Исследования поддержаны грантом Российского научного фонда (24-45-00012) и рассчитаны на три года. Первые результаты исследований ученых ТПУ опубликованы в журнале International Journal of Multiphase Flow.
На сегодняшний день ингаляционная (аэрозольная) терапия рассматривается как наиболее эффективный и безопасный способ доставки лекарственных препаратов в бронхолегочную систему. При этом область ее использования постоянно расширяется: кроме лечения астмы и хронической обструктивной болезни легких ингаляционный путь доставки препаратов используют для введения вакцин, антивирусной и антибактериальной терапии, профилактики респираторных инфекций, для иммуносупрессивной терапии после трансплантации легких.
В клинической практике более 50 лет эффективно применяется дозирующая аэрозольная форма доставки лекарственных препаратов. Параллельно создаются и совершенствуются другие типы ингаляционных устройств: дозирующие порошковые ингаляторы, жидкостные ингаляторы, mesh-небулайзеры и другие. Они имеют ряд ограничений, среди которых размеры и скорости распыляемых капель. Кроме того, существенную роль играют респираторные усилия, которые должен выполнять человек при лечении.
"Доставка лекарств при болезнях органов дыхания осложнена тем, что имеет широкую вариативность в распределении ингалируемых частиц по системе органов дыхания. Она зависит от анатомической структуры, профиля воздушного потока, размеров аэрозольных частиц, величины легочной депозиции препарата, респирабельной фракции препарата и других факторов. Применение более совершенных систем доставки аэрозоля, использование современных пропеллентов позволяют увеличить легочную депозицию и сделать точнее адресность доставки лекарств при использовании более низких доз препарата. Вместе с тем, возможность адресного, таргетного строго контролируемого воздействия аэрозоля на конкретные зоны дыхательных путей недостаточно изучена,
— отмечает доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Дмитрий Антонов.
Над исследованием работает группа ученых из Томского политехнического университета, Сеченовского университета и Университета Цинхуа (Китай). Цель проекта – разработать прогностический математический аппарат для точного позиционирования капель и частиц в верхних, средних и нижних отделах дыхательных путей.
В рамках исследования ученые проведут серию экспериментов на трехмерной модели легких. Они будут регистрировать, как происходит доставка лекарственных препаратов в виде растворов, эмульсий, суспензий и ингаляторов методами Interferometric Particle Imaging, Shadow Photography, Particle Image Velocimetry и другими.
Так, на первом этапе исследований ученые ТПУ разработали новую математическую модель для прогнозирования процессов прогрева и испарения капель жидкостей для широкого класса практических приложений, включая медицину, энергетику и транспорт. Ее особенность - возможность сопряжения жидкой и газовой фазы посредством инструментов математической физики. На основе созданной модели ученые будут разрабатывать алгоритмы распыления капель лекарственных препаратов в трехмерной геометрии легких.
Фото: Видеокадры теневой съемки распыления лекарственного препарата через устройство доставки
Это позволит изучить физические свойства различных устройств доставки аэрозольных препаратов для лечения нижних дыхательных путей, разработать общие закономерности в адресной доставке различных видов аэрозолей на базе подхода Эйлеро-Лагранжа и создать единую математическую систему для анализа аэрозольного распыления лекарственных препаратов для лечения бронхолегочных заболеваний и специфики их адресной доставки в нижние дыхательные пути с учетом широкой вариации параметров.
«Перед нами стоит задача решить фундаментальную проблему по детальному адресному спрейному распылению лекарственных препаратов в дыхательные пути для повышения эффективности и безопасности терапии бронхолегочных заболеваний. Кроме того, существует потребность в создании единой системы оценки эффективности и безопасности лекарств в виде аэрозоля на основе математической системы моделирования адресного аэрозольного распыления при лечении бронхолегочных заболеваний. Это довольно сложная проблема, так как аэрозоли представлены в виде нескольких физических форм и могут быть созданы разными путями, некоторые из них физически нестабильны и могут быть подвержены испарению, росту, агломерации по мере того, как они проходят путь от устройств доставки до дыхательных путей. Идеальное устройство доставки должно обеспечивать депозицию большой фракции препарата в легких, быть достаточно простым в использовании, надежным и доступным для применения в любом возрасте и при тяжелых стадиях заболевания», — добавляет заведующий лабораторией тепломассопереноса ТПУ Павел Стрижак.
