Verabreichung von Therapeutika in die Atemwege - Bewertung der zugrunde liegenden Mechanismen in einem transparenten Atemwegmodell

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Christian Cornelissen; Dr.-Ing. Manuel Armin Reddemann
• Fachliche Zuordnung: Pneumologie,Thoraxchirurgie
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 394605884

Die Verabreichung von flüssigen Therapeutika (Lösungen, Suspensionen und Dispersionen) geht in Abhängigkeit der genutzten Applikationsverfahren innerhalb der Atemwege mit komplexen Transportmechanismen einher. Diese Plug-, Film- und Tropfenströmungen bestimmen maßgeblich das finale Depositionsfeld und die maximal erreichbare distale Eindringtiefe. Gleichzeitig sind Therapeutika im Drug-Delivery System durch Flüssigkeitstransports und Tropfenerzeugung unausweichlich fluidinternen Kräften ausgesetzt, die zu einer Verminderung der Gesamt-Funktionalität dieser Substanzen beitragen können. Das Depositionsfeld einerseits und die Funktionalität der verabreichten Substanzen andererseits bestimmen dabei maßgeblich das Wirkpotential des therapeutischen Ansatzes. Das im Vorgängervorhaben entwickelte transparente 23-Generationen Atemwegmodell eröffnet neue Möglichkeiten zur hochaufgelösten Untersuchung der intrapulmonalen Transportprozesse. Aus diesem Grund soll in diesem Fortsetzungsprojekt erstmals eine direkte Visualisierung und quantitative Gegenüberstellung der Fluiddynamik und Ablagerung entlang des repräsentativen Atemwegs für unterschiedliche Applikationstechniken erfolgen. Dabei sollen aktuelle Standardverfahren wie die Jet-Verneblung, die Ultraschall-Verneblung und die bronchoskopische Instillation der im Vorgängerprojekt neu-entwickelten bronchoskopischen Sprühmethode gegenübergestellt werden. Die Untersuchungen sollen für definierte Bedingungen der Applikationsmethoden sowie unterschiedliche Atemmuster erfolgen. Wesentliche Herausforderungen dieses Projektes bestehen in der Validierung des Atemwegmodells mittels Depositionsmessungen an realen Lungen und in dem Vergleich der verschiedenen Strömungsphänomene auf unterschiedlichen örtlichen und zeitlichen Skalen (u.a. der Langzeitverabreichung von feinem Aerosol-Nebel im Mikrometer-Bereich oder des kurzzeitigen Transports von Plugs, die Atemwege komplett ausfüllen). Somit erfordern die geplanten Untersuchungen einerseits komplementäre (laser-)optische Messmethoden und andererseits eine gezielte Weiterentwicklung des Atemwegmodells um eine Feuchtigkeitsregelung sowie eine neuartige Probennahmetechnik. Komplementär zu den Untersuchungen am Lungenmodell soll der Einfluss der verschiedenen Applikationsverfahren auf die Funktionalität von unterschiedlichen Therapeutikaklassen analysiert werden. Zu diesem Zweck sollen die genannten Applikationstechniken neben den bereits im Vorgängervorhaben eingesetzten Stammzellen auch mit repräsentativen Enzymen und extrazellulären Vesikeln betrieben werden und der Einfluss des Verfahrens auf deren Funktionalität offengelegt werden. Langfristig sollen die Untersuchungen in diesem Projekt einen Beitrag dazu leisten, effizientere, arzneimittelschonendere und gezieltere Applikationen von verschiedenen Therapeutika in die tiefsten Atemwegsbereichen der Lunge zu erzielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen