VCU-Forscher entwickeln erschwingliche, nicht-invasive Behandlung für RDS bei Neugeborenen

Jul 22, 2023

28. August 2023

Von Leila Ugincius

Ein Team der Virginia Commonwealth University entwickelt eine erschwingliche, nicht-invasive Behandlung des Atemnotsyndroms, die ohne die Notwendigkeit komplexer medizinischer Geräte durchgeführt werden kann, unterstützt durch einen Zuschuss der Bill & Melinda Gates Foundation in Höhe von 3 Millionen US-Dollar.

RDS tritt bei Neugeborenen auf, denen es an natürlichen Tensiden mangelt – Materialien, die die Oberflächenspannung der Flüssigkeit verringern und so den einfachen Austausch von Kohlendioxid und Sauerstoff ermöglichen, wenn sich die Lunge ausdehnt und zusammenzieht, das Blut mit Sauerstoff versorgt und die natürlichen Funktionen des Körpers erleichtert. Obwohl das derzeitige Verfahren durch externe Therapie behandelbar ist, ist es aufgrund seiner Kosten, Komplexität und Invasivität für viele Menschen, die es benötigen, unzugänglich, insbesondere für Kleinkinder in Ländern mit niedrigem und mittlerem Einkommen.

Dieses Stipendium hilft Worth Longest, Ph.D., dem Louis S. and Ruth S. Harris Exceptional Scholar Professor in der Abteilung für Maschinenbau und Nukleartechnik am College of Engineering, und seinen Kollegen bei der Entwicklung eines Tensids, das aerosolisiert werden kann und a Gerät, um es zu liefern.

Aktuelle RDS-Behandlungen umfassen die Verabreichung von Sedierung zur Intubation und die Instillation von flüssigem Surfactant in die Lunge. In Umgebungen, in denen die Verabreichung von Tensiden möglich ist, müssen Ärzte diese zusätzlichen Risikoexpositionen abwägen, bevor sie die Entscheidung treffen, Tenside zu verabreichen, selbst wenn dies wahrscheinlich von Vorteil ist. In Kombination mit dem Bedarf an Spezialgeräten, die in einer sterilen, temperaturkontrollierten Umgebung betrieben werden, wird der Zugang zu dieser lebensrettenden Behandlung aus Kostengründen, der Verfügbarkeit geeigneter Einrichtungen oder beidem unmöglich.

Dieser Bedarf veranlasste Longest, mit Michael Hindle, Ph.D., Peter R. Byron Distinguished Professor an der VCU School of Pharmacy und Rob DiBlasi, führendem klinischen Forscher und Hauptforscher am Seattle Children's Research Institute, zusammenzuarbeiten, um eine Finanzierung von den Gates zu beantragen Stiftung mit dem Ziel, eine Aerosol-Arzneimittelformulierung und einen Abgabemechanismus für ein synthetisches Lungensurfactant zu entwickeln, das mit minimaler Ausrüstung und zu angemessenen Kosten überall abgegeben werden kann.

„Einige Ärzte betrachten die Verabreichung von aerosolisierten Tensiden als offensichtlichen Bedarf in der Atemwegsversorgung von Neugeborenen“, sagte Longest. „Es wurde schon seit vielen Jahren geplant, aber aufgrund einer Reihe von Hindernissen nicht realisiert.“

Zu den Herausforderungen gehört die Bereitstellung einer wirksamen Dosierung der Aerosolformulierung. Derzeitige Trockenpulverinhalatoren benötigen mehr Luft, um effektiv zu funktionieren, als einem Säugling aufgrund ihrer geringeren Lungenkapazität verabreicht werden kann. Diese Inhalatoren sind außerdem auf etwa 1 Milligramm Medikament begrenzt, deutlich weniger als für die Behandlung mit Tensiden erforderlich ist.

Longest und Hindle werden ihr Fachwissen bei der Entwicklung von Aerosolabgabesystemen nutzen, um eine effektive Abgabemethode zu entwickeln. Mithilfe von 3D-gedruckten Modellen der oberen Atemwege kann das Team die Wirksamkeit eines Ausbreitungsmechanismus testen, um sicherzustellen, dass die Trockenpulverformulierung in der erforderlichen hohen Dosierung tief in die Lunge gelangt. Die Formulierung des Trockenpulvermedikaments, das vom Verabreichungsmechanismus des Teams verwendet wird, wird von Hindle geleitet. Dabei wird ein Schallenergiebad verwendet, um eine Kombination von Inhaltsstoffen zu vermischen, bevor die Flüssigkeit mithilfe einer Sprühtrocknungstechnik in ein Pulver umgewandelt wird, das dann zerstäubt werden kann.

Inline-Trockenpulverinhalatoren, die zuvor von den Labors Longest und Hindle entwickelt wurden, zeigen die Fähigkeit, eine ordnungsgemäße Dispersion der Pulverformulierung mit einem geringen Luftvolumen zu erreichen. Ihre Teams erhielten im Juli ein Patent für diese Technologie und wenden die gleiche Strategie auf eine Tensidformulierung an, die aerosolisiert werden kann.

„Da diese Verabreichungsmechanismen stark mit den Arzneimittelformulierungen verknüpft sind, für die sie entwickelt wurden, ist es wichtig, diese Art von Forschung gleichzeitig und iterativ durchzuführen“, sagte Longest. „Mein Labor arbeitet täglich mit Dr. Hindles Labor zusammen, um dieses und andere herausfordernde Probleme im Bereich pharmazeutischer Aerosole zu lösen.“

Derzeit wird an der Verfeinerung des Abgabemechanismus gearbeitet, gefolgt von einer Validierung mittels numerischer Strömungsmechanik und gleichzeitigen Labortests, um verschiedene Designalternativen zu untersuchen. Ziel ist ein hocheffizientes Produkt zur schnellen Aerosolabgabe, das den Blutgasspiegel eines Säuglings vollständig wiederherstellen kann und als eigenständige Therapie in weniger als einer Minute oder gleichzeitig während der nasalen CPAP-Therapie (Continuous Positive Airway Pressure) verabreicht werden kann.

Das Team wird außerdem einzigartige 3D-gedruckte Atemwegsmodelle einsetzen, die die Anatomie von Frühgeborenen nachbilden, mit dem Ziel, den Altersbereich der Behandlung und Vorbereitung für die kommerzielle Produktion zu erweitern. Gleichzeitig mit dieser Forschung wird ein größeres Sprühtrocknungssystem zur Herstellung der Trockenpulver-Tensidformel entwickelt. Die vorgeschlagenen Geräte, Strategien und Formulierungen basieren auch auf früheren und laufenden Arbeiten von Longest und Hindle, die von den National Institutes of Health finanziert werden.

„Obwohl wir eine solide Grundlage für das haben, was wir erreichen wollen, gibt es noch viel zu tun“, sagte Longest. „Dies ist ein mehrjähriges Projekt, das die Zusammenarbeit mehrerer Teams mit dem Schwerpunkt auf der Entwicklung einer für ressourcenarme Bevölkerungsgruppen zugänglichen Behandlung beinhaltet und durch Zuschüsse der Gates Foundation unterstützt wird.“

Zu den Forschern, die mit Longest zusammenarbeiten, gehören Dale Farkas und Sarah Strickler, zwei ehemalige VCU-Studenten, die im Rahmen ihres Doktoratsstudiums in Maschinenbau und Nukleartechnik an die VCU zurückkehrten. Programm. Die Zusammenarbeit mit einer etablierten Gruppe von Aerosolforschern brachte Longest auch zur VCU.

„Als Ingenieur möchte ich meine Ausbildung nutzen, um das Leben der Menschen positiv zu beeinflussen“, sagte Longest. „Viele Elemente meiner Fähigkeiten passen gut zur Behandlung von Atemwegserkrankungen, und ich kam vor fast 20 Jahren zur VCU, weil ich die Möglichkeit hatte, mit der School of Pharmacy Aerosol Group zusammenzuarbeiten, zu der auch Dr. Hindle und Peter Bryon, der jetzt im Ruhestand ist, sowie die Chance, Teil eines jungen und wachsenden Ingenieurprogramms zu sein.“

Longest ist nun Teil einer starken und etablierten Zusammenarbeit zwischen dem College of Engineering und der School of Pharmacy der VCU. Die von seinem Aerosols in Medicine Lab durchgeführte Grundlagenforschung ermöglicht die Umgestaltung bestehender Behandlungen für neue Herausforderungen, beispielsweise die Entwicklung von Produkten zur Behandlung von Frühgeborenen mit RDS in ressourcenarmen Bevölkerungsgruppen.

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