Unikátní simulátor plic pomáhá ve výzkumu cílené inhalační léčby

Společnost Festo, která je světově proslavená jako dodavatel automatizační techniky především do průmyslu, se nově může pochlubit i úspěšně zrealizovaným projektem, určeným k čistě vědeckým účelům. Na základě původní myšlenky, výpočtů a konceptu, který vznikl na Vysokém učení technickém v Brně, vyrobila unikátní simulátor plic, v současné době se využívá ke studiu průniku a depozice inhalačních léčivých aerosolů v dýchacím ústrojí.

Historie tohoto výzkumného projektu se začala psát přibližně před 8 lety, kdy na VUT v Brně vybudoval tým odborníků pod vedením prof. Miroslava Jíchy vlastními silami první simulátor plic. Byl jednoválcový a simuloval nádech a výdech. Ten byl následně propojen s modelem dýchacího traktu, který během let rovněž prošel ve spolupráci s některými pracovišti v USA dalším vývojem a řadou zdokonalení. Z amerického pracoviště získali čeští výzkumníci podklady pro fyzikální model dýchacího traktu, který převedli i do digitální formy a sloužil jako základ pro čistě počítačové simulace.
Prvotní idea tohoto výzkumu se zrodila v jiné pracovní skupině, která se podílela na výzkumu pro automobilový průmysl. Výzkumníci konkrétně zkoumali, jak pronikají prachové částice do kabiny automobilu a jak je řidič vdechuje. Zde se zrodil nápad, že by nebylo špatné tento výzkum rozšířit o studii, jakým mechanismem se tyto prachové částice do dýchacího traktu dostávají a jak a kde se v něm usazují. Z toho pak lze vyvozovat závěry ohledně následného vlivu na zdraví člověka. Na to se postupně nabalovaly další úkoly a po zhruba pěti letech skupina zjistila, že jí již původní simulátor nestačí.

POTŘEBA NOVÉHO SIMULÁTORU

Plíce se skládají z 5 laloků a při nádechu každý z nich dostává jiné množství vzduchu. Jinak dýchá pravá strana plic, jinak levá. Z tohoto pohledu představuje jednoválcový simulátor příliš velké zjednodušení a malou souvislost s realitou. Pro relevantní testování je tedy nutný simulátor, který dodává do každého z pěti plicních laloků individuálně řízené množství vzduchu. Navíc v jiném režimu při nádechu a v jiném při výdechu. VUT vymyslelo celý koncept nového simulátoru, provedlo základní výpočty a vyhlásilo veřejné výběrové řízení na realizaci a dodávku simulátoru. Toto výběrové řízení vyhrála společnost Festo, která navrhla řešení, jež se ukázalo jako plně vyhovující. Grantové peníze na tento úkol poskytlo Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy ČR.
„Dostali jsme za úkol vyřešit, jak zajistit synchronně, tedy při jednom nádechu a výdechu, různé zásobení jednotlivých plicních laloků. To ale není vše. Dalším požadavkem například bylo, aby se dal některý plicní lalok úplně vyřadit anebo simulovat jeho poškození, což znamená, že dýchá méně apod. Další požadovanou opcí byla možnost monitorovat průtok nadechovaného a vydechovaného vzduchu,“ upřesňuje zástupce společnosti Festo.

OD PRACHOVÝCH ČÁSTIC K LÉKŮM

Původní výzkumný záměr sledovat usazování prachových částic v dýchacím traktu se později vyvinul do úkolu zkoumat cílené dávkování léčiv do dýchacího traktu. Skupina se tedy přesunula od práce se škodlivými environmentálními aerosoly k léčivým aerosolům, kterým se nyní intenzivně věnuje. S pomocí nového simulátoru lze například nasimulovat chronickou obstrukční plicní nemoc, která se projevuje zúžením plicních cest a tedy zmenšením průtoků při nádechu. Dá se ale simulovat i astma, které naopak způsobuje potíže při výdechu, nebo nádorová onemocnění, která rovněž redukují průtok vzduchu v jednotlivých plicních lalocích.
Léčivé aerosoly mohou mít u plicních chorob mnohem lepší účinky než léky podávané v tabletách nebo injekčně. Průnik léčivé látky do krevního oběhu je při vdechu velmi rychlý. Příprava těchto medicínských aerosolů ale vůbec není snadná. Velmi záleží např. na velikosti částic. Velké částice se nežádoucím způsobem usazují v dutině ústní nebo nosní, naopak příliš malé se zase vydechnou, aniž se usadí v plicích. Velikost částic tedy musí být specificky přesná, a to i z toho důvodu, že léčivo musí zůstat usazeno v traktu tak dlouho, aby se stihlo vstřebat. Jinými slovy, aby ho pacient dřív nevykašlal. Na tento výzkum se právě soustředí pracovní tým vedený prof. Jíchou.
„Velkým problémem je, že při nádechu se každý člověk chová trochu jinak,“ vysvětluje prof. Jícha. „I když zajistíte v dávkovači aerosolu přesně stejné částice, každý z pacientů nadechne trochu jiným způsobem, každý má trochu jiné plíce, a to vše má vliv na to, jak hluboko částice proniknou a kde se usadí. V současné době není známý žádný mechanismus, který by zajistil, aby se částice usadily přesně v místě, kde potřebujeme. Řešením je naskenování plic konkrétního pacienta, nasimulování přesné lokace léčiva a přizpůsobení i daného aerosolu konkrétnímu pacientovi. To už se ale dostáváme do sféry tzv. personalizované neboli customizované medicíny. Tato léčba je ale dnes stále ještě nepředstavitelně drahá,“ dodává.

JAK PROBÍHÁ SAMOTNÝ EXPERIMENT

Prvním krokem je výroba aerosolu. K tomuto účelu se používá kondenzační generátor aerosolu, který lze naprogramovat tak, aby produkoval specifické velikosti částic v aerosolu – typicky 2 až 5 mikrometrů. Takto připravená látka se pak dávkuje do modelu dýchacího traktu.
Na VUT v Brně aktuálně používají dva typy modelů. První z nich je průhledný a lze v něm částice přímo vidět. Používá se pro studium chování částic při nádechu a výdechu. Zobrazují se s pomocí laserového systému tzv. Dopplerovským anemometrem. Ve zkřížení laserových paprsků lze vidět nejen velikost, ale i rychlost částic. Lze tedy přímo sledovat, ve které části plic a ve které fázi nádechu a výdechu je průlet nejrychlejší, kde částice směřují ke stěnám, kde dochází k recirkulacím apod. Část těchto experimentů je ale stále koncipována pro konstantní (ustálený) nádech. I když to pochopitelně neodpovídá realitě, může to dobře sloužit k validaci počítačových modelů.
Druhý využívaný model, který není průhledný, se používá ke studiu usazení částic s nádechy 15, 30 a 60 l/min, což odpovídá klidovému režimu, lehké aktivitě, resp. vyšší fyzické aktivitě. K detekci usazených částic se využívá metoda PET – pozitronová emisní tomografie. Vzhledem k tomu, že se tato měření provádějí na vzdáleném pracovišti Masarykova onkologického ústavu, kam nelze převážet simulátor, je pomocí PET studován jen ustálený nádech. Pro detekci částic v cyklickém režimu nádechu tedy bude potřeba využít jinou zobrazovací metodu, kterou bude možné zapojit na domácím pracovišti. V plánu je využití fluorescenční spektroskopie.

REÁLNÝ MODEL PLIC

„První model plic byl vyroben podle plic mrtvého pacienta, které získali k vědeckým účelům kolegové ze Spojených států,“ říká prof. Jícha. „Tyto plíce pak napustili pryskyřicí a samotnou tkáň rozpustili. Tuto předlohu pak nasnímali ve vysokém rozlišení a výsledky publikovali v odborném článku. Digitální data nám poskytli. Kolegové z fakulty informačních technologií pak tento model digitalizovali a my jsme podle něj nechali vyrobit tento, který zde vidíte,“ dodává.
Původní model ale neobsahoval nosní a ústní dutinu. Ty přibyly až později, takže dnes již dokážeme simulovat nádech oběma těmito cestami. Model byl vyroben metodou 3D tisku. Cílem týmu prof. Jíchy pro blízkou budoucnost je zahrnout do modelu periferní části plic, které nelze vystihnout ani počítačovými simulacemi. Části, které se nedají modelovat, představují geometricky nesmírně složitou soustavu a velký měnící se hydraulický odpor. Používaný model končí 7. větvením a jeho konce jsou pochopitelně volné. Úkolem tedy je vylepšit tento model tak, aby co nejlépe odpovídal reálným plicím, a k tomu právě poslouží nový simulátor.

JAK VYPADÁ NOVÝ SIMULÁTOR

Projekt nového simulátoru je postavený tak, aby byl modifikovatelný na základě požadavků, které budou postupně plynout z výsledků testů apod. Každý plicní lalok zde zastupuje dvojice pneumatických válců DSBC, jimiž pohybuje elektrický válec DNCE. Pneumatický válec jednou stranou „nadechuje“ vzduch nebo ho „vydechuje“, podle toho, jak jsou zapojeny ventily – zde jsou použité elektrické šoupátkové. Válec buďto nasává čistý vzduch a tento čistý vzduch také vyfukuje ven, nebo nasaje aerosol a vyfukuje čistý vzduch. Mezi těmito režimy se rovněž přepíná pomocí ventilů. Pokud se některý válec odstaví, v dané části nedochází k nasávání a vyfukování a de facto se tím simuluje disfunkce některého z plicních laloků. Elektrický válec DNCE, který pohybuje válci pneumatickými, umí rovněž zajistit synchronizaci mez jednotlivými pohyby, tzn., že nádech lze rozfázovat do různých rychlostí. Činnost válců lze tedy naprogramovat tak, aby simulovala různé křivky nádechu a výdechu.
Velikost válců musí odpovídat množství nasávaného a vydechovaného vzduchu. Proto jsou použity relativně velké válce. I když průběh nádechu a výdechu může být u každého simulovaného laloku jiný, na začátku a na konci musí být hodnota nádechu i výdechu stejná. V praxi to funguje tak, že jeden z válců je naprogramovaný jako hlavní, tzv. master, a podle toho, jak se rozjede, se začnou pohybovat ostatní válce. Řídicí systém CPX-CEC, který tedy řídí pět servojednotek CMMP-AS, už pak jen sleduje nastavené parametry, za kterých má válec běžet, případně které ventily se mají přepínat – zapnout nádech, výdech, možnost s aerosolem, bez aerosolu. Válce se pak mohou podle nastavené křivky pohybovat de facto do nekonečna.
Toto čistě laboratorní zařízení, které je určeno výhradě k výzkumným účelům, nelze provozovat bez nadřazeného PC, prostřednictvím něhož se parametrizují křivky, nastavuje možnost přepínání resp. vypínání pohonů apod. Simulátor získal patentovou ochranu Úřadu průmyslového vlastnictví.