Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (№24-45-00012). Результаты работы ученых опубликованы в журнале Journal of Aerosol Science (Q1, IF: 2,9) в двух статьях (статья 1, статья 2).
Ингаляция – самый распространенный способ доставки лекарств при лечении бронхолегочных заболеваний. 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.
Ученые Томского политеха совместно с коллегами 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.
«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)», — отмечает один из авторов исследования, доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Дмитрий Антонов.
Достоверность результатов моделирования подтверждалась при сравнении 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.
Результаты показали, 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», — отмечает соавтор исследования, 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. Он включает количественные показатели (размеры и скорости частиц, протяженность аэрозольного облака), а также приоритеты, зависящие от клинической задачи ингалятора. Предложенный политехниками подход можно адаптировать под конкретного пациента – его возраст, заболевание, особенности дыхания.
В исследовании приняли участие ученые лаборатории тепломассопереноса Томского политеха, Сеченовского университета и Института теплофизики имени С.С. Кутателадзе СО РАН.
Источник: Пресс –служба ТПУ