнены с возможностью хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере, или приспособлены для отслеживания условий в камере, или зонд для отбора проб газа или для определения характеристик газа, или приспособлены для определения характеристик газа.
Подходящим образом, насосы представляют собой поршневые насосы, содержащие пластину поршня и основу.
Подходящим образом, соединительная конструкция является полой.
Подходящим образом, соединительная конструкция является разветвленной.
Подходящим образом, одна конечная ветвь соединительной конструкции соединена со вторым насосом и одна или более других конечных ветвей присоединены к отдельному насосу, причем каждый отдельный насос содержит: (i) камеру для содержания объема газа, причем этот объем газа идентичен второму объему газа во втором насосе; (ii) проход для приема и выпуска газа и для присоединения к соединительной конструкции; и (iii) двигатель для управления работой насоса.
Подходящим образом, каждый отдельный насос идентичен второму насосу.
Подходящим образом, система содержится в кожухе, подходящим образом - в кожухе с регулируемой температурой.
Подходящим образом, температуру кожуха регулируют с помощью термостата.
Подходящим образом, температура в кожухе составляет приблизительно 37 °C.
Подходящим образом, разные объемы первого и второго насосов представляют внутренний объем разных отделов дыхательных путей, подходящим образом дыхательных путей человека.
Соответственно объемы отдельных насосов представляют внутренний объем разных отделов дыхательных путей, подходящим образом дыхательных путей человека.
Подходящим образом, рабочий объем первого и второго насосов по меньшей мере равен максимальному достижимому впускаемому объему в соответствующем отделе дыхательных путей.
Подходящим образом, рабочий объем отдельных насосов по меньшей мере равен максимальному достижимому впускаемому объему в соответствующем отделе дыхательных путей.
Подходящим образом, давление нагнетания двигателя или насоса может соответствовать атмосферному давлению или быть выше или ниже атмосферного давления.
Подходящим образом, рабочий объем первого насоса составляет от приблизительно 0 до 100 мл или от приблизительно 1 до 100 мл.
Подходящим образом, рабочий объем второго насоса составляет от приблизительно 0 до 4000 мл или от приблизительно 1 до приблизительно 4000 мл.
Подходящим образом, насосы содержат нержавеющую сталь.
Подходящим образом, камера представляет собой цилиндр.
Подходящим образом, камера содержит стекло.
Подходящим образом, объем камеры первого насоса меньше объема камеры второго насоса.
Подходящим образом, объем камеры первого насоса представляет объем полости рта и ротоглотки.
Подходящим образом, объем камеры второго насоса представляет объем полости легкого или его части.
Подходящим образом, объем соединительной конструкции представляет объем проводящих воздухоносных путей легкого, подходящим образом человеческого легкого.
Подходящим образом, система дополнительно содержит компьютерный контроллер, способный синхронизировать работу системы.
Подходящим образом, один или более из первого насоса или второго насоса или соединительной конструкции содержат один или более модулей, содержащих микровесы на кристалле кварца.
Подходящим образом, отверстия в первом насосе или втором насосе или стенках соединительной конструкции являются резьбовыми или безрезьбовыми.
Подходящим образом, одно или более отверстий содержат модуль.
Соответственно один или более модулей приспособлены для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, или выполнены с возможностью хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, или приспособлены для отслеживания условий в камере, или приспособлены для отбора проб газа, или приспособлены для определения характеристик газа. Соответственно среда для культивирования клеток содержит один или более гидрогелей, таких как желатин-метакрилоил (GelMa). В качестве альтернативы или в дополнение, один или более модулей приспособлены для содержания по меньшей мере одного микродатчика или выполнены с возможностью хранения по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере, или приспособлены для отслеживания условий в камере, или приспособлены для отбора проб газа, или приспособлены для определения характеристик газа.
Подходящим образом, модули расположены на основе пластины поршня первого и/или второго насоса и/или в стенках соединительной конструкции.
Соответственно один или более модулей содержат матрицу, содержащую среду для культивирования клеток. Соответственно среда для культивирования клеток содержит один или более гидрогелей, таких как желатин-метакрилоил (GelMa). В качестве альтернативы или в дополнение, один или более модулей содержат по меньшей мере один микродатчик.
Соответственно матрица, содержащая среду для культивирования клеток, содержит культуру клеток или контактирует с ней, подходящим образом 2- или 3-мерную культуру клеток.
Соответственно модули, приспособленные для содержания или хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика, дополнительно содержат микрофлюидный канал и необязательно микрофлюидный насос, соединенный с ним.
Подходящим образом, модули расположены в горизонтальной плоскости в одном или более из перечисленного: первый насос или второй насос, или стенки соединительной конструкции.
Подходящим образом, соединительная конструкция содержит нержавеющую сталь.
Подходящим образом, камера первого насоса имеет объем, составляющий приблизительно 100 мл.
Подходящим образом, камера второго насоса имеет объем, составляющий от приблизительно 1 литра до приблизительно 4 литров.
Также описан насос для смещения объема газа, содержащий: (i) камеру, выполненную с возможностью содержания объема газа и содержащую основу и одно или более отверстий, способных принимать один или более модулей для содержания или хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере, или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа; (ii) первый проход для приема и выпуска газа, когда он содержится в камере, и содержащий первый клапан для регулировки потока газа по первому проходу, причем указанный первый клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями, причем в открытом положении указанный клапан может открываться в направлении атмосферы испытания или окружающего воздуха; и (iii) второй проход для выпуска и приема газа, когда он содержится в камере, и содержащий второй клапан для регулировки потока газа по второму проходу, причем указанный клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями; и (iv) пластину поршня в камере, причем указанная пластина поршня содержит один или более просветов для поступления или притока газа в камеру, при этом один или более, или каждый, из просветов включают в себя клапан, способный перемещаться между открытым и закрытым положениями и способный регулировать поступление или приток газа.
Подходящим образом, насос представляет собой поршневой насос.
Подходящим образом, одно или более отверстий в камере являются резьбовыми или безрезьбовыми.
Подходящим образом, одно или более отверстий содержат модуль.
Подходящим образом, модуль является резьбовым или безрезьбовым.
Соответственно один или более модулей приспособлены для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика или выполнены с возможностью хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика, или отслеживания условий в камере, или приспособлены для отслеживания условий в камере, или приспособлены для отбора проб газа, или приспособлены для определения характеристик газа.
Подходящим образом, модули расположены на основе насоса.
Соответственно один или более модулей содержат матрицу, содержащую среду для культивирования клеток. Соответственно среда для культивирования клеток содержит один или более гидрогелей, таких как желатин-метакрилоил (GelMa). В качестве альтернативы или в дополнение, один или более модулей содержат по меньшей мере один микродатчик.
Соответственно матрица, содержащая среду для культивирования клеток, содержит культуру клеток или контактирует с ней, подходящим образом 2- или 3-мерную культуру клеток.
Соответственно модули, приспособленные для содержания или хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика, дополнительно содержат микрофлюидный канал и необязательно микрофлюидный насос, соединенный с ним.
Подходящим образом, модули расположены в горизонтальной плоскости в одном или более из перечисленного: первый насос, или второй насос, или стенки соединительной конструкции.
Подходящим образом, модуль содержит микровесы на кристалле кварца.
Подходящим образом, насос дополнительно содержит двигатель.
Подходящим образом, давление нагнетания соответствует атмосферному давлению или давлению выше или ниже атмосферного давления.
Подходящим образом, рабочий объем насоса составляет от приблизительно 0 до 100 мл или от приблизительно 1 до приблизительно 100 мл.
Подходящим образом, насос содержит нержавеющую сталь.
Подходящим образом, камера представляет собой цилиндр.
Подходящим образом, камера содержит стекло.
Подходящим образом, камера насоса имеет объем, составляющий приблизительно 100 мл.
Также описан поршневой насос для смещения объема газа, содержащий: (i) камеру, выполненную с возможностью содержания объема газа и содержащую пластину поршня, содержащую один или более просветов для поступления или притока газа в камеру, при этом один или более, или каждый, из просветов включают в себя клапан, способный перемещаться между открытым и закрытым положениями и способный регулировать поступление или приток газа; (ii) первый проход для приема газа, содержащий первый клапан для регулировки потока газа по первому проходу, причем указанный первый клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями; и (iii) второй проход для выпуска газа, когда он содержится в камере, и содержащий второй клапан для регулировки потока газа по второму проходу, причем указанный клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями. Подходящим образом, камера включает в себя основу и содержит одно или более отверстий.
Подходящим образом, отверстия являются резьбовыми или безрезьбовыми.
Подходящим образом, отверстия содержат модуль в одном или более отверстиях.
Подходящим образом, модуль является резьбовым или безрезьбовым.
Соответственно модуль приспособлен для содержания или хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере, или для отбора проб газа, или для определения характеристик газа.
Соответственно один или более модулей содержат матрицу, содержащую среду для культивирования клеток. Соответственно среда для культивирования клеток содержит один или более гидрогелей, таких как желатин-метакрилоил (GelMa). В качестве альтернативы или в дополнение, один или более модулей содержат по меньшей мере один микродатчик.
Соответственно матрица, содержащая среду для культивирования клеток, содержит культуру клеток, подходящим образом 2- или 3-мерную культуру клеток.
Соответственно модули, приспособленные для содержания или хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика, дополнительно содержат микрофлюидный канал и необязательно микрофлюидный насос, соединенный с ним.
Подходящим образом, модуль содержит микровесы на кристалле кварца.
Подходящим образом, соединительная конструкция соединена со вторым проходом.
Подходящим образом, соединительная конструкция является полой.
Подходящим образом, насос дополнительно содержит двигатель.
Подходящим образом, давление нагнетания насоса соответствует атмосферному давлению или давлению выше или ниже атмосферного давления.
Подходящим образом, рабочий объем насоса составляет от приблизительно 0 до 100 мл или от приблизительно 1 до приблизительно 100 мл.
Подходящим образом, насос содержит нержавеющую сталь.
Подходящим образом, камера представляет собой цилиндр.
Подходящим образом, камера содержит стекло.
Подходящим образом, камера насоса имеет объем, составляющий приблизительно 100 мл.
В дополнительном аспекте представлен способ моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, включающий применение насоса или системы, описанных в настоящем документе.
Также раскрыто применение насоса или системы, описанных в настоящем документе, для моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей.
Также раскрыт способ определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток, содержащуюся в матрице или по меньшей мере одном микродатчике в модели дыхательных путей, включающий применение насоса или системы, описанных в настоящем документе.
Также раскрыто применение насоса или системы, описанных в настоящем документе, для определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток, содержащуюся в матрице или по меньшей мере одном микродатчике в модели дыхательных путей.
В дополнительном аспекте раскрыт способ определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток в матрице или по меньшей мере одном микродатчике, содержащихся в модели дыхательных путей, включающий следующие этапы: (a) обеспечение насоса или системы, описанных в настоящем документе, причем насос или система содержит матрицу, содержащую культуру клеток, или по меньшей мере один микродатчик в одном или более модулях; и (b) сравнение матрицы, содержащей культуру клеток, или по меньшей мере одного микродатчика до и/или после воздействия атмосферы испытания, при этом разница между матрицей, содержащей культуру клеток, и/или по меньшей мере одним микродатчиком до и/или после воздействия на клетки и/или микродатчик(-и) атмосферы испытания является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток или по меньшей мере один микродатчик.
Дополнительный аспект относится к способу моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей в системе, описанной в настоящем документе, включающему следующие этапы: (a) при открытом первом клапане первого насоса и закрытом втором клапане первого насоса обеспечение газа, содержащего атмосферу испытания, в первом насосе через первый проход; (b) закрывание первого клапана и открывание второго клапана первого насоса и закрывание клапанов на пластине поршня первого насоса; (c) приведение в действие второго насоса для втягивания атмосферы испытания в соединительную конструкцию и продувание камеры первого насоса и соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) открывание первого клапана первого насоса в направлении окружающего воздуха и создание герметичного соединения между первым проходом и вторым проходом первого насоса; и (e) через определенный период времени использование второго насоса для смещения атмосферы испытания через соединительную конструкцию и через первый клапан первого насоса.
Дополнительно раскрыт способ определения влияния атмосферы испытания на модель дыхательных путей в системе, описанной в настоящем документе, включающий следующие этапы: (a) обеспечение при открытом первом клапане первого насоса и закрытом втором клапане первого насоса газа, содержащего атмосферу испытания, в первом насосе через первый проход; (b) закрывание первого клапана и открывание второго клапана первого насоса и закрывание клапанов на пластине поршня первого насоса; (c) приведение в действие второго насоса для втягивания атмосферы испытания через соединительную конструкцию и продувание камеры первого насоса и соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) открывание первого клапана первого насоса в направлении окружающего воздуха и создание герметичного соединения между первым проходом и вторым проходом первого насоса; и (e) использование через определенный период времени второго насоса для смещения атмосферы испытания через соединительную конструкцию и через первый клапан первого насоса; при этом атмосфера испытания вступает в контакт с матрицей, содержащей культуру клеток, или по меньшей мере одним микродатчиком, расположенными в одном или более модулях, расположенных в первом насосе, или соединительной конструкции, или втором насосе, или сочетании двух или более из них, и указанный способ включает дополнительный этап определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток и/или микродатчик, при этом отличие культуры клеток и/или микродатчика до и/или после воздействия атмосферы испытания является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток и/или микродатчик.
Подходящим образом, модули приспособлены для слежения за условиями системы и/или для отбора проб газа, и/или для определения характеристик газа и указанный способ содержит получение одного или более измерений из модулей.
Также раскрыт способ моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, включающий следующие этапы: (a) обеспечение атмосферы испытания в камере первого насоса; (b) отведение атмосферы испытания из первого насоса в соединительную конструкцию, соединяющую первый насос со вторым насосом; (c) продувание первого насоса и по меньшей мере части соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) удерживание атмосферы испытания во втором насосе и соединительной конструкции в течение определенного периода времени; (e) смещение атмосферы испытания в соединительную конструкцию и первый насос с помощью второго насоса; и (f) выполнение одного или более циклов накачивания окружающего воздуха во второй насос; при этом атмосфера испытания вступает в контакт с культурой клеток, расположенной в первом насосе или соединительной конструкции, или втором насосе, или сочетании двух или более из них.
Подходящим образом, этап (d) включает удержание атмосферы испытания во втором насосе и части соединительной конструкции, которая все еще содержит атмосферу испытания, в течение определенного периода времени.
Подходящим образом, насосы представляют собой поршневые насосы, содержащие пластину поршня и основу.
Подходящим образом, первый насос является таким, как определено в вариантах осуществления настоящего изобретения.
Подходящим образом, второй насос является таким, как определено в вариантах осуществления настоящего изобретения.
Подходящим образом, соединительная конструкция является такой, как определено в вариантах осуществления настоящего изобретения.
Соответственно способ осуществляют в кожухе, подходящим образом в кожухе с регулируемой температурой.
Подходящим образом, температуру кожуха регулируют с помощью термостата.
Подходящим образом, температура в кожухе составляет приблизительно 37 °C.
Подходящим образом, разные объемы первого и второго насосов представляют внутренний объем разных отделов дыхательных путей, подходящим образом дыхательных путей человека.
Подходящим образом, рабочий объем первого и второго насосов по меньшей мере равен максимальному достижимому впускаемому объему в соответствующем отделе дыхательных путей.
Подходящим образом, давление нагнетания соответствует атмосферному давлению или давлению выше или ниже атмосферного давления.
Подходящим образом, рабочий объем первого насоса составляет от приблизительно 0 до 100 мл или от приблизительно 1 до приблизительно 100 мл.
Подходящим образом, рабочий объем второго насоса составляет от приблизительно 0 до 4000 мл или от приблизительно 1 до приблизительно 4000 мл.
Подходящим образом, объем камеры первого насоса меньше объема камеры второго насоса.
Подходящим образом, объем камеры первого насоса представляет объем полости рта и ротоглотки, подходящим образом полости рта и ротоглотки человека.
Подходящим образом, объем камеры второго насоса представляет объем полости легкого или его части, подходящим образом полости человеческого легкого или его части.
Подходящим образом, соединительная конструкция представляет объем проводящих воздухоносных путей легкого, подходящим образом человеческого легкого.
Соответственно матрица, содержащая культуру клеток, и/или по меньшей мере один микродатчик расположены на основе пластины поршня первого и/или второго насоса, и/или в стенках соединительной конструкции.
Подходящим образом, культура клеток представляет собой 2- или 3-мерную культуру.
Подходящим образом, указанный способ дополнительно содержит отслеживание условий и/или отбор проб газа, и/или определение характеристик газа в одном или более из первого насоса или второго насоса или соединительной конструкции, используя один или более модулей, содержащихся в них.
Соответственно камера, содержащая матрицу, содержащую культуру клеток, и/или по меньшей мере один микродатчик дополнительно содержат микрофлюидный канал и необязательно микрофлюидный насос, соединенный с ними.
Подходящим образом, соединительная конструкция содержит нержавеющую сталь.
Подходящим образом, камера первого насоса имеет объем, составляющий приблизительно 100 мл.
Подходящим образом, камера второго насоса имеет объем, составляющий от приблизительно 1 литра до приблизительно 4 литров.
В дополнительном аспекте описан способ определения влияния атмосферы испытания на модель дыхательных путей, включающий следующие этапы: (a) обеспечение атмосферы испытания в камере первого насоса; (b) отведение атмосферы испытания из первого насоса в соединительную конструкцию, соединяющую первый насос со вторым насосом, причем второй насос представляет собой насос, описанный в настоящем документе; (c) продувание первого насоса и по меньшей мере части соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) удерживание атмосферы испытания во втором насосе и соединительной конструкции в течение определенного периода времени; (e) смещение атмосферы испытания через соединительную конструкцию и первый насос с помощью второго насоса; и (f) выполнение одного или более циклов накачивания окружающего воздуха во второй насос; при этом атмосфера испытания вступает в контакт с матрицей, содержащей культуру клеток, и/или по меньшей мере одним микродатчиком, расположенными в одном или более модулях, расположенных в первом насосе, или соединительной конструкции, или втором насосе, или сочетании двух или более из них, и указанный способ включает дополнительный этап определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток и/или микродатчик(-и), при этом отличие культуры клеток и/или микродатчика(-ов) до и/или после воздействия атмосферы испытания является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток и/или микродатчик(-и).
Подходящим образом, модули приспособлены для слежения за условиями системы и/или для отбора проб газа, и/или для определения характеристик газа и указанный способ содержит получение одного или более измерений из модулей.
Также описана соединительная конструкция, приспособленная для соединения по меньшей мере двух насосов для передачи газа между ними, причем указанная соединительная конструкция содержит полый канал и одно или более резьбовых или безрезьбовых отверстий в стенках соединительной конструкции.
Подходящим образом, резьбовые отверстия содержат резьбовой модуль в одном или более отверстиях, причем указанный модуль приспособлен для содержания среды для культивирования клеток или выполнен с возможностью хранения среды для культивирования клеток, или приспособлен для слежения за условиями в камере, или приспособлен для слежения за условиями в камере, или приспособлен для отбора проб газа, или приспособлен для определения характеристик газа.
Соответственно один или более модулей содержат матрицу, содержащую среду для культивирования клеток, и/или один или более микродатчиков. Соответственно среда для культивирования клеток содержит один или более гидрогелей, таких как желатин-метакрилоил (GelMa). В качестве альтернативы или в дополнение, один или более модулей содержат по меньшей мере один микродатчик.
Подходящим образом, среда для культивирования клеток содержит культуру клеток или контактирует с ней, подходящим образом 2- или 3-мерную культуру клеток.
Подходящим образом, модули, приспособленные для содержания или хранения среды для культивирования клеток, дополнительно содержат микрофлюидный канал и необязательно микрофлюидный насос, соединенный с ним.
Подходящим образом, соединительная конструкция является полой.
Подходящим образом, соединительная конструкция является разветвленной.
Подходящим образом, каждая конечная ветвь соединительной конструкции может быть соединена с отдельным насосом.
Подходящим образом, соединительная конструкция представляет объем проводящих воздухоносных путей легкого, подходящим образом человеческого легкого.
Подходящим образом, модули расположены в горизонтальной плоскости в стенках соединительной конструкции.
Соответственно модули приспособлены для того, чтобы содержать матрицу, содержащую культуру клеток, подходящим образом 2- или 3-мерную культуру клеток. В качестве альтернативы или дополнительно, модули приспособлены для содержания по меньшей мере одного микродатчика.
Соответственно модуль представляет собой камеру для содержания матрицы, содержащей культуру клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика, причем указанная камера содержит микрофлюидный канал и необязательно микрофлюидный насос, соединенный с ним.
Подходящим образом, модули приспособлены для слежения за условиями в соединительной конструкции и/или для отбора проб газа, и/или для определения характеристик газа.
Подходящим образом, соединительная конструкция содержит нержавеющую сталь.
Также описана система, содержащая насосы, описанные в настоящем документе.
Подходящим образом, система дополнительно содержит соединительную конструкцию, как описано в настоящем документе.
Подходящим образом, насосы соединены с помощью соединительной конструкции.
Также описано устройство, выполненное с возможностью или приспособленное для осуществления способа (способов), описанных в настоящем документе.
Также раскрыт способ изготовления перфорированной конструкции, как описано в настоящем документе.
Соответственно перфорированную конструкцию изготавливают по меньшей мере частично посредством трехмерной печати.
Соответственно перфорированная конструкция образуется путем формования.
Соответственно перфорированная конструкция отлита из шаблона.
Соответственно перфорированная конструкция i) по существу имитирует разветвляющуюся структуру бронхиальных воздухоносных путей млекопитающих, ii) представляет собой идеализированную разветвляющуюся структуру или iii) представляет собой комбинацию i) и ii).
Дополнительный аспект относится к еще одним in silico разветвленным каналам, находящимся внутри насоса, при этом разветвленный(-е) канал(-ы) соединен с проходом для приема и выпуска газа.
Соответственно разветвленная структура содержится в перфорированной конструкции согласно настоящему изобретению.
Соответственно разветвленная структура повторяет модель воздухоносных путей.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
На фиг. 1 проиллюстрирована перфорированная конструкция 1 для применения в модели дыхательных путей согласно варианту осуществления настоящего изобретения, при этом на фиг. 1A представлено схематическое изображение опорной пластины камеры в модели дыхательных путей, а на фиг. 1B представлено схематическое изображение поперечного сечения вдоль секции X-X.
На фиг. 2 представлено схематическое изображение опорной пластины камеры в модели дыхательных путей по фиг. 1, иллюстрирующее модульную конструкцию перфорированной конструкции 1 согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3A представлено схематическое изображение перфорированной конструкции 1 для применения в модели дыхательных путей согласно варианту осуществления настоящего изобретения, при этом на фиг. 3B представлено увеличенное изображение локализованного расширения, которое служит в качестве камеры для воздействия, в которую модули 113, 213 могут быть вставлены согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 4 проиллюстрирована система 10 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Также изображен первый насос 40 согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Также изображен второй насос 80 согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Также изображена соединительная конструкция 50 согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 5 и 6 проиллюстрированы модули 113, 213 согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
НЕКОТОРЫЕ ПРЕИМУЩЕСТВА
Настоящее изобретение можно применять для in vitro моделирования эффектов in vivo воздухоносных путей в отношении свойств аэрозоля, имеющих отношение к области ингаляционной токсикологии и ингаляционной терапии, и подобное обеспечивает оценку ингаляционных потребительских продуктов.
Настоящее изобретение может обеспечивать экспериментальную модель для определения in vivo аэрозольной дозиметрии в дыхательных путях при стабильных, хорошо изученных, воспроизводимых и некритических с этической точки зрения условиях. Перфорированная конструкция согласно настоящему изобретению в качестве модели воздухоносных путей может обеспечивать увеличение количества поколений разветвлений воздухоносных путей до физиологически подходящего уровня без одновременного создания неконтролируемого количества соединений, таких как соединения между бронхиальной моделью и вторыми насосами.
Можно использовать разные версии модели воздухоносных путей без влияния на общую функциональность системы и без необходимости каких-либо модификаций других частей смоделированной системы дыхательных путей. Это обеспечивает максимальную гибкость при изучении того, как дыхательные пути влияют на аэрозоли или как аэрозоли влияют на дыхательные пути. Поскольку воздухоносные пути i) оказывают существенное влияние на свойства аэрозолей, достигающих полостей альвеол и ii) демонстрируют значительную межиндивидуальную вариабельность (также относящуюся к состоянию болезни и здоровья), гибкость и адаптация этой конкретной части дыхательных путей имеют большое научное значение.
Поскольку процессы, влияющие на физико-химические свойства атмосферы испытания в дыхательных путях, а также режим их взаимодействия (например, доставка дозы) моделируют с помощью физических и функциональных свойств системы, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения может быть получена информация о дозировке, имеющая клиническое значение.
Влияние одной или более атмосфер испытания на один или более отделов дыхательных путей может быть изучено согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Влияние одной или более атмосфер испытания на один или более отделов дыхательных путей может быть изучено одновременно или поэтапно, при необходимости, согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Модули, которые могут использоваться в системе, предлагают гибкость применительно к открытой системе для испытаний, ожидаемым результатам экспериментов и параметров воздействия, которые необходимо отслеживать согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Модули можно заново спроектировать или изменить согласно конкретным требованиям, без необходимости в изменении общей конструкции и функции системы согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Для многих применений, генерирование аэрозоля приводится в действие самой системой, что означает, что генераторы аэрозоля/курительные машины не требуются согласно вариантам осуществления настоящего изобретения. Это может упростить конструкцию системы.
В некоторых вариантах осуществления система может быть модульной по своей природе. Это означает, что различные компоненты, такие как насосы и соединительная конструкция, например, при необходимости можно легко заменять по отдельности. Это может облегчить частичный редизайн, усовершенствование или замену деталей системы согласно конкретным требованиям.
Рот, время задержки дыхания и динамические модели потока, встречающиеся во время дыхания, могут быть смоделированы согласно вариантам осуществления настоящего изобретения.
Настоящее изобретение, согласно некоторым вариантам осуществления, может учитывать период задержки во рту, во время которого аэрозолю с высокой плотностью позволяют задержаться на несколько секунд перед втягиванием в дыхательные пути вместе с большим объемом разбавляющего воздуха.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
При осуществлении на практике настоящего изобретения используют, в определенных вариантах осуществления, традиционные методики инженерии, микробиологии, клеточной биологии и биохимии. Биологические методики полностью объяснены в литературе, такой как Molecular Cloning: A Laboratory Manual, второе издание (Sambrook et al., 1989) Cold Spring Harbor Press; Oligonucleotide Synthesis (MJ. Gait, ed., 1984); Methods in Molecular Biology, Humana Press; Cell Biology: A Laboratory Notebook (J. E. CeIMs, ed., 1998) Academic Press; Animal Cell Culture (R.I. Freshney, ed., 1987); Introduction to Cell and Tissue Culture (J. P. Mather and P.E. Roberts, 1998) Plenum Press; Cell and Tissue Culture: Laboratory Procedures (A. Doyle, IB. Griffiths, and D.G. Newell, eds., 1993-8) J. Wiley and Sons; Methods in Enzymology (Academic Press, Inc.); Current Protocols in Molecular Biology (F.M. Ausubel et al., eds., 1987); PCR: The Polymerase Chain Reaction, (Mullis et al., eds., 1994). Процедуры, в которых используются коммерчески доступные наборы и реагенты, обычно будут применяться в соответствии с протоколами, определенными производителем, если не указано иное.
Используемым в данном документе техническим терминам и выражениям следует придавать значение, которое обычно применяется к ним в данной области. Все определения терминов, используемые в данном тексте, применяются ко всему содержанию настоящей заявки.
Термин «содержащий» не исключает другие элементы или этапы.
Форма единственного числа не исключает множественное число.
Термин «и/или» означает, например, (a) или (b) или и (a), и (b).
Термины «содержащий», «содержит» и «в состав входят», используемые в данном документе, являются синонимами «включающий», «включает» или «содержащий в себе», «содержит в себе» и являются включающими или неограничивающими и не исключают дополнительных, не перечисленных представителей, элементов или стадий способа. Термин «состоящий из» означает, что дополнительные компоненты исключены и имеются только упомянутые элементы и ничего больше.
Предусматривается, что термин «приблизительно», используемый в данном документе в отношении измеряемого значения, такого как параметр, количество, временной срок и т. п., охватывает изменчивость указанного значения и отклонения от него, в частности отклонения на +/-10% или менее, предпочтительно на +/-5% или менее, более предпочтительно на +/-1% или менее и еще более предпочтительно на +/-0,1% или менее от указанного значения, если такие изменения являются допустимыми при осуществлении настоящего изобретения. Следует понимать, что значение, к которому относится модификатор «приблизительно», также конкретно и предпочтительно раскрыто само по себе.
Перед более подробным обсуждением вариантов осуществления будет предоставлен первый обзор. Варианты осуществления предоставляют устройства и способы, которые могут иметь различные варианты применения для изучения дыхательных путей. Например, варианты осуществления находят применение в изучении осаждения и/или конденсации одного или более составляющих, присутствующих в атмосфере испытания, на внутренних поверхностях устройства, включая их повторное испарение. Варианты осуществления также обеспечивают оценку атмосфер испытания, которые могут быть исследованы во время их прохождения через устройство с целью изучения изменений концентрации аэрозоля и/или роста аэрозольных частиц и/или уменьшения аэрозольных частиц. Влияние атмосфер испытания на системы для биологических испытаний, присутствующих внутри устройства/системы, может быть изучено в вариантах осуществления настоящего изобретения.
Модель воздухоносных путей
В одном аспекте описана перфорированная конструкция 1 для применения в смоделированной системе 10 дыхательных путей, при этом конструкция содержит перфорированную оболочку, заключающую в себе один или более разветвленных каналов, причем каждое перфорационное отверстие представляет собой открытый конец ветви. При использовании каждое перфорационное отверстие может представлять собой открытый конец ветви. Как показано на прилагаемых фигурах, каждое перфорационное отверстие представляет собой пустое перфорационное отверстие.
На фиг. 1 проиллюстрирована смоделированная система 10 дыхательных путей, содержащая перфорированную конструкцию 1 согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Перфорированная конструкция 1 может иметь по существу твердый корпус и отверстие 2, которое содержит крепежный элемент, подходящий для обеспечения воздухонепроницаемого и стабильного соединения на соответствующем участке лабораторного оборудования, в котором используется конструкция. Подходящая система описана ниже и проиллюстрирована на фиг. 4, на которой конструкция 1 помещается в проход 83, который принимает и выпускает газ. При использовании отверстие 2 расположено на нижней поверхности конструкции и размещается по центру на опорной пластине 84 путем простой вставки с помощью зажимного механизма или винтового крепления. Герметичность соединения может быть обеспечена с помощью уплотнений. Насосы 80 могут представлять объемы легких для полой конструкции, представляющей наиболее ближние внутригрудные воздухоносные пути, т. е. трахею и главные бронхи (см. фиг. 4).
Корпус конструкции 1 заключает в себе один или более разветвленных каналов 4. Наружная поверхность конструкции 1 является перфорированной, и каждое перфорационное отверстие 6 представляет собой открытый конец ветви 4. Внутри перфорированной конструкции 1 канал, берущей начало в ближнем отверстии 2, разветвляется последовательно. Углы между каналами 4, берущими начало из заданной точки разветвления, их диаметры и длины, а также количество точек разветвления, таким образом, спроектированы так, чтобы образовалось разветвленное дерево, которое конструктивно может напоминать древовидную структуру воздухоносных путей, такую как древовидная структура воздухоносных путей человека или животного. Последнее поколение каналов 4, т. е. дальние отверстия или перфорационные отверстия 6 конструкции, представляющие небольшие воздухоносные пути, являются открытыми в направлении окружающей среды. В случае системы 10, описанной в данном документе, внутренний объем второго(-ых) насоса(-ов) 80. Таким образом, конструкция 1 соединяет модель ближних воздухоносных путей в системе 10 (например, трахею и главные бронхи) с моделью полости легкого и обеспечивает разветвленную структуру, которая, например, в дыхательных путях человека, разделяет две области.
Схема разветвления каналов 4 внутри конструкции 1 может следовать (i) строго схеме разветвления воздухоносных путей животного полностью; (ii) идеализированной (т. е. с увеличенной симметрией и упорядоченностью) версии воздухоносных путей животного полностью; или (iii) части одного из них или обоих, то есть, воспроизводится только часть воздухоносных путей человека или животного. В отношении того, как конструкция 1 влияет на аэрозольные свойства, для идеализации может потребоваться вычислительное или экспериментальное испытание идентичности воздухоносных путей человека или животного.
Радиальная симметрия конструкции 1 может быть достигнута либо за счет идеализации схемы разветвления воздухоносных путей, либо путем симметричного расположения нескольких копий части воздухоносных путей.
Конструкции 1, которые строго следуют схемам разветвления воздухоносных путей человека или животного, могут быть основаны на отливках воздухоносных путей или на цифровых 3D-моделях, полученных с помощью томографии или аналогичных технологий. Модели с идеализированными схемами разветвления человека или животного могут быть основаны на соответствующей литературе, например, модель Вейбела является широко используемой моделью структуры воздухоносных путей человека (см. Fishman’s Pulmonary Diseases and Disorders (2015 г.) Ed. M.A. Grippi, ISBN: 0071807284)), или могут быть разработаны недавно с помощью вычислительных или экспериментальных подходов.
После модели Вейбела основные параметры, которые можно принять во внимание, включают то, что диаметр каналов, присутствующих после n+1 последовательных точек разветвления, меньше или равен диаметру каналов, присутствующих после n точек разветвления; общая площадь поперечного сечения всех каналов, присутствующих после n+1 последовательных точек разветвления, больше или равна общей площади поперечного сечения всех каналов после n точек разветвления; и разветвление является раздвоенным.
Количество поколений разветвления будет зависеть от размера конструкции 1, материала, из которого она изготовлена, и эффективности доступных технологий аддитивного производства. Чем больше количество поколений, тем более похожим будет моделирование эффектов воздухоносных путей в живом организме.
Конструкция 1 воздухоносных путей может состоять из одного блока материала, в котором содержится вся древовидная структура воздухоносных путей, или из составляющих 1a, 1b, которые могут быть собраны на основании экспериментальных требований (см. фиг. 2). Соединения 7 между составляющими 1a, 1b должны быть воздухонепроницаемыми и могут, например, обеспечиваться посредством механизма укупорки или фиксатора резьбовых соединений.
Общая форма и размер модуля воздухоносных путей зависит от его предполагаемого применения. В случае структуры воздухоносных путей, которая будет использоваться в системе 10, описанной ниже в данном документе, радиальная симметрия обычно требуется для равномерной доставки аэрозолей ко второму объему насоса. Радиальная симметрия необходима, если, например, распределение клеточных культур в камере для воздействия является радиально симметричным.
Радиальную симметрию можно исключить при определенных обстоятельствах, например, если присутствует только одна культура или если распределение культур соответствует другой симметрии; эквивалентность реплики клеточных культур, полученных в одном и том же эксперименте, не требуется; осаждение аэрозоля в качестве функции симметрии представляет интерес (например, в области исследования аэрозолей); или вся система является асимметричной.
Например, в воспроизводимом в 3D легком человека потребуется асимметрия из-за врожденной биологической асимметрии дыхательных путей.
Пространственные размеры конструкции 1 зависят от i) типа воздухоносных путей, которые должна отображать конструкция, поскольку они могут значительно различаться по размеру (например, у человека и грызуна) и ii) смоделированной системы дыхательных путей, вместе с которой должна использоваться конструкция 1, поскольку конструкция должна помещаться в соответствующий участок системы.
В случае применения в системе 10, описанной в данном документе, максимальный размер в горизонтальном направлении (диаметр модуля, см. фиг. 4) может быть определен по положениям модулей 113, 213 для культивирования клеток (описанных ниже в данном документе) в насосах 80 (описанных ниже в данном документе), поскольку диаметр конструкции 1 не может быть больше диаметра окружности, на которой расположены модули 113, 213 для культивирования клеток, поскольку в противном случае модули 113, 213 будут перекрываться конструкцией 1. Максимальный размер модуля в вертикальном направлении (его высота, размер в направлении радиальной оси симметрии, см. фиг. 4) обычно определяется минимальным остаточным объемом воздуха, присутствующего во вторых насосах 80 между циклами вдыхания в рамках данного экспериментального протокола (т. е. самым низким положением поршня во время цикла вдыхания). Например, у человека остаточный объем находится в диапазоне 1200 мл. Длина хода для достижения соответствующего объема приблизительно 600 мл в каждом насосе определяет максимальную высоту конструкции 1.
Конструкция 1 воздухоносных путей может быть спроектирована in silico с учетом соответствующей литературы по строению легких человека или животных или доступных цифровых 3D-представлений органов дыхания человека или животных или их идеализированных представлений. При использовании 3D-представлений конструкции 1 могут быть сгенерированы с помощью 3D-печати для формирования модели воздухоносных путей. Конструкция 1 воздухоносных путей, как правило, будет представлять собой искусственную или синтетическую конструкцию воздухоносных путей с формированием искусственной или синтетической модели воздухоносных путей. В качестве альтернативы, можно использовать доступные отливки воздухоносных путей или 3D-модели воздухоносных путей в качестве физических шаблонов, внедряя их в материал, подходящий для формирования конструкции 1. Отливку воздухоносных путей можно удалить путем ее растворения с помощью подходящих растворителей, расщепления с помощью соответствующих ферментов или нагрева в случае, если отливка воздухоносных путей состоит из материалов, температура плавления которых ниже, чем температура материала, выбранного для конструкции 1 воздухоносных путей. Примеры методик проектирования и создания моделей воздухоносных путей описаны Robinson et al (The Anatomical Record (2009) 292: 1028-1044), Zopf et al (New England J. Med. (2013), 365(21); 2043-2045) и Zhang et al (Annals of Biomedical Engineering, (2008), 36(12), 2095-2110).
Соответственно дополнительный аспект относится к способу изготовления перфорированной конструкции, включающему: (i) внедрение одного или более разветвленных каналов, каждый из которых содержит открытый конец в материале, подходящем для формирования перфорированной конструкции; и (ii) удаление отливки из одного или более разветвленных каналов из материала. Соответственно перфорированную конструкцию изготавливают по меньшей мере частично посредством трехмерной печати. Соответственно перфорированная конструкция образуется путем формования. Соответственно перфорированная конструкция отлита из шаблона. Соответственно перфорированная конструкция i) по существу имитирует разветвляющуюся структуру бронхиальных воздухоносных путей млекопитающих, ii) представляет собой идеализированную разветвляющуюся структуру или iii) представляет собой комбинацию i) и ii).Соответственно отливку воздухоносных путей можно удалить путем ее растворения с помощью подходящих растворителей, расщепления с помощью соответствующих ферментов или нагрева в случае, если отливка воздухоносных путей состоит из материалов, температура плавления которых ниже, чем температура материала, выбранного для конструкции воздухоносных путей.
Конструкция 1 воздухоносных путей может быть изготовлена из любого материала, из которого сложные конструкции могут быть образованы с помощью одной из вышеупомянутых техник, таких как аддитивное производство или внедрение отливок воздухоносных путей, например, в металлы, керамические или синтетические материалы. Точный тип материала зависит от предполагаемого применения.
В качестве примера, могут быть использованы непористые материалы, если исследованы влияния модели воздухоносных путей в отношении распределения по размеру и концентрации твердых частиц и/или нелетучей фракции жидких частиц в аэрозоле для испытания. Примеры включают металлы (например, нержавеющая сталь), непористые синтетические материалы (например, полиэтилентерефталат (PET) или полиэфирэфиркетон (PEEK), или комбинацию двух или более из них). В качестве дополнительного примера, можно использовать пористые материалы, если исследовано влияние модели воздухоносных путей на распределение по размеру и концентрацию твердых частиц и/или летучую фракцию жидких частиц, а также на летучие соединения в аэрозоле для испытания. Летучие соединения обычно не конденсируются на непористых поверхностях, но могут попадать в поры пористых материалов и прилипать к ним из-за большой доступной поверхности (принцип действия активированного угля). Примером может служить пористый силикон (например, полидиметилсилоксан (PDMS)). В качестве дополнительного примера, можно использовать гелеобразные материалы, если исследованы влияния модели воздухоносных путей на распределение по размеру и концентрацию твердых частиц и/или летучую фракцию жидких частиц, а также на летучие соединения в аэрозоле для испытания, или если клетки должны культивироваться на внутренних поверхностях модели воздухоносных путей. В этом случае гелеобразный материал может пропитываться средой для культивирования клеток или среду для культивирования клеток можно включать в качестве субстрата в процессе аддитивного производства. Примеры включают термогели, такие как поливинилметиловый эфир (PVME) или поли-N-винилкапролактам (PNVC) или комбинацию двух или более из них. В качестве дополнительного примера, можно использовать гидрофобные материалы, если необходимо улучшить взаимодействия между гидрофобными соединениями в аэрозоле и моделью воздухоносных путей (например, PDMS). В качестве дополнительного примера, можно использовать гидрофильные материалы, если необходимо улучшить взаимодействия между гидрофильными соединениями в аэрозоле и моделью воздухоносных путей. Примеры включают гидрогели, такие как PVME или PNVC или их комбинацию. В качестве дополнительного примера, можно использовать амфифильные материалы, если необходимо улучшить взаимодействия между гидрофобными и гидрофобными соединениями в аэрозоле и моделью воздухоносных путей. Амфифильность может быть достигнута, например, путем покрытия поверхностей поверхностно-активными веществами. Кроме того, гидрофильность, гидрофобность и абсорбционные свойства конструкции 1 воздухоносных путей могут быть модулированы посредством покрытия поверхностей внутренних каналов подходящими материалами (например, гидрогелями, восками или белками или комбинацией двух или более из них). Например, покрытие средой для культивирования клеток, содержащей гидрогели, может быть использовано для обеспечения поверхности, на которой можно культивировать клетки. Возможность воздействия культур клеток на аэрозоли для испытания, проходящие через модель воздухоносных путей, может быть обеспечена путем включения в конструкцию камер 8 для воздействия (см. фиг. 3). Такие камеры 8 для воздействия могут, например, быть образованы посредством локализованного расширения каналов 4 в одном измерении (перпендикулярно оси канала). Расширения соответствуют размеру и форме одного или более (например, всех) доступных модулей 113, 213 для культивирования клеток, которые можно культивировать в небольших объемах гидрогелей, обеспечивающих питательные вещества, или в микрофлюидных структурах. Культуры клеток и гидрогели могут присутствовать на кончике «вставок 9 для воздействия», которые могут быть вставлены в конструкцию 1 воздухоносных путей, тем самым принося культуры клеток в камеры 8 для воздействия, при этом поверхность культуры клеток находится в плоскости внутренней поверхности камеры 8 для воздействия.
Аналогичный подход можно применять, если зонды или датчики должны помещаться в каналы 4 воздухоносных путей, например, путем покрытия всех каналов 4 во всей конструкции 1 воздухоносных путей или ее частей гидрогелями, которые доставляют достаточное количество воды и питательных веществ к клеткам, которые выращиваются непосредственно в каналах 4 конструкции 1. Этот подход обычно требует, чтобы конструкция 1 воздухоносных путей состояла из высокопористого материала, который способен хранить большие объемы среды для культивирования, или содержала его; или путем образования конструкции 1 воздухоносных путей из гелеобразного материала, который обеспечивает питательные вещества и воду.
Таким образом, в дополнительном аспекте раскрыты один или более (например, несколько) разветвленных каналов, которые воспроизводят модель воздухоносных путей, содержащую покрытие среды для культивирования клеток на по меньшей мере части или всех из разветвленных каналов для обеспечения поверхности, на которой могут культивироваться клетки. Соответственно покрытие содержит клетки. В дополнительном аспекте раскрыты один или более (например, несколько) разветвленных каналов, которые воспроизводят модель воздухоносных путей, содержащую одно или более расширений в каналах, содержащих одну или более матриц для культивирования клеток. Соответственно матрицы содержат клетки.
Система
В дополнительном аспекте описана система 10 для определения взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, причем указанная система содержит: (a) первый насос, содержащий: (i) камеру, выполненную с возможностью содержания первого объема газа, содержащего атмосферу испытания; (ii) первый проход, приспособленный для приема и выпуска газа и содержащий клапан для регулировки потока газа по первому проходу, причем указанный клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями, причем в открытом положении указанный клапан способен открываться в направлении атмосферы испытания или окружающего воздуха; (iii) второй проход, приспособленный для выпуска и приема газа и содержащий клапан для регулировки потока газа по второму проходу, причем указанный клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями; и (iv) двигатель для управления работой первого насоса; (b) второй насос, как описано в настоящем документе, содержащий: (i) камеру, выполненную с возможностью содержания второго объема газа, при этом первый и второй объемы газа отличаются друг от друга; (ii) проход, приспособленный для приема и выпуска газа; (iii) пластину поршня в камере, причем указанная пластина поршня содержит один или более просветов для поступления или притока газа в камеру, при этом один или более, или каждый, из просветов включают в себя клапан, способный перемещаться между открытым и закрытым положениями и способный регулировать поступление или приток газа; и (iv) двигатель для управления работой второго насоса; (c) соединительную конструкцию, используемую для передачи газа из первого насоса во второй насос; и (d) одно или более отверстий в первом насосе или втором насосе или стенках соединительной конструкции или сочетании двух или более из них, причем указанные отверстия способны принимать модуль для содержания или хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере, или для отбора проб газа, или для определения характеристик газа.
Газ может представлять собой атмосферу испытания или он может содержать атмосферу испытания.
На фиг. 4 изображена система 10 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Система 10 включает в себя по меньшей мере два насоса 40, 80. Два или более насосов 40, 80 соединены друг с другом. В некоторых вариантах осуществления два или более насосов 40, 80 соединены друг с другом посредством соединительной конструкции 50, такой как разветвленная полая соединительная конструкция. Каждый насос 40, 80 может приводиться в действие собственным отдельным двигателем 41, 81 или два или более насосов могут приводиться в действие одним и тем же двигателем 41, 81 при необходимости. Вся система 10 может быть расположена в климатическом кожухе 11, оснащенном термостатом 12 для регулировки температуры в кожухе 11. Камеры насосов 40, 80 могут быть выполнены таким образом, чтобы представлять внутренние объемы разных отделов дыхательных путей - таких как дыхательные пути человека или животного. Эти могут быть выполнены с возможностью обеспечения рабочего объема, который по меньшей мере равен максимальному достижимому впускаемому объему в соответствующем отделе дыхательных путей. В частности, один (первый) насос 40 может представлять объем полости рта и ротоглотки, такой как полость рта и ротоглотки человека или животного. Другой второй насос 80 может представлять объем полости легкого или его частей, такой как полость отдельных долей легкого или меньших элементов, в частности, полости легкого человека или животного или его частей. Соединительная конструкция 50, такая как разветвленная полая соединительная конструкция, может представлять размеры проводящих воздухоносных путей, таких как одно или более из перечисленного: полость носоглотки, гортанная часть глотки, гортань, трахея, бронхи и бронхиолярные структуры до дыхательных бронхиол, в частности, проводящих воздухоносных путей человека или животного. Соединительная конструкция 50, такая как разветвленная полая соединительная конструкция, может представлять размеры проводящих воздухоносных путей, включая полость носоглотки, гортанную часть глотки, гортань, трахею, бронхи и бронхиолярные структуры до дыхательных бронхиол. Размеры, например, величины диаметра и длины, а также схема разветвления разных вспомогательных частей соединительной конструкции 50 может напоминать древовидную структуру проводящих воздухоносных путей.
Как изображено на фиг. 4, соединительная конструкция 50, такая как разветвленная полая соединительная конструкция, может быть соединена с центральным отверстием 43, 83 в основе 44, 84 камеры 42, 82 каждого насоса 40, 80. В некоторых вариантах осуществления несколько отверстий, выемок или гнезд 51 могут присутствовать на основе 44, 84 камеры (камер) 42, 82, которые могут быть расположены симметрично вокруг центрального отверстия 43, 83. Расположенный непосредственно в месте соединения между насосом 40 и соединительной конструкцией 50, клапан 49 может использоваться для обеспечения герметизации насоса 40 от всех других частей системы.
Насос 40, представляющий полость рта, может иметь одно или более отверстий 43, через которые атмосфера (атмосферы) испытания и разбавляющий воздух могут выходить из насоса 40 к соединительной конструкции 50, такой как разветвленная полая соединительная конструкция. Точка входа и выхода атмосферы 90 испытания обычно расположена на пластине 45 поршня насоса 40, подходящим образом в ее центре. Она может проходить сквозь полую ось 46 поршня, поверх которой может находиться клапан 44a, такой как трехходовой клапан. В вариантах осуществления клапан 44a можно закрывать или открывать по направлению к источнику атмосферы испытания или окружающему воздуху. Группа из одного или более (например, множества) просветов 47, через которые окружающий воздух может поступать в систему, расположена на пластине 45 поршня и необязательно имеет радиальное расположение. Один или более клапанов 48 (например, множество) на одном или более, или всех, просветах могут использоваться для обеспечения открывания или закрывания одного или более из этих просветов 47. В некоторых вариантах осуществления каждый просвет 47 регулируется клапаном 48. В некоторых вариантах осуществления группа из одного или более (например, множества) просветов, через которые окружающий воздух может поступать в систему, может быть расположена на пластине поршня 84 второго насоса, необязательно в радиальном расположении. Один или более клапанов (например, множество) могут использоваться для обеспечения открывания или закрывания одного или более из этих просветов. В некоторых вариантах осуществления каждый просвет регулируется клапаном. В некоторых вариантах осуществления группа из одного или более (например, множества) просветов, через которые окружающий воздух может поступать в систему, может быть расположена на пластине поршня первого и второго насоса, необязательно в радиальном расположении. Преимущественным образом, соединительную конструкцию 50, такую как разветвленная полая соединительная конструкция, можно отсоединить от насосов 40, 80. Преимущественным образом, соединительную конструкцию 50, такую как разветвленная полая соединительная конструкция, можно разобрать на составные части. Это может обеспечить легкий доступ для размещения или извлечения испытательных систем и/или для очистки.
Основы 44, 84 насосов 40, 80 можно извлечь для размещения/извлечения испытательных систем и для очистки.
В основе 44, 84 каждого насоса 40, 80, а также в разных частях соединительной конструкции 50, могут быть расположены отверстия, выемки или гнезда 51, такие как резьбовые или безрезьбовые отверстия, резьбовые или безрезьбовые выемки или резьбовые или безрезьбовые гнезда 113, 213. Отверстия, выемки или гнезда 51 могут иметь различные местоположения, например, на основах 44, 84 одного или более насосов 40, 80, или они могут быть расположены вокруг центрального отверстия 43, 83 или в соединительной конструкции 50, такой как разветвленная полая соединительная конструкция, в различных выбранных местоположениях, подходящим образом на нижней стороне соединительной конструкции 50, такой как разветвленная полая соединительная конструкция, или в любом сочетании перечисленного.
Отверстия, выемки или гнезда 51 могут использоваться для обеспечения монтажа разных модулей 112, 212 или приспособлений в них или на них, которые могут использоваться для слежения за работой системы 10 и/или для проведения экспериментов и/или для сбора образцов и т. п. Примеры таких модулей 112, 212 или приспособлений показаны на фиг. 5 и фиг. 6 и описаны в настоящем документе.
Преимущественным образом, насосы 40, 80, используемые в системе 10, таким образом могут функционировать не только для транспортировки атмосфер испытания, но они также могут функционировать как камеры для воздействия.
На фиг. 5 и 6 изображен вариант осуществления настоящего изобретения, в котором отверстия, выемки или гнезда 51 имеют необязательную форму резьбовых отверстий, выемок или гнезд 112, 212. Одно или более отверстий, выемок или гнезд 51 может содержать один или более модулей 112, 212. Использование резьбы облегчает простую установку и замену модуля (модулей) 112, 212. Использование резьбы в отверстиях, выемках или гнездах 51 является необязательным, поскольку модули могут быть выполнены таким образом, чтобы их можно быть вставлять или вдвигать в отверстия, выемки или гнезда 51 образуя герметичное взаимодействие между ними. Модули могут иметь плотную посадку. Уплотнение может быть обеспечено путем использования кольцевых прокладок и т. п.
Используемые модули 112, 212 могут быть приспособлены для различных целей в зависимости от требований конфигурируемой системы. Например, модули 112, 212 могут быть приспособлены для содержания или хранения среды для культивирования клеток или для слежения за условиями в камере 42, 82 или для отбора образцов газа или жидкости или для определения характеристик газа и т. п. Модули 112, 212 могут быть расположены на основе 44, 84 первого 40 и/или второго 80 насоса, и/или в стенках соединительной конструкции 50. В одном конкретном варианте осуществления один или более модулей 112, 212 могут быть выполнены с возможностью содержания или хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток. Согласно этому варианту осуществления, один или более модулей 112, 212 могут представлять собой емкости, способные удерживать жидкость или раствор. Среда для культивирования клеток может содержать культуру клеток, такую как 2- или 3-мерная культура клеток, или может контактировать с ней. В определенных вариантах осуществления один или более модулей 113, 213 могут быть способны удерживать или размещать по меньшей мере один микродатчик либо в качестве альтернативы, либо в дополнение к матрице, содержащей среду для культивирования клеток. В некоторых вариантах осуществления модуль(-и) 113, 213, приспособленный для содержания или хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика, дополнительно содержит микрофлюидный канал и необязательно микрофлюидный насос, соединенный с ним. Модули 113, 213 в общем будут расположены в горизонтальной плоскости в одном или более из перечисленного: первый насос 40, или второй насос 80, или стенки соединительной конструкции 50.
Как видно на фиг. 5 и 6, отверстия, выемки или гнезда 51 необязательно могут быть выполнены с возможностью содержания резьбовой выемки или гнезда 112, 212. Резьбовая выемка или гнездо 113, 213 может содержать один или более датчиков 114, 214 одного или более приспособлений 116, 216. Такие приспособления 116, 216 могут использоваться для отслеживания внутренних условий системы, или для определения характеристик атмосферы испытания, или для отбора образцов и т. п. Работой приспособления (приспособлений) 116, 216 может управлять компьютер 117, 217. Резьбовая выемка или гнездо 113, 213 и/или модули 112, 212 могут быть приспособлены для использования в качестве культивационной камеры 115, 215, в которую можно поместить системы для биологических испытаний (например, органотипические культуры клеток эпителия дыхательных путей человека, как описано в настоящем документе), для воздействия атмосферой испытания. Резьбовые отверстия, выемки или гнезда 113, 213 могут быть приспособлены для содержания улавливающих средств, в которых может происходить отбор образцов атмосферы испытания для анализов. Отбор образцов среды для культивирования клеток или улавливающего средства во время воздействия атмосферой испытания можно осуществлять разными способами, в том числе путем использования системы 211 микрофлюидного насоса и/или одного или более микродатчиков. Могут использоваться модули 112, 212, содержащие микровесы на кристалле кварца (QCM, 219). Модули 112, 212, на которых могут быть установлены датчики 214, камеры 215 или QCM 219, можно вставить в любую камеру 42, 82 или внутреннюю часть соединительной конструкции 50, такой как разветвленная полая соединительная конструкция, системы. Работой QCM 219 может управлять компьютер 220. Система 10 может полностью или частично управляться компьютером 13, при необходимости. Система 10 может быть частично или полностью автоматизированной.
Система 10 может содержать один или более (например, множество) первых насосов. Система 10 может содержать один или более (например, множество) вторых насосов. Система 10 может содержать один или более (например, множество) первых насосов и один или более вторых насосов.
Насос
В дополнительном аспекте раскрыт насос, предпочтительно поршневой насос, для смещения объема газа, содержащий один или более разветвленных каналов внутри насоса, при этом разветвленный(-е) канал(-ы) соединен с проходом для приема и выпуска газа. Насос может иметь внешнюю часть и внутреннюю часть. Один или более разветвленных каналов могут находиться внутри насоса. Проход может быть расположен на насосе. Насос может содержать проход. Проход может быть расположен внутри или снаружи насоса. Соответственно разветвленный(-е) канал(-ы) содержится в перфорированной конструкции, описанной в данном документе. Соответственно разветвленный(-е) канал(-ы) повторяет модель воздухоносных путей. Соответственно насос содержит камеру, выполненную с возможностью содержания объема газа и содержащую основу и одно или более отверстий, способных принимать один или более модулей для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере, или для отбора проб газа, или для определения характеристик газа. Соответственно насос дополнительно содержит двигатель для управления работой насоса. Как обсуждалось выше, разветвленная конструкция может следовать схемам разветвления воздухоносных путей человека или животного и может быть основана на отливках воздухоносных путей или на цифровых 3D-моделях, полученных с помощью томографии или аналогичных технологий. Насос может по существу соответствовать второму насосу, как описано в данном документе ниже.
Также предусмотрена система для определения взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, содержащая насос. Также предусмотрено применение насоса в системе для определения взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей.
Также предусмотрен способ культивирования клетки в насосе. Также раскрыто применение насоса для культивирования клетки.
Первый насос
В другом аспекте раскрыт насос, подходящим образом поршневой насос, для смещения объема газа, содержащий: (i) камеру, выполненную с возможностью содержания объема газа и содержащую основу и одно или более отверстий, способных принимать модуль для содержания или хранения среды для культивирования клеток, или для отслеживания условий в камере, или для отбора проб газа, или для определения характеристик газа; (ii) первый проход для приема и выпуска газа, когда он содержится в камере, и содержащий первый клапан для регулировки потока газа по первому проходу, причем указанный первый клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями, причем в открытом положении указанный клапан может открываться в направлении атмосферы испытания или окружающего воздуха; (iii) второй проход для выпуска и приема газа, когда он содержится в камере, и содержащий второй клапан для регулировки потока газа по второму проходу, причем указанный клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями; и (iv) пластину поршня в камере, причем указанная пластина поршня содержит один или более просветов для поступления или притока газа в камеру, при этом один или более, или каждый, из просветов включают в себя клапан, способный перемещаться между открытым и закрытым положениями и способный регулировать поступление или приток газа.
Также описан поршневой насос для смещения объема газа, содержащий: (i) камеру, выполненную с возможностью содержания объема газа и содержащую пластину поршня, содержащую один или более просветов для поступления или притока газа в камеру, при этом один или более, или каждый, из просветов включают в себя клапан, способный перемещаться между открытым и закрытым положениями и способный регулировать поступление или приток газа; (ii) первый проход для приема газа, содержащий первый клапан для регулировки потока газа по первому проходу, причем указанный первый клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями; и (iii) второй проход для выпуска газа, когда он содержится в камере, и содержащий второй клапан для регулировки потока газа по второму проходу, причем указанный клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями.
Как изображено на фиг. 4, система 10 может содержать первый насос 40 для смещения объема газа. Первый насос 40 описан в данном тексте как отдельный аспект настоящего изобретения и его использование не ограничено использованием в системе 10, описанной в настоящем документе.
Первый насос может быть первичным насосом, названным так из-за своего местоположения в системе в качестве точки входа для газа. Он содержит камеру 42 (например, цилиндр), выполненную с возможностью содержания объема газа, и содержит основу 44 и одно или более отверстий 43, способных принимать модуль, такой как резьбовой или безрезьбовой модуль 113, 213, в выемке или гнезде 112, 212, как изображено на фиг. 5 и 6 и как описано в данном документе. Он также содержит первый проход 90 для приема и выпуска газа, когда он содержится в камере 42, и содержит первый клапан 44a, такой как трехходовой клапан для регулировки потока газа по первому проходу 90, причем указанный первый клапан 44a способен перемещаться между открытым и закрытым положениями, причем в открытом положении клапан 44a может открываться в направлении атмосферы испытания или окружающего воздуха. Он также содержит второй проход 43 для приема и выпуска газа, когда он содержится в камере 42. Подходящим образом, второй проход 43 выполнен в виде отверстия. В месте соединения между насосом 40 и соединительной конструкцией 50, второй клапан 49, расположенный у второго прохода 43, позволяет герметизировать насос 40 от всех других частей системы. Второй клапан 49 может использоваться для регулировки потока газа по второму проходу 43, причем указанный второй клапан 49 способен перемещаться между открытым и закрытым положениями. Как видно на фиг. 4, насос 40 может представлять собой поршневой насос, содержащий пластину 45 поршня. Одно или более из отверстий, выемок или гнезд 51 в камере 42 могут быть резьбовыми 112, 212 или безрезьбовыми. Одно или более из отверстий, выемок или гнезд 51 в камере 42 могут содержать модуль 113, 213, такой как резьбовой или безрезьбовой модуль 113, 213, как описано в настоящем документе. Насос 40 дополнительно содержит двигатель 41 для управления работой насоса. Давление нагнетания двигателя 41 может соответствовать атмосферному давлению или быть выше или ниже атмосферного давления, при необходимости. В некоторых вариантах осуществления давление нагнетания двигателя 41 может быть выше или ниже атмосферного давления для смещения атмосферы испытания. Рабочий объем насоса 40 может составлять от приблизительно 0 до 100 мл или от приблизительно 1 до приблизительно 100 мл. Камера 42 насоса 40 может иметь объем до приблизительно 100 мл. Насос 40 может быть изготовлен из различных материалов, известных в данной области техники, таких как нержавеющая сталь. Подходящим образом, камера 42 представляет собой цилиндр. Подходящим образом, камера 42 может быть изготовлена из стекла. Пластина 45 поршня насоса 40 содержит один или более просветов 47 для поступления или притока газа. Один или более просветов 47 могут включать в себя клапан 48, способный перемещаться между открытым и закрытым положениями и способный регулировать поступление или приток газа.
Как также изображено на фиг. 4, насос 40 может представлять собой поршневой насос для смещения объема газа. Поршневой насос содержит камеру 42 (например, цилиндр, такой как стеклянный цилиндр), выполненную с возможностью содержания объема газа и содержащую пластину 45 поршня, содержащую один или более просветов 47 для поступления или притока газа в камеру 42. Один или более из просветов 47 или каждый из просветов 47 содержат клапан 48 для регулировки поступления или притока газа сквозь просветы 47.
Он может включать в себя первый проход 90 для приема газа и первый клапан 44a, такой как трехходовой клапан, для регулировки потока газа через первый проход 90. Первый клапан 44a способен перемещаться между открытым и закрытым положениями. Он также включает в себя второй проход 43 для выпуска газа, когда он содержится в камере 42, причем второй проход 43 необязательно содержит второй клапан для регулировки потока газа по второму проходу 43, причем клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями. Камера 42 может включать в себя основу 44 и одно или более отверстий 43. Основа может дополнительно включать в себя одно или более отверстий, выемок или гнезд 51, которые могут быть резьбовыми 119 или безрезьбовыми и/или они могут содержать модуль 113, 213, как описано в настоящем документе. Соединительная конструкция 50 - такая как полая соединительная конструкция - может быть соединена со вторым проходом 43. Насос 40 может дополнительно содержать двигатель 41, в котором давление нагнетания соответствует атмосферному давлению или давлению выше или ниже атмосферного давления. Рабочий объем насоса 40 может составлять от приблизительно 0 до 100 мл или от приблизительно 1 до приблизительно 100 мл. Камера 42 насоса 40 может иметь объем, составляющий приблизительно 100 мл.
Предусмотрена система, содержащая два или более первых насосов. Также предусмотрено использование двух или более первых насосов в системе для определения взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей.
Также предусмотрен способ культивирования клетки в первом насосе. Также описано использование первого насоса для культивирования клетки.
Второй насос
В другом аспекте раскрыт насос, подходящим образом поршневой насос, содержащий: (i) камеру, выполненную с возможностью содержания объема газа и содержащую основу и одно или более отверстий, способных принимать один или более модулей для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере, или для отбора проб газа, или для определения характеристик газа; (ii) проход для приема и выпуска газа; и (iii) один или более разветвленных каналов, расположенных в проходе. Разветвленный(-е) канал(-ы) может содержаться в перфорированной конструкции, описанной в данном документе.
Как изображено на фиг. 4, смоделированная система 10 дыхательных путей, описанная в данном документе, может содержать насос 80 для смещения объема газа, содержащий камеру 82, такую как цилиндр, выполненную с возможностью содержания объема газа, причем указанная камера 82 содержит основу 84 и один или более модулей 113, 213 для содержания или хранения матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере 82, или для отбора проб газа, или для определения характеристик газа и т. п. Насос 80 может представлять собой вторичный насос.
Насос 80 раскрыт в данном документе как отдельный аспект настоящего изобретения и его использование не ограничено использованием в системе 10, описанной в данном документе.
Насос 80 дополнительно содержит проход 83, выполненный с возможностью приема и выпуска газа, в который может быть установлена перфорированная конструкция 1, как описано в данном документе.
Как изображено на фиг. 4, насос 80 может представлять собой поршневой насос, содержащий пластину 83 поршня. Пластина 83 поршня может не содержать каких-либо просветов или отверстий. Модули 113, 213, такие как резьбовые или безрезьбовые модули 113, 213, как описано в настоящем документе, могут быть расположены в основе 84 камеры 82. Соединительная конструкция 50 - такая как полая соединительная конструкция - может быть соединена с проходом 83. Насос 80 дополнительно содержит двигатель 81. Давление нагнетания насоса 80 будет в общем соответствовать атмосферному давлению или давлению выше или ниже атмосферного давления. Рабочий объем насоса 80 может составлять от приблизительно 0 до приблизительно 1000 мл, или от приблизительно 0 до приблизительно 4000 мл, или от приблизительно 1 до приблизительно 1000 мл, или от приблизительно 1 до приблизительно 4000 мл. Объем камеры 82 может представлять объем полости легкого или его части. В некоторых вариантах осуществления группа из одного или более (например, множества) просветов, через которые окружающий воздух может поступать в систему, может быть расположена на пластине поршня 84, необязательно в радиальном расположении. Один или более клапанов (например, множество) могут использоваться для обеспечения открывания или закрывания одного или более из этих просветов. В некоторых вариантах осуществления каждый просвет регулируется клапаном.
Предусмотрена система, содержащая два или более насосов 80, описанных в данном документе. Также предусмотрено применение двух или более насосов 80 в системе для определения взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей.
Также предусмотрен способ культивирования клетки в насосе 80, описанном в данном документе. Также раскрыто применение насоса 80 для культивирования клетки.
Соединительная конструкция
Также описана соединительная конструкция, используемая для переноса или транспортировки газа между двумя или более насосами. Соединительная конструкция может представлять собой трубу, или трубку, или трубопровод, или тому подобное, по которому можно проводить или транспортировать газ. Соединительная конструкция может быть приспособлена для соединения по меньшей мере двух насосов с целью переноса или транспортировки газа между ними. Соединительная конструкция может соединять первый насос у второго прохода первого насоса, описанного в настоящем документе, и проход второго насоса, описанный в настоящем документе. Соединительная конструкция может содержать полый канал и одно или более отверстий - таких как резьбовые или безрезьбовые отверстия - в стенках соединительной конструкции. Соединительная конструкция может использоваться в системах и способах, описанных в настоящем документе. Система может содержать соединительную конструкцию, приспособленную для соединения по меньшей мере двух насосов для передачи газа между ними.
Один вариант осуществления соединительной конструкции 50 показан на фиг. 4. Соединительная конструкция будет в общем содержать полый канал. Она обычно будет разветвленной. В вариантах осуществления каждая конечная ветвь соединительной конструкции может быть соединена с отдельными насосами 40, 80, когда система ее содержит. Соединительная конструкция 50 может содержать одно или более отверстий - в частности, резьбовых или безрезьбовых отверстий - в стенках соединительной конструкции. Резьбовые или безрезьбовые отверстия могут содержать модуль 112, 212. Модуль 112, 212 может быть приспособлен для содержания среды для культивирования, и/или для слежения за условиями системы, и/или для отбора проб газа, и/или для определения характеристик газа, как описано в настоящем документе. В некоторых вариантах осуществления соединительная конструкция может быть разветвленной с двумя или более ветвями. Каждая конечная ветвь соединительной конструкции может быть соединена с отдельным насосом. Соединительная конструкция может представлять объем проводящих воздухоносных путей легкого. Соединительная конструкция 50 может быть изготовлена из различных материалов. В некоторых вариантах осуществления предпочтительно использовать нержавеющую сталь.
Также предусмотрен способ культивирования клетки, содержащий соединительную конструкцию. Также описано использование соединительной конструкции для культивирования клетки.
Работа и функция системы
Система может полностью или частично управляться компьютером, при необходимости. Это может позволить синхронизировать работу некоторых или всех насосов и клапанов. Это может позволить синхронизировать работу некоторых или всех элементов системы. Компьютер можно использовать для настройки длины хода одного или более насосов и/или скорости хода одного или более насосов. Компьютер можно использовать для регулировки температуры системы.
Далее будет описана работа варианта осуществления системы 10, изображенного на фиг. 4. В состоянии покоя, поршень первого насоса 40 находится в нижнем положении, при этом второй насос 80 находится в положении для удержания определенного объема газа в камере 82, и клапаны 48, 49 закрыты. Атмосфера испытания втягивается в насос 40, который может представлять полость рта. Эта поступающая атмосфера может приводиться в движение насосом 40 и может входить в камеру 42 через полую ось 46 поршня. Полая ось 46 поршня может быть непосредственно соединена с источником атмосферы испытания. Когда насос 40 завершил движение вверх, клапан 44a, который может представлять собой трехходовой клапан, в центральном отверстии на верхней части полой оси 46 поршня закрывается, и клапаны 48, регулирующие поступление окружающего воздуха через просветы 47 в пластине 45 поршня и клапан 49 у впускного отверстия соединительной конструкции 50, открываются.
Атмосферу испытания выкачивают из камеры 42, которая может представлять полость рта, через соединительную конструкцию 50, которая может представлять проводящие воздухоносные пути. Этот процесс может приводиться в действие движением вверх второго насоса 80, который может представлять полость легкого или его части. Поскольку общий рабочий объем второго насоса 80 может быть кратным объему насоса 40, камеры 42 насоса 40, а также по меньшей мере части соединительной конструкции 50 можно продувать окружающим воздухом, который может входить в первый насос 40 через просветы 47 в пластине 45 поршня.
В первом насосе 40 клапан 44a на верхней части оси 46 поршня может открываться в направлении окружающей среды. Клапаны 48 на пластине 45 поршня могут закрываться, и насос 40 выполняет опускание поршня. В нижнем положении поршня, этот насос 40 может образовывать герметичное соединение между полой осью 46 поршня и отверстием 43 в основе 44. Герметичное соединение может быть получено с помощью прокладки 53. Прокладка 53 может быть расположена на основе 44 или на пластине 45 поршня. После определенного «периода задержки дыхания», второй насос 80 может выполнять опускание поршня, тем самым смещая атмосферу испытания через соединительную конструкцию 50 и через ось 46 поршня первого насоса 40, непосредственно в окружающую среду. Когда поршень насоса 40 остается в нижнем положении и клапан 44a остается открытым в направлении окружающей среды, второй насос (насосы) 80 может осуществлять один или более (например, несколько) циклов дыхания окружающим воздухом перед тем, как клапан 44a снова откроется в направлении источника атмосферы испытания и начнется следующий цикл вдыхания атмосферы испытания.
В дополнительном аспекте предоставлен способ, включающий следующие этапы: (a) обеспечение насоса - такого как первый насос, описанный в настоящем документе - содержащего камеру; (b) отведение газа - такого как атмосфера испытания - из насоса в соединительную конструкцию, соединяющую насос с другим насосом - таким как второй насос, описанный в настоящем документе; (c) продувание насоса, предоставленного на этапе (a), и по меньшей мере части соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) удерживание газа в другом насосе и соединительной конструкции в течение предопределенного периода времени; (e) смещение газа в соединительную конструкцию и насос, предоставленный на этапе (a), используя другой насос; и (f) выполнение одного или более циклов прокачки окружающего воздуха в другой насос.
В дополнительном аспекте предоставлен способ, включающий следующие этапы: (a) обеспечение газа - такого как атмосфера испытания - в камеру насоса - такого как первый насос, описанный в настоящем документе; (b) отведение газа из насоса, описанного на этапе (a), в соединительную конструкцию, соединяющую насос с другим насосом - таким как второй насос, описанный в настоящем документе; (c) продувание насоса, предоставленного на этапе (a), и по меньшей мере части соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) удерживание газа в другом насосе и соединительной конструкции в течение предопределенного периода времени; (e) смещение газа через соединительную конструкцию и насос, предоставленный на этапе (a), используя другой насос; и (f) выполнение одного или более циклов прокачки окружающего воздуха в другой насос.
Генерирование атмосферы испытания
Атмосферы испытания - такие как аэрозоли - которые необходимо изучить с помощью описанной системы 10 и способов, можно генерировать различными способами. Для многих применений, например, для тестирования табачных изделий или обычных медицинских ингаляторов и т. п., генерирование атмосферы испытания может приводиться в действие самой системой, то есть, сами первичные или вторичные насосы создают отрицательное давление, необходимое для генерирования и экстракции испытательного аэрозоля, что означает, что использование генераторов аэрозоля/курительных машин преимущественным образом не требуется.
Атмосфера испытания может представлять собой взятую из окружающей среды пробу газов или аэрозолей, например, для слежения за качеством комнатного воздуха, воздействиями, связанными с характером работы, или загрязнением окружающей среды вблизи промышленных участков. В этом конкретном случае, атмосферу испытания не генерируют, а берут в виде образца с помощью системы.
Атмосфера испытания может представлять собой аэрозоль, такой как дым или она может быть получена из дыма. Используемый в данном документе термин «дым» используют для описания типа аэрозоля, получаемого с помощью курительных изделий, таких как сигареты, или при сжигании материала, образующего аэрозоль. Дым содержит различные средства, которые в случае необходимости могут быть предоставлены в виде отдельных соединений для исследования. Примеры таких средств включают сухое дисперсное вещество, не содержащее никотина, монооксид углерода, формальдегид, ацетальдегид, ацетон, акролеин, пропионовый альдегид, кротоновый альдегид, метилэтилкетон, бутиральдегид, бенз[a]пирен, фенол, м-крезол, o-крезол, п-крезол, катехол, резорцин, гидрохинон, 1,3-бутадиен, изопрен, акрилонитрил, бензол, толуол, пиридин, хинолин, стирол, N'-нитрозонорникотин (NNN), N′-нитрозоанатабин (NAT), N′-нитрозоанабазин (NAB), 4-(метилнитрозамино)-1-(3-пиридил)-1-бутанон (NNK), 1-аминонафталин, 2-аминонафталин, 3-аминобифенил, 4-аминобифенил, монооксид азота (NO), оксид азота (NOx), цианистоводородную кислоту, аммиак, мышьяк, кадмий, хром, свинец, никель, селен и ртуть.
Когда аэрозоль представляет собой дым, система 10 необязательно может быть соединена с курительной машиной. Соответственно курительная машина держит и поджигает сигареты, при этом насосы предоставлены системой или представляют собой насосы согласно настоящему изобретению. Можно использовать определенное количество затяжек на сигарету и определенное количество затяжек за минуту воздействия и варьировать количество сигарет для приспособления к времени воздействия. Эталонные сигареты, такие как эталонные сигареты 3R4F, можно применять в качестве источника дыма и курить на курительной машине в базовом соответствии с режимом курения, установленным Международной организацией по стандартизации (ISO 2000).
Также предусмотрено использование контрольной атмосферы, такой как атмосфера, не содержащая атмосферу испытания. Использование контрольной атмосферы может помочь определить влияние атмосферы испытания в сравнении с контрольной атмосферой.
Система 10 может быть соединена с курительной машиной посредством подходящего трубопровода, образующего путь для потока дыма в систему 10. Дым может передаваться по трубопроводу с помощью газа-носителя, такого как воздух, или без него. При использовании газа-носителя, трубопровод предпочтительно содержит впускное отверстие для введения газа-проводника в трубопровод, для его смешивания с потоком дыма. Трубопровод может содержать по меньшей мере одно впускное отверстие для введения или впрыска стандартного эталона в систему 10, такого как никотин, в целях калибровки. Поток дыма обычно будет контролировать система или насосы согласно настоящему изобретению.
Курительная машина может быть линейной или ротационной курительной машиной. Подходящим образом, курительная машина используется для курения множества курительных изделий одновременно, так что совокупный дым от множества курительных изделий можно собрать и проанализировать. Курительные машины, подходящие для использования в настоящем изобретении, хорошо известны специалисту в данной области.
Система 10 и способ, описанные в настоящем документе, могут использоваться для выполнения анализа основного потока дыма, создаваемого курительным изделием во время испытания на курение. «Основной поток дыма» относится к дыму, который втягивается через курительное изделие и который вдыхает потребитель при использовании.
Источником атмосферы испытания может быть «устройство, генерирующее аэрозоль», представляющее собой устройство, которое взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль, для генерирования аэрозоля. Примером аэрозоля является дым. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль. Устройство, генерирующее аэрозоль, может содержать один или более компонентов, подходящих для генерирования аэрозоля из субстрата, генерирующего аэрозоль. Устройство, генерирующее аэрозоль, может представлять собой электрически нагреваемое устройство, генерирующее аэрозоль, которое представляет собой устройство, генерирующее аэрозоль, содержащее нагреватель, который за счет подачи электропитания нагревает субстрат, образующий аэрозоль, изделия, генерирующего аэрозоль, для генерирования аэрозоля. Устройство, генерирующее аэрозоль может представлять собой нагреваемое газом устройство, генерирующее аэрозоль, устройство, нагреваемое углеродсодержащим источником тепла, другой экзотермической химической реакцией, или теплопоглощающим устройством. Другие способы, подходящие для генерирования аэрозоля, хорошо известны в данной области техники. Устройство, генерирующее аэрозоль, может представлять собой устройство, которое взаимодействует с субстратом, образующим аэрозоль, изделия, генерирующего аэрозоль, с генерированием аэрозоля, который может непосредственно вдыхаться в легкие пользователя через рот пользователя.
Другим примером «устройства, генерирующего аэрозоль» является приспособление для ингаляций (ингалятор), который обычно используют для доставки аэрозоля, содержащего активный ингредиент, такой как соединение с активным медицинским эффектом. Такое приспособление для ингаляции обычно используют для доставки аэрозольных медикаментов в дыхательные пути. Они могут использоваться для лечения респираторных и других заболеваний. Такие ингаляторы хорошо известны в данной области техники и обычно относятся к типу, распыляющему отмеренные дозы под давлением, к типу, распыляющему сухой порошок, или к небулайзерам. Обычно медикамент имеет форму находящегося под давлением состава, содержащего мелкие частицы одного или более медицинских соединений, находящихся во взвешенном состоянии в сжиженном распыляющем веществе, или форму раствора одного или более соединений, растворенных в системе из распыляющего вещества и вспомогательного растворителя. Такие составы хорошо известны в данной области техники.
В контексте данного документа термин «субстрат, образующий аэрозоль» относится к субстрату, способному высвобождать летучие соединения, которые могут образовывать аэрозоль. Такие летучие соединения могут быть высвобождены путем нагревания субстрата, образующего аэрозоль. Субстрат, образующий аэрозоль, может быть нанесен на подложку или опору путем адсорбции, нанесения покрытия, пропитки или иным способом. Субстрат, образующий аэрозоль, для удобства может быть частью изделия, генерирующего аэрозоль, или курительного изделия. В некоторых применениях субстрат, образующий аэрозоль, содержится в изделии, генерирующем аэрозоль, например, стержневидном изделии, генерирующем аэрозоль, таком как нагреваемое изделие, генерирующее аэрозоль, или нагреваемая сигарета. Изделие, генерирующее аэрозоль, имеет подходящий размер и форму для взаимодействия с устройством, генерирующим аэрозоль, с тем, чтобы обеспечить контакт субстрата, образующего аэрозоль, с нагревателем.
Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать соединения с активным медицинским эффектом или медикаменты, такие как антибиотики или противовоспалительные вещества, которые можно доставит пациенту через дыхательные пути. Многочисленные приспособления для ингаляции (ингаляторы) являются известными и их выписывают на постоянной основе для лечения различных заболеваний, связанных или не связанных с дыхательными путями.
Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать никотин. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать табак. Субстрат, образующий аэрозоль, может содержать, например, табакосодержащий материал, содержащий летучие табачные ароматические соединения, которые высвобождаются из субстрата, образующего аэрозоль, при нагреве. В некоторых вариантах осуществления субстрат, образующий аэрозоль, может содержать гомогенизированный табачный материал, например, формованный табачный лист. В контексте данного документа термин «гомогенизированный табачный материал» относится к материалу, образованному в результате агломерирования табака в виде частиц. Гомогенизированный табак может иметь форму листа. Содержание вещества для образования аэрозоля в гомогенизированном табачном материале может составлять более 5% в пересчете на сухой вес. В качестве альтернативы, содержание вещества для образования аэрозоля в гомогенизированном табачном материале может составлять от 5% до 30% в пересчете на сухой вес. Листы гомогенизированного табачного материала могут быть образованы путем агломерирования табака в виде частиц, полученного путем помола или иного измельчения одного из или обоих слоев табачного листа и стеблей табачного листа. Альтернативно или дополнительно листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или более из табачной пыли, табачной мелочи и других сыпучих табачных побочных продуктов, образующихся, например, при обработке, перемещении и отгрузке табака. Листы гомогенизированного табачного материала могут содержать одно или более внутренних связующих, то есть табачных эндогенных связующих, одно или более внешних связующих, то есть табачных экзогенных связующих, или их комбинацию, чтобы способствовать агломерации сыпучего табака; альтернативно или дополнительно листы гомогенизированного табачного материала могут содержать другие добавки, включая, но без ограничения, табачные и нетабачные волокна, вещества для образования аэрозоля, увлажнители, пластификаторы, ароматизаторы, наполнители, водные и неводные растворители и их комбинации.
Культуры клеток
Культуры клеток для использования в настоящем изобретении включают в себя 2-мерные и 3-мерные культуры клеток. Как описано в настоящем документе, культура клеток будет, в общем, содержаться или культивироваться в одном или более модулях одного или более насосов и/или соединительной конструкции. Культуру клеток будут подвергать воздействию атмосферы испытания, так чтобы можно было определить влияние атмосферы испытания на культуру клеток. Соответственно две или более культур клеток будут находиться в разных местах вокруг одного или более насосов, и/или соединительной конструкции, и/или системы, так чтобы можно было определить влияние атмосферы испытания на культуры клеток в этих разных местоположениях, которые имитируют дыхательные пути. 2-мерные культуры клеток включают в себя выращивание клеток в плоских слоях на пластиковых поверхностях, что позволяет изучать несколько аспектов клеточной физиологии и ответные реакции на стимулы, такие как атмосфера(-ы) испытания, но они не отражают реальной структуры и архитектуры органа. В 2-мерных монослоях внеклеточный матрикс, межклеточные взаимодействия и взаимодействия клеток с матриксом, которые являются существенными для дифференцировки, пролиферации и клеточных функций, утрачиваются. В 3-мерных системах для культивирования может образовываться функциональная ткань с характерными особенностями, сходными с наблюдаемыми in vivo. По сравнению с 2-мерными системами культивирования 3-мерное культивирование клеток обеспечивает взаимодействие клеток с их окружающей средой во всех трех измерениях и является физиологически более значимой. Такие клетки могут демонстрировать улучшения в отношении жизнеспособности, пролиферации, дифференцировки, морфологических характеристик, реакции на раздражители, метаболизма лекарственных средств, экспрессии генов и синтеза белка и т. п. 3-мерная культура клеток может обеспечить получение специфических тканеподобных структур и имитацию функций и реакций настоящих тканей таким образом, который является более физиологически релевантным, чем в традиционных 2-мерных клеточных монослоях. Коммерчески доступными являются несколько 3-мерных тканей, имитирующих органы человека. Например, 3-мерные органотипические ткани легкого, которые представляют особый интерес в контексте настоящего изобретения, можно получать с применением первичных клеток человека, выращиваемых на границе раздела жидкой и воздушной сред (ALI), где эти клетки будут дифференцироваться и образовывать функциональную ткань. Эти 3-мерные ткани по морфологическим и метаболическим характеристикам имеют близкое сходство с бронхиальными тканями человека. Они состоят из базальных, бокаловидных и реснитчатых клеток, расположенных в виде псевдомногослойной структуры. Подобно легкому, присутствуют активно бьющиеся реснички, позволяющие изучать их функцию и активность. В этих 3-мерных ALI-культурах были обнаружены сходные уровни мРНК, кодирующей ферменты, метаболизирующие ксенобиотики, по сравнению с легкими человека. Кроме того, эти ткани можно поддерживать in vitro в течение продолжительного периода времени. Эта 3-мерная модель ткани легкого является подходящей моделью для исследования влияний атмосфер испытания и т. п. согласно настоящему изобретению.
Термин «3-мерная культура клеток» включает в себя любой способ, обеспечивающий культуру клетки в 3 измерениях, с применением или без применения матрицы или подложки. Был разработан ряд разных способов 3-мерного культивирования клеток, в том числе сфероидные культуры и органотипические культуры.
Сфероиды
Термин «сфероид» предполагает значение, обычно понимаемое в данной области техники, которое представлено одиночной клеткой, делящейся с образованием 3-мерной шарообразной структуры, либо 3-мерным агрегатом нескольких клеток с применением или без применения матрицы или подложки для поддержания роста клеток в 3 измерениях в сфероиде. 3-мерный сфероид может представлять собой адгезивный сфероид или сфероид, растущий в суспензии. Для использования в настоящем изобретении доступно несколько разных систем для культивирования сфероидов, в том числе сфероидов, растущих в виде агрегатов, например, на планшетах NanoCulture, в суспензионной культуре, на гелях, на пластмассовом материале, покрытом поли-HEMA, посредством инкапсуляции клеток или в виде агрегатов с помощью системы «висячей капли». Другие способы включают применение флаконов с перемешиванием, ротационных систем, способов с применением планшетов с вогнутыми лунками и культивирования в жидкой среде в неадгезивных условиях. Биореакторы также можно адаптировать для применения в 3-мерной сфероидной культуре клеток. В одном варианте осуществления применяемый способ представляет собой систему «висячей капли», такую как система «висячей капли» GravityPLUS (InSphero). Этот способ предусматривает применение планшета GravityTRAP ULA, который является титрационным микропланшетом с неадгезивным покрытием, предназначенным для получения сфероидов. Созревание сфероида, как правило, происходит в течение 2-5 дней после посева в зависимости от типа клеток и условий культивирования. Сфероиды предпочтительно культивируют в объеме 100 мкл или больше, или 200 мкл или больше, или 300 мкл или больше. Сфероиды предпочтительно культивируют в микропланшетах Corning® для сфероидов.
Матрицы или подложки для 3-мерного культивирования клеток можно применять для культивирования сфероидов. Они часто представляют собой пористые субстраты, которые могут поддерживать рост и дифференцировку клеток в 3 измерениях. Были разработаны разнообразные материалы для получения 3-мерных подложек, различающиеся по внешнему виду, пористости, проницаемости, механическим характеристикам и наномасштабным морфологическим характеристикам поверхности. Примеры таких материалов включают коллагеновые гели, губчатые материалы или биогели; фибрин; фибронектин; ламинин; альгинаты, гидрогели; сшитый гликозаминогликан; полимерные подложки, синтетические подложки; пептидные подложки и хитозановые композитные подложки.
3-мерные сфероиды более близко напоминают ткань in vivo в том, что касается их клеточной коммуникации и формирования внеклеточных матриксов. Эти матриксы помогают клеткам перемещаться в пределах сфероида подобно тому, как клетки перемещаются в живой ткани. Таким образом, сфероиды представляют собой намного улучшенные модели дифференцировки, выживания, миграции клеток, поляризации клеток, экспрессии генов и роста.
Сфероиды можно собирать и изучать с помощью различных способов, хорошо известных из уровня техники, в том числе колориметрического, флуоресцентного и люминесцентного анализов с измерениями с помощью планшета-ридера, или их можно без труда наблюдать с помощью микроскопии. Дополнительные методики включают вестерн-, нозерн- или саузерн-блоттинг, гистологические методики (например, иммуногистохимический анализ, гибридизацию in situ, иммунофлуоресценцию) и т. п. Также рассматривается применение способов оптической визуализации, таких как методики инвертированной светлопольной микроскопии, флуоресцентной микроскопии, однофотонной эмиссионной компьютерной томографии (SPECT), позитронно-эмиссионной томографии (PET), магнитно-резонансной визуализации (MRI) и люминесцентной визуализации по методу Черенкова (CLI).
Пути применения 3-мерных сфероидов включают изучение пролиферации клеток и тканей in vitro в среде, которая наиболее приближена к обнаруживаемой in vivo, скрининг соединений и атмосфер испытания, токсикологические анализы и клинические испытания и т. п.
Применение сфероидов в 3-мерном культивировании клеток в целом рассмотрено в Expert Opin. Drug Discov. (2015) 10, 519-540. In vitro сфероидные клетки легкого могут распространяться в большом количестве и могут образовывать структуры, подобные альвеолам, и приобретать зрелые фенотипы легочного эпителия.
Источники клеток
Легочные клетки и линии клеток для применения в настоящем изобретении можно выделять из ткани или жидкости с помощью способов, хорошо известных из уровня техники. Их можно получить в результате дифференцировки из стволовых клеток, таких как эмбриональные стволовые клетки или индуцированные плюрипотентные стволовые клетки, или непосредственно получить в результате дифференцировки из соматических клеток. Клетки и линии клеток могут быть получены от субъектов-людей или субъектов-животных или из клеток человека или животного, в том числе любого из совокупности видов млекопитающих, предпочтительно человека, но в том числе крысы, мыши, свиньи, кролика и приматов, отличных от человека, и т. п., или происходить из них. Клетки и линии клеток можно получать из коммерческих источников. В некоторых вариантах осуществления желательно использовать человеческие клетки.
Одним типом клеток, представляющим интерес, являются клетки легкого, в том числе клетки легочного эпителия. Клетки бронхиального эпителия и/или эпителия дыхательных путей являются особенно применимыми в настоящем изобретении. Клетки бронхиального эпителия человека можно собирать посредством браш-биопсии легких донора в ходе процедуры бронхоскопии. В одном варианте осуществления клетки легкого представляют собой нормальные клетки бронхиального эпителия человека (NHBE). Клетки легочного эпителия можно культивировать в виде монослоя недифференцированных клеток, или из них можно дополнительно сформировать органотипическую ткань, подобную легочному эпителию, на границе раздела жидкой и воздушной сред. Можно получать установившиеся линии клеток на границе раздела жидкой и воздушной сред с помощью следующей методики. Вкратце, клетки эпителия можно культивировать во флаконе для увеличения числа клеток. После периода инкубирования клетки отделяют от флакона, подсчитывают и высевают на вкладыши. На этих вкладышах клетки инкубируют со средой на апикальной и базальной сторонах. В этой фазе обеспечивается то, что клетки будут делиться и полностью покроют вкладыш с образованием эпителия. Затем среду с апикальной стороны удаляют, среду с базальной стороны сохраняют и заменяют более полной средой. Культуры инкубируют таким образом в течение дополнительного периода времени. За это время клетки дифференцируются в 3 типа клеток: базальные, бокаловидные и реснитчатые клетки. В конце созревания культуры готовы к применению. Применение границы раздела жидкой и воздушной сред для культивирования клеток эпителия носовой полости человека описано в J Vis Exp. 2013; (80): 50646.
Клетки легочного эпителия можно получать от субъектов-людей или субъектов-животных с разными патологиями, в том числе субъектов, классифицированных как курящие или некурящие.
Микродатчики
Было разработано и описано множество микродатчиков. Например, Routkevitch et al (NSTI-nanotech 2005 ISBN 0-9767954-1-4; том 2) предоставляет обзор платформ с наноструктурными микродатчиками для газов на основе наноструктурной алюмооксидной керамики. В качестве еще одного примера, Nigam и Shukla (J. Microbiol. Biotechnol. (2015), 25(11), 1773-1781) изучают обнаружение, количественное определение и деградацию или преобразование атмосферных органических и неорганических загрязнителей с использованием микробиологических биодатчиков. Биодатчики содержат одноклеточные микроорганизмы, такие как бактерии, грибки и сине-зеленые водоросли и ферменты, и рассматриваются в Appl. Biochem. Biotechnol. (2015) 175, 3093-3119. Доступны различные типы биодатчиков, таких как биодатчики на основе ферментов, которые могут быть основаны на измерениях ингибирования действия ферментов или на прямом измерении соединений, вовлеченных в ферментативную реакцию. Другие примеры биодатчиков могут включать применение аптамеров, полимеров с молекулярными отпечатками, биочипов или нанотехнологии, или их комбинации.
Биодатчики, основанные на полимерах с молекулярными отпечатками, могут специфически связываться с целевыми составляющими аэрозоля(-ей) для испытания. Целевые составляющие могут представлять собой маркерные соединения, которые присутствуют в аэрозоле(-ях) для испытания в известных количествах, такие как никотин в табачном дыме, и тем самым позволяют рассчитать общее осаждение массы аэрозоля в модели дыхательных путей. В качестве альтернативы, токсикологически активные или биологически активные соединения могут быть целевыми, например, во время отслеживания окружающей среды. В частности, целевыми могут быть токсические аэрозольные соединения, такие как полиароматические углеводороды, или при разработке терапевтических аэрозолей фармакологически активные составляющие аэрозоля, например, кортикостероиды, такие как будесонид, используемые для лечения астмы.
При необходимости микродатчики могут быть размещены, например, в перфорированной конструкции или модели дыхательных путей, или комбинации, например, в разветвленных каналах перфорированной конструкции. В качестве примера, часть или весь из одного или более разветвленных каналов содержат по меньшей мере один микродатчик для отслеживания условий в структуре или зонд для отбора проб газа или для определения характеристик газа. В качестве дополнительного примера, один или более разветвленных каналов могут содержать одно или более отверстий, способных принимать один или более модулей для содержания микродатчика для отслеживания условий в конструкции. В качестве дополнительного примера, микродатчик(-и) можно размещать в месте, где присутствуют клеточные культуры, например, в одной или более из вставок для воздействия или на них, либо в одном или более из зондов или на них, либо в одном или более из микровесов на кристалле кварца или на них, либо в одном или более держателях, связанных с ними, или на них. В любом случае, следует понимать, что целевые химические соединения и выбранный микродатчик будут зависеть от аэрозоля, подвергающегося испытанию.
Исследования
Настоящее изобретение может быть использовано для различных применений с целью изучения влияния атмосферы (атмосфер) испытания на модель дыхательных путей. Например, настоящее изобретение может быть использовано при изучении in vitro ингаляционной токсикологии, исследовании динамики аэрозоля в дыхательных путях (например, осаждение частиц аэрозоля и абсорбирования газов в культуры клеток) или исследовании метаболической активности или транспортировки атмосферы (атмосфер) испытания (например, молекул аэрозоля) через эпителий дыхательных путей. Настоящее изобретение может быть использовано для испытания влияния аэрозоля(-ей), дыма или табачных изделий или влияния ингаляторов, таких как медицинские ингаляторы. Настоящее изобретение может быть использовано для испытания влияния аэрозоля(-ей), дыма или табачных изделий или влияния медицинских ингаляторов на клетки одной или более частей дыхательных путей.
Один аспект относится к способу определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток, такую как одна или более культур клеток, и/или один или более микродатчик, содержащиеся в модели дыхательных путей, включающему следующие этапы: (a) обеспечение системы, описанной в настоящем документе, причем система содержит культуру клеток и/или микродатчик(-и) в одном или более модулях; и (b) сравнение культуры клеток и/или микродатчика(-ов) до и/или после воздействия атмосферы испытания, при этом разница между культурой клеток и/или микродатчиком(-ами) до и/или после воздействия на клетки атмосферы испытания является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток и/или микродатчик(-и).
В варианте осуществления, в котором отличие в культуре клеток и/или микродатчике(-ах) определяют после воздействия атмосферы испытания на клетки и/или микродатчик(-и), культуру клеток и/или микродатчик(-и), подвергаемые воздействию атмосферы испытания, можно сравнить с культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), которые не были подвержены воздействию атмосферы испытания, или с культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), которые подвергаются воздействию контрольной атмосферы, такой как атмосфера, не содержащая атмосферу испытания. Согласно этому варианту осуществления различие между культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), подвергаемыми воздействию атмосферы испытания, и культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), не подвергаемыми воздействию атмосферы испытания, или различие между культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), подвергаемыми воздействию атмосферы испытания, и культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), подвергаемыми воздействию контрольной атмосферы, такой как атмосфера, не содержащая атмосферу испытания, является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток и/или микродатчик(-и).
Другой аспект относится к способу моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей в системе, описанной в настоящем документе, включающему следующие этапы: (a) при открытом первом клапане первого насоса и закрытом втором клапане первого насоса обеспечение газа, содержащего атмосферу испытания, в первом насосе через первый проход; (b) закрывание первого клапана и открывание второго клапана первого насоса и закрывание клапанов на пластине поршня первого насоса; (c) приведение в действие второго насоса для втягивания атмосферы испытания в соединительную конструкцию и продувание камеры первого насоса и соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) открывание первого клапана первого насоса в направлении окружающего воздуха и создание герметичного соединения между первым проходом и вторым проходом первого насоса; и (e) через определенный период времени использование второго насоса для смещения атмосферы испытания через соединительную конструкцию и через первый клапан первого насоса.
Другой аспект относится к способу определения влияния атмосферы испытания на модель дыхательных путей в системе, описанной в настоящем документе, включающему следующие этапы: (a) обеспечение при открытом первом клапане первого насоса и закрытом втором клапане первого насоса газа, содержащего атмосферу испытания, в первом насосе через первый проход; (b) закрывание первого клапана и открывание второго клапана первого насоса и закрывание клапанов на пластине поршня первого насоса; (c) приведение в действие второго насоса для втягивания атмосферы испытания через соединительную конструкцию и продувание камеры первого насоса и соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) открывание первого клапана первого насоса в направлении окружающего воздуха и создание герметичного соединения между первым проходом и вторым проходом первого насоса; и (e) использование через определенный период времени второго насоса для смещения атмосферы испытания через соединительную конструкцию и через первый клапан первого насоса; при этом атмосфера испытания вступает в контакт с культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), расположенными в одном или более модулях, расположенных в первом насосе, или соединительной конструкции, или втором насосе, или в сочетании двух или более из них, и указанный способ включает дополнительный этап определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток и/или микродатчик(-и), при этом отличие культуры клеток и/или микродатчика(-ов) до и/или после воздействия атмосферы испытания является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток и/или микродатчик(-и).
В варианте осуществления, в котором отличие в культуре клеток и/или микродатчике(-ах) определяют после воздействия атмосферы испытания на клетки, культуру клеток и/или микродатчик(-и), подвергаемые воздействию атмосферы испытания, можно сравнить с культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), которые не были подвержены воздействию атмосферы испытания, или с культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), которые подвергаются воздействию контрольной атмосферы, такой как атмосфера, не содержащая атмосферу испытания. Согласно этому варианту осуществления различие между культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), подвергаемыми воздействию атмосферы испытания, и культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), не подвергаемыми воздействию атмосферы испытания, или различие между культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), подвергаемыми воздействию атмосферы испытания, и культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), подвергаемыми воздействию контрольной атмосферы, такой как атмосфера, не содержащая атмосферу испытания, является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток и/или микродатчик(-и).
Дополнительный аспект относится к способу моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, включающему следующие этапы: (a) обеспечение атмосферы испытания в камере первого насоса; (b) отведение атмосферы испытания из первого насоса в соединительную конструкцию, соединяющую первый насос со вторым насосом; (c) продувание первого насоса и по меньшей мере части соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) удерживание атмосферы испытания во втором насосе и соединительной конструкции в течение определенного периода времени; (e) смещение атмосферы испытания в соединительную конструкцию и первый насос с помощью второго насоса; и (f) выполнение одного или более циклов накачивания окружающего воздуха во второй насос; при этом атмосфера испытания вступает в контакт с культурой клеток, расположенной в первом насосе или соединительной конструкции, или втором насосе, или сочетании двух или более из них.
Дополнительный аспект относится к способу определения влияния атмосферы испытания на модель дыхательных путей, включающему следующие этапы: (a) обеспечение атмосферы испытания в камере первого насоса; (b) отведение атмосферы испытания из первого насоса в соединительную конструкцию, соединяющую первый насос со вторым насосом; (c) продувание первого насоса и по меньшей мере части соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) удерживание атмосферы испытания во втором насосе и соединительной конструкции в течение определенного периода времени; (e) смещение атмосферы испытания через соединительную конструкцию и первый насос с помощью второго насоса; и (f) выполнение одного или более циклов накачивания окружающего воздуха во второй насос; при этом атмосфера испытания вступает в контакт с культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), расположенными в одном или более модулях, расположенных в первом насосе, или соединительной конструкции, или втором насосе, или сочетании двух или более из них, и указанный способ включает дополнительный этап определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток и/или микродатчик(-и), при этом отличие культуры клеток и/или микродатчика(-ов) до и/или после воздействия атмосферы испытания является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток и/или микродатчик(-и). В варианте осуществления, в котором отличие в культуре клеток и/или микродатчике(-ах) определяют после воздействия атмосферы испытания на клетки и/или микродатчик(-и), культуру клеток и/или микродатчик(-и), подвергаемые воздействию атмосферы испытания, можно сравнить с культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), которые не были подвержены воздействию атмосферы испытания, или с культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), которые подвергаются воздействию контрольной атмосферы, такой как атмосфера, не содержащая атмосферу испытания. Согласно этому варианту осуществления различие между культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), подвергаемыми воздействию атмосферы испытания, и культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), не подвергаемыми воздействию атмосферы испытания, или различие между культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), подвергаемыми воздействию атмосферы испытания, и культурой клеток и/или микродатчиком(-ами), подвергаемыми воздействию контрольной атмосферы, такой как атмосфера, не содержащая атмосферу испытания, является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток и/или микродатчик(-и).
Влияние атмосферы (атмосфер) испытания могут быть изучены в присутствии одного или более средств. Средство (средства) может включать без ограничения лекарственное средство, токсин, патоген, белок, нуклеиновую кислоту, антиген, антитело и химическое соединение, и т. д. Примеры эффектов, которые можно измерять, включают поглощение кислорода, выработку диоксида углерода, жизнеспособность клеток, экспрессию белка, активность фермента, проникновение, функцию барьера проницаемости, выработку сурфактанта, реакцию на воздействие цитокинов, функции транспортеров, экспрессию цитохрома P450, секрецию альбумина, токсикологию и т. п.
Параллельно можно проводить несколько анализов с разными концентрациями атмосферы испытания и/или средства с получением дифференциальной реакции на различные концентрации.
Средство может представлять собой любое тестируемое соединение, представляющее интерес, и включает в себя малые органические соединения, полипептиды, пептиды, относительно высокомолекулярные углеводы, полинуклеотиды, жирные кислоты и липиды, аэрозоль или один или несколько компонентов аэрозоля и т. п. Тестируемые соединения можно подвергать скринингу по отдельности или в группах или комбинаторных библиотеках соединений. Тестируемые соединения можно получать из широкого разнообразия источников, в том числе из библиотек синтетических или природных соединений. Можно применять библиотеки природных соединений в виде бактериальных, грибных, растительных и животных экстрактов. Природные или полученные синтетическим путем библиотеки и соединения, модифицированные посредством традиционных химических, физических и биохимических способов, можно применять для получения комбинаторных библиотек. Известные фармакологические средства можно подвергать направленным или случайным химическим модификациям, таким как ацилирование, алкилирование, этерификация, превращение в кислотную форму, с получением структурных аналогов для скрининга.
Одна или несколько переменных величин, которые можно измерять, включают элементы клеток, субклеточный материал, субклеточные компоненты или клеточные продукты. В качестве примера, может быть измерена токсикология атмосферы испытания. Может быть измерена динамика аэрозоля в дыхательных путях (например, осаждение аэрозольных частиц и абсорбция газов в культуры клеток). В качестве дополнительного примера, может быть изучена метаболическая активность и/или перенос молекул через эпителий дыхательных путей.
Компьютер
Также раскрыта компьютерная программа, которая при выполнении компьютером/процессором может применяться для управления компьютером с целью выполнения одного или более способов, описанных в настоящем документе.
Специалисту в данной области будет легко понятно, что этапы различных вышеописанных способов могут быть выполнены запрограммированными компьютерами. В данном контексте, предполагается, что некоторые варианты осуществления также включают в себя приспособление для хранения программ, например, цифровые накопители данных, которые могут быть прочитаны машинами или компьютерами и могут содержать выполняемые машинами или выполняемые компьютерами программные команды, при этом указанные команды выполняют один или все этапы указанных вышеописанных способов. Приспособления для хранения программ могут представлять собой, например, цифровые запоминающие устройства, магнитные накопители, такие как магнитные диски и магнитные пленки, жесткие диски или оптические носители цифровых данных. Также предполагается, что варианты осуществления включают в себя компьютеры, запрограммированные на выполнение некоторых или всех этапов вышеописанных способов.
Функции различных компонентов, включая процессоры или логические схемы, могут быть обеспечены путем использования выделенного аппаратного обеспечения, а также аппаратного обеспечения, способного выполнять программное обеспечение, в сочетании с подходящим программным обеспечением. Когда функции обеспечены процессором, они могут быть обеспечены одним выделенным процессором, одним совместно используемым процессором или множеством отдельных процессоров, некоторая часть которых может использоваться совместно. Более того, явное использование термина «процессор» или «контроллер» или «логическая схема» не должно расцениваться как относящееся исключительно к аппаратному обеспечению, способному выполнять программное обеспечение, и может неявным образом включать в себя, без ограничения, процессор цифровой обработки сигналов (DSP), сетевой процессор, специализированную интегральную схему (ASIC), программируемую пользователем вентильную матрицу (FPGA), постоянное запоминающее устройство (ROM) для хранения программного обеспечения, оперативное запоминающее устройство (RAM), и энергонезависимое устройство для хранения данных. Также может быть включено другое аппаратное обеспечение, традиционное и/или изготовленное по индивидуальному заказу. Подобным образом, все переключатели, изображенные на фигурах, являются лишь концептами. Их функцию можно выполнять путем использования программных логических компонентов, выделенных логических компонентов, путем взаимодействия программного управления и выделенного логического компонента, или даже вручную, причем конкретная методика может быть выбрана ее реализатором, как в частности можно понять из контекста.
Дополнительные аспекты настоящего изобретения изложены в следующих пронумерованных пунктах:
1. Перфорированная конструкция для применения в модели дыхательных путей, содержащая перфорированную оболочку, заключающую в себе один или более разветвленных каналов, причем каждое перфорационное отверстие представляет собой открытый конец ветви.
2. Перфорированная конструкция по пункту 1, при этом разветвление каждого канала является раздвоенным.
3. Перфорированная конструкция по пункту 1 или пункту 2, при этом диаметр каждого канала, присутствующего после n+1 последовательных точек разветвления, меньше или равен диаметру канала, присутствующего после n точек разветвления.
4. Перфорированная конструкция по любому из пунктов 1-3, при этом общая площадь поперечного сечения всех каналов, присутствующих после n+1 последовательных точек разветвления, больше или равна общей площади поперечного сечения всех каналов после n точек разветвления.
5. Перфорированная конструкция по любому из пунктов 1-4, при этом конструкция является асимметричной.
6. Перфорированная конструкция по любому из пунктов 1-4, при этом конструкция имеет радиальную симметрию.
7. Перфорированная конструкция по любому из пунктов 1-6, при этом конструкция является модульной.
8. Перфорированная конструкция по любому из пунктов 1-7, при этом вся или часть конструкции образована из одного или более материалов, выбранных из группы, включающей: непористые материалы, в том числе металлы и непористые синтетические материалы; пористые материалы, в том числе пористый силикон; гелеобразные материалы, в том числе термогели; гидрофобные материалы; гидрофильные материалы; амфифильные материалы или комбинацию двух или более из них.
9. Перфорированная конструкция по любому из пунктов 1-8, при этом еще один из разветвленных каналов дополнительно содержит одно или более покрытий на части или всей внутренней поверхности разветвленных каналов.
10. Перфорированная конструкция по пункту 9, при этом одно или более покрытий обеспечивают воду и питательные вещества для клеток, выращенных во всем или части одного или более из разветвленных каналов.
11. Перфорированная конструкция по любому из пунктов 1-10, при этом часть или весь один или более из разветвленных каналов покрыт(-а) матрицей, содержащей среду для культивирования клеток и/или по меньшей мере один микродатчик для отслеживания условий в конструкции или зонд для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
12. Перфорированная конструкция по любому из пунктов 1-11, при этом один или более из разветвленных каналов дополнительно содержат одно или более отверстий, способных принимать один или более модулей для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, или микродатчика для отслеживания условий в конструкции, или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
13. Перфорированная конструкция по пункту 11 или пункту 12, при этом среда для культивирования клеток содержит один или более гидрогелей, таких как желатин-метакрилоил (GelMa).
14. Насос для смещения объема газа, содержащий один или более разветвленных каналов, внутренних относительно насоса, при этом разветвленный(-е) канал(-ы) соединен(-ы) с проходом для приема и выпуска газа.
15. Насос по пункту 14, при этом разветвленная конструкция содержится в перфорированной конструкции по любому из пунктов 1-13.
16. Насос по пункту 14 или пункту 15, содержащий камеру, выполненную с возможностью содержания объема газа и содержащую основу и одно или более отверстий, способных принимать один или более модулей для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
17. Насос по любому из пунктов 14-16, при этом насос дополнительно содержит двигатель для управления работой насоса.
18. Система для определения взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, содержащая: (a) первый насос, содержащий: (i) камеру, выполненную с возможностью содержания первого объема газа, содержащего атмосферу испытания; (ii) первый проход, приспособленный для приема и выпуска газа и содержащий клапан для регулировки потока газа по первому проходу, причем указанный клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями, причем в открытом положении указанный клапан способен открываться в направлении атмосферы испытания или окружающего воздуха; (iii) второй проход, приспособленный для выпуска и приема газа и содержащий клапан для регулировки потока газа по второму проходу, причем указанный клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями; (iv) пластину поршня в камере, причем указанная пластина поршня содержит один или более просветов для поступления или притока газа в камеру, при этом один или более, или каждый, из просветов включают в себя клапан, способный перемещаться между открытым и закрытым положениями и способный регулировать поступление или приток газа; и (v) двигатель для управления работой первого насоса; (b) второй насос по любому из пунктов 13-16; (c) соединительную конструкцию, способную функционировать для передачи газа из первого насоса во второй насос; и (d) одно или более отверстий в первом насосе или втором насосе или стенках соединительной конструкции или сочетании двух или более из них, причем указанные отверстия способны принимать в себя модуль для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
19. Способ моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, включающий применение насоса по любому из пунктов 14-17 или системы по пункту 18.
20. Применение насоса по любому из пунктов 14-17 или системы по пункту 18 для моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей.
21. Способ определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток, содержащуюся в модели дыхательных путей, включающий применение насоса по любому из пунктов 14-17 или системы по пункту 18.
22. Применение насоса по любому из пунктов 14-17 или системы по пункту 18 для определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток, содержащуюся в модели дыхательных путей.
23. Способ определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток, содержащуюся в модели дыхательных путей, включающий: (a) обеспечение насоса по любому из пунктов 14-17 или системы по пункту 18, причем насос или система содержит культуру клеток и/или по меньшей мере один микродатчик в одном или более модулях; и (b) сравнение культуры клеток и/или по меньшей мере одного микродатчика до и/или после воздействия атмосферы испытания, при этом разница между культурой клеток и/или по меньшей мере одним микродатчиком до и/или после воздействия атмосферы испытания на клетки и/или по меньшей мере один микродатчик является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток и/или по меньшей мере один микродатчик.
24. Способ моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей в системе по пункту 18, включающий: (a) при открытом первом клапане первого насоса и закрытом втором клапане первого насоса обеспечение газа, содержащего атмосферу испытания, в первом насосе через первый проход; (b) закрывание первого клапана и открывание второго клапана первого насоса и закрывание клапанов на пластине поршня первого насоса; (c) приведение в действие второго насоса для втягивания атмосферы испытания в соединительную конструкцию и продувание камеры первого насоса и соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) открывание первого клапана первого насоса в направлении окружающего воздуха и создание герметичного соединения между первым проходом и вторым проходом первого насоса; и (e) после определенного периода времени использование второго насоса для смещения атмосферы испытания через соединительную конструкцию и через первый клапан первого насоса.
25. Способ определения влияния атмосферы испытания на модель дыхательных путей в системе по пункту 18, включающий: (a) при открытом первом клапане первого насоса и закрытом втором клапане первого насоса обеспечение газа, содержащего атмосферу испытания, в первом насосе через первый проход; (b) закрывание первого клапана и открывание второго клапана первого насоса и закрывание клапанов на пластине поршня первого насоса; (c) приведение в действие второго насоса для втягивания атмосферы испытания через соединительную конструкцию и продувание камеры первого насоса и соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) открывание первого клапана первого насоса в направлении окружающего воздуха и создание герметичного соединения между первым проходом и вторым проходом первого насоса; и (e) после определенного периода времени использование второго насоса для смещения атмосферы испытания через соединительную конструкцию и через первый клапан первого насоса; при этом атмосфера испытания вступает в контакт с матрицей, содержащей культуру клеток, и/или по меньшей мере одним микродатчиком, расположенными в одном или более модулях, расположенных в первом насосе, или соединительной конструкции, или втором насосе, или сочетании двух или более из них, и указанный способ включает дополнительный этап определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток и/или микродатчик, при этом отличие культуры клеток и/или микродатчика до и/или после воздействия атмосферы испытания является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток и/или микродатчик.
26. Способ моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, включающий: (a) обеспечение атмосферы испытания в камере первого насоса; (b) отведение атмосферы испытания из первого насоса в соединительную конструкцию, соединяющую первый насос со вторым насосом, при этом второй насос представляет собой насос по любому из пунктов 14-17; (c) продувание первого насоса и по меньшей мере части соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) удерживание атмосферы испытания во втором насосе и соединительной конструкции в течение определенного периода времени; (e) смещение атмосферы испытания в соединительную конструкцию и первый насос с использованием второго насоса; и (f) выполнение одного или более циклов накачивания окружающего воздуха во второй насос; при этом атмосфера испытания вступает в контакт с матрицей, содержащей культуру клеток, и/или по меньшей мере одним микродатчиком, расположенными в первом насосе, или соединительной конструкции, или втором насосе, или сочетании двух или более из них.
27. Способ определения влияния атмосферы испытания на модель дыхательных путей, включающий: (a) обеспечение атмосферы испытания в камере первого насоса; (b) отведение атмосферы испытания из первого насоса в соединительную конструкцию, соединяющую первый насос со вторым насосом, причем второй насос представляет собой насос по любому из пунктов 14-17; (c) продувание первого насоса и по меньшей мере части соединительной конструкции окружающим воздухом; (d) удерживание атмосферы испытания во втором насосе и соединительной конструкции в течение определенного периода времени; (e) смещение атмосферы испытания через соединительную конструкцию и первый насос с использованием второго насоса; и (f) выполнение одного или более циклов накачивания окружающего воздуха во второй насос; при этом атмосфера испытания вступает в контакт с матрицей, содержащей культуру клеток, и/или по меньшей мере одним микродатчиком, расположенными в одном или более модулях, расположенных в первом насосе, или соединительной конструкции, или втором насосе, или сочетании двух или более из них, и указанный способ включает дополнительный этап определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток и/или микродатчик, при этом отличие культуры клеток до и/или после воздействия атмосферы испытания является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток и/или микродатчик.
28. Устройство, выполненное с возможностью или приспособленное для осуществления способа по пункту 26 или пункту 27.
29. Способ изготовления перфорированной конструкции по любому из пунктов 1-13, включающий: (i) внедрение одного или более разветвленных каналов, каждый из которых содержит открытый конец, в материале, подходящем для формирования перфорированной конструкции; и (ii) удаление отливки из одного или более разветвленных каналов из материала.
30. Способ по пункту 29, при этом перфорированную конструкцию изготавливают, по меньшей мере частично, посредством трехмерной печати.
31. Способ по пункту 29, при этом перфорированную конструкцию образуют путем формования.
32. Способ по пункту 29, при этом перфорированную конструкцию отливают из шаблона.
33. Способ по любому из пунктов 29-32, при этом перфорированная конструкция i) по существу имитирует разветвляющуюся структуру бронхиальных воздухоносных путей млекопитающих, ii) представляет собой идеализированную разветвляющуюся структуру или iii) представляет собой комбинацию i) и ii).
В данном документе раскрыто in vitro моделирование влияния in vivo воздухоносных путей в отношении свойств аэрозоля, имеющих отношение к области ингаляционной токсикологии, ингаляционной терапии, и для оценки ингаляционных потребительских продуктов. Кроме того, он может служить в качестве экспериментальной модели для определения in vivo аэрозольной дозиметрии в дыхательных путях в стабильных, хорошо изученных, воспроизводимых и некритических с этической точки зрения условиях. Можно определить значение фундаментальных исследований, поскольку модели воздухоносных путей, как описано в данном документе, могут служить в качестве надежной модели для изучения динамик аэрозоля в дыхательных путях или в структуре аналогичной сложности и, следовательно, могут способствовать пониманию дыхательных органов и динамики аэрозолей в таких сложных структурах.
Любая публикация, цитируемая или описанная в данном документе, предоставляет соответствующую информацию, раскрытую до даты подачи настоящей заявки. Заявления, сделанные в данном документе, не должны быть истолкованы как признание того, что авторы настоящего изобретения не имеют оснований для его противопоставления таким раскрытиям как более раннего. Все публикации, упомянутые в вышеприведенном описании, включены в данный документ посредством ссылки. Различные модификации и варианты настоящего изобретения будут очевидны специалистам в данной области техники без отступления от объема и сущности настоящего изобретения. Несмотря на то, что настоящее изобретение описано применительно к конкретным предпочтительным вариантам осуществления, следует понимать, что заявленное изобретение не должно неправомерно ограничиваться такими конкретными вариантами осуществления. Действительно, различные модификации описанных вариантов осуществления настоящего изобретения, которые очевидны специалистам в соответствующей области техники, должны быть включены в объем представленной ниже формулы изобретения.
Заявленная группа изобретений относится к медицинской технике. Перфорированная конструкция для применения с моделью дыхательных путей содержит перфорированную оболочку, содержащую одно или более перфорационных отверстий и заключающую в себе один или более разветвленных каналов. Каждое перфорационное отверстие представляет собой открытый конец упомянутых одного или более разветвленных каналов. Разветвленные каналы содержат одно или более покрытий на части или всей внутренней поверхности разветвленных каналов. Покрытие представляет собой среду для культивирования клеток. Раскрыты насос для смещения объема газа в модели дыхательных путей, система для определения взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, варианты способа моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей и варианты способа определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток, содержащуюся в модели дыхательных путей. Технический результат состоит в обеспечении изучения дыхательных путей в системе, которая содержит сложную модель воздухоносных путей. 8 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.
1. Перфорированная конструкция для применения с моделью дыхательных путей, содержащая перфорированную оболочку, содержащую одно или более перфорационных отверстий и заключающую в себе один или более разветвленных каналов, причем каждое перфорационное отверстие представляет собой открытый конец упомянутых одного или более разветвленных каналов, и при этом упомянутые один или более из разветвленных каналов содержат одно или более покрытий на части или всей внутренней поверхности разветвленных каналов, при этом покрытие представляет собой среду для культивирования клеток.
2. Перфорированная конструкция по п. 1, в которой разветвление каждого канала является раздвоенным.
3. Перфорированная конструкция по п. 1 или 2, в которой диаметр каждого канала, присутствующего после n+1 последовательных точек разветвления, меньше или равен диаметру канала, присутствующего после n точек разветвления.
4. Перфорированная конструкция по любому из предыдущих пунктов, в которой общая площадь поперечного сечения всех каналов, присутствующих после n+1 последовательных точек разветвления, больше или равна общей площади поперечного сечения всех каналов после n точек разветвления; предпочтительно при этом конструкция является асимметричной или при этом конструкция имеет радиальную симметрию.
5. Перфорированная конструкция по любому из предыдущих пунктов, при этом конструкция является модульной; и/или
при этом вся или часть конструкции образована из одного или более материалов, выбранных из группы, включающей: непористые материалы, в том числе металлы и непористые синтетические материалы; пористые материалы, в том числе пористый силикон; гелеобразные материалы, в том числе термогели; гидрофобные материалы; гидрофильные материалы; амфифильные материалы или комбинацию двух или более из них; и/или
при этом упомянутая среда для культивирования клеток обеспечивает воду и питательные вещества для клеток, выращиваемых во всем или части одного или более из разветвленных каналов; и/или
при этом часть или весь один или более из разветвленных каналов покрыты матрицей, содержащей среду для культивирования клеток, и/или содержат по меньшей мере один микродатчик для отслеживания условий в конструкции или зонд для отбора проб газа или для определения характеристик газа; и/или
при этом один или более из разветвленных каналов дополнительно содержит одно или более отверстий, способных принимать один или более модулей для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, или микродатчика для отслеживания условий в конструкции или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
6. Перфорированная конструкция по любому предыдущему пункту, в которой весь или часть одного или более из разветвленных каналов содержит культивируемые клетки.
7. Перфорированная конструкция по п. 6, в которой клетки представляют собой клетки легочного эпителия.
8. Насос для смещения объема газа в модели дыхательных путей, содержащей перфорированную конструкцию по любому предыдущему пункту, при этом насос содержит проход для приема и выпуска газа, и при этом упомянутые один или более разветвленных каналов перфорированной конструкции соединены с упомянутым проходом насоса.
9. Насос по п. 8, при этом насос содержит камеру, выполненную с возможностью содержания объема газа и содержащую основу и одно или более отверстий, способных принимать один или более модулей для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа; и/или
при этом насос дополнительно содержит двигатель для управления работой насоса.
10. Система для определения взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, содержащая:
(a) первый насос, содержащий:
(i) камеру, выполненную с возможностью содержания первого объема газа, содержащего атмосферу испытания;
(ii) первый проход, приспособленный для приема и выпуска газа и содержащий клапан для регулировки потока газа по первому проходу, причем упомянутый клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями, при этом в открытом положении упомянутый клапан способен открываться в направлении атмосферы испытания или окружающего воздуха;
(iii) второй проход, приспособленный для выпуска и приема газа и содержащий клапан для регулировки потока газа по второму проходу, причем упомянутый клапан способен перемещаться между открытым и закрытым положениями;
(iv) пластину поршня в камере, причем упомянутая пластина поршня содержит один или более просветов для притока газа в камеру, при этом один или более, или каждый, из просветов включают в себя клапан, способный перемещаться между открытым и закрытым положениями и способный регулировать приток газа; и
(v) двигатель для управления работой первого насоса;
(b) второй насос, причем второй насос является таким, как охарактеризованный в п. 8 или 9;
(c) соединительную конструкцию, способную функционировать для передачи газа из первого насоса во второй насос; и
(d) одно или более отверстий в первом насосе или втором насосе, или стенках соединительной конструкции, или сочетании двух или более из них, причем упомянутые отверстия способны принимать модуль для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
11. Способ моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, включающий применение насоса по п. 9, при этом насос содержит один или более модулей в основе камеры для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
12. Способ моделирования взаимодействия между атмосферой испытания и моделью дыхательных путей, включающий применение системы по п. 10, при этом первый насос, второй насос или стенки соединительной конструкции содержат один или более модулей для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
13. Способ определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток, содержащуюся в модели дыхательных путей, включающий применение насоса по п. 9, при этом насос содержит один или более модулей для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
14. Способ определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток, содержащуюся в модели дыхательных путей, включающий применение системы по п. 10, при этом первый насос, второй насос или стенки соединительной конструкции содержат один или более модулей для содержания матрицы, содержащей среду для культивирования клеток, и/или по меньшей мере одного микродатчика для отслеживания условий в камере или зонда для отбора проб газа или для определения характеристик газа.
15. Способ определения влияния атмосферы испытания на культуру клеток, содержащуюся в модели дыхательных путей, включающий:
(a) обеспечение насоса по п. 8 или 9 или системы по п. 10, причем перфорированная конструкция насоса или системы содержит культуру клеток и/или по меньшей мере один микродатчик в одном или более из модулей; и
(b) сравнение культуры клеток и/или упомянутого по меньшей мере одного микродатчика до и/или после воздействия атмосферы испытания, при этом разница между культурой клеток и/или упомянутым по меньшей мере одним микродатчиком до и/или после воздействия атмосферы испытания на клетки и/или упомянутый по меньшей мере один микродатчик является показателем того, что атмосфера испытания влияет на культуру клеток и/или упомянутый по меньшей мере один микродатчик.
| US 4167070 A1, 19.11.1971 | |||
| RU 126703 U1, 10.04.2013 | |||
| WO 2018075543 A1, 26.04.2018 | |||
| US 5597310 A1, 28.01.1997 | |||
| US 20070065785 A1, 22.03.2007 | |||
| Способ сравнительного определения степени окисленности каменных углей, например, для целей определения границы окисленных углей в шахтах | 1946 |
|
SU69518A1 |
| МОДЕЛЬ ТРАХЕОБРОНХИАЛЬНОГО ДЕРЕВА | 1967 |
|
SU214732A1 |
| FRANK E | |||
| FRESCONI et al: Secondary Velocity Fields in the Conducting Airways of the Human Lung | |||
| Journal of Biomechanical Engineering, vol.129 no 5, 1 | |||
