Разработана пространственная модель распределения лекарственного аэрозоля в дыхательных путях человека

Ученые Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами из Сеченовского университета и Института теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН разработали пространственную модель, которая позволяет достоверно прогнозировать, как распределяется лекарственный аэрозоль в дыхательных путях человека. Модель учитывает особенности анатомии человека и температуру его тела. Результаты опубликованы в двух статьях (статья 1, статья 2).

Ингаляция — самый распространенный способ доставки лекарств при бронхолегочных заболеваниях. При этом ее эффективность зависит от множества параметров: влажности воздуха, размера частиц аэрозоля, анатомии пациента и температуры его тела. Ранее ученые в основном изучали конденсацию аэрозольных частиц. Однако в реальной терапии пациенты могут сталкиваться с обезвоживанием, повышенной температурой и другими факторами, влияющими на качество ингаляции. В частности, повышенная температура может приводить к испарению частиц аэрозоля и, как следствие, снижать эффективность терапии в целом.

Авторы проанализировали динамику аэрозоля в проксимальных отделах дыхательных путей — от рта до бронхов третьего порядка — при различных температурах воздуха и аэрозоля, скоростях ингаляции и индивидуальной анатомии дыхательной системы пациента. Результаты показали, что для эффективной доставки лекарства для пациентов с температурой 37 °C и выше размер аэрозольных частиц, поступающих на вдохе, должен быть увеличен на 5 % по сравнению с обычными аэрозолями. Полученные закономерности являются основой для развития персонализированной ингаляционной терапии.

«Наш численный анализ фокусируется на случаях, когда влажность воздуха в дыхательных путях относительно низкая, а испарение аэрозоля доминирует над конденсацией. В ряде медицинских случаев это очень важные аспекты. Например, при гипервентиляции из-за бронхоконстрикции, при физической нагрузке, вдыхании пациентом сухого окружающего воздуха, а также при обезвоживании и респираторных заболеваниях: бронхиальной астме, хронической обструктивной болезни легких», — рассказал один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Дмитрий Антонов.

Для подтверждения достоверности результатов моделирования их сравнивали с экспериментальными данными по скорости воздушного потока, распределениям аэрозолей по диаметрам частиц на выходе из проксимальных бронхов и их депозиции в разных отделах дыхательных путей.

Выяснилось, что большее количество частиц аэрозоля оседает в экстраторакальной части дыхательных путей, наименьшее — в трахее. По словам ученых, ассиметричное расположение бронхов и особенности анатомии пациентов влияют на распределение лекарства внутри проксимального бронхиального дерева: в некоторых случаях разница между правым и левым бронхами составляет 60 %. При этом вне зависимости от анатомии основная часть «достигших цели» аэрозольных частиц имела размеры 1–5 микрометров.

Моделирование показало, что при низкой влажности и высокой температуре тела испарение аэрозолей доминирует над конденсацией. Это приводит к изменению глубины проникновения аэрозолей в легкие.

«При повышенной температуре тела и сниженной влажности вдыхаемого воздуха происходит более интенсивное испарение частиц, что приводит к уменьшению их аэродинамического диаметра и смещению депозиции в более дистальные отделы или, наоборот, к их вымыванию из «целевой зоны» терапии. Для врача это означает, что один и тот же препарат в одинаковой номинальной дозе может отдавать разные клинические эффекты у пациента в состоянии лихорадки по сравнению с периодом стабильного самочувствия. Особенно чувствительной к этим изменениям оказывается ингаляционная терапия у больных бронхиальной астмой и ХОБЛ, где небольшое снижение локальной депозиции в «проблемных» зонах может приводить к ухудшению контроля симптомов и росту частоты обострений. Поэтому учет температуры тела и состояния гидратации пациента при выборе устройства, режима ингаляции и обучении технике вдоха представляется важным шагом к более предсказуемой и персонализированной ингаляционной терапии», — отметила участвовавшая в исследовании врач-методист отдела анализа кадровой политики и мониторинга организации медицинской помощи Сеченовского университета Ольга Нагаткина.

Ученые также проанализировали различные способы доставки лекарства в легкие. Для этого они протестировали три типа ингаляторов: дозированный ингалятор под давлением, струйный небулайзер с постоянной скоростью потока и ингалятор мягкого тумана. С помощью методов оптической диагностики газопарокапельных потоков политехники оценивали радиусы аэрозолей, их скорости и протяженность аэрозольного облака, а также поведение аэрозоля при столкновении с барьером (имитацией полости рта).

По результатам исследований ингаляторы мягкого тумана оказались наиболее эффективными, 80 % аэрозольных частиц в них имеют оптимальный размер для глубокого проникновения в легкие. По словам ученых, эффективность небулайзеров сильно зависит от ориентации устройства, а дозированный ингалятор под давлением характеризуется непредсказуемым поведением – частицы в аэрозоле имеют широкий диапазон размеров и скоростей, а также высокую депозицию при столкновении с препятствиями (до 60 % частиц оседает на поверхности полости рта).

На основании этих данных ученые разработали мультикритериальный подход к оценке эффективности ингаляторов, который можно адаптировать под конкретного пациента.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда.