Исследование поддержано Российским научным фондом. Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Aerosol Science в двух статьях (прим. – Пресс-служба РНФ).
«Ученые Томского политехнического университета в составе научной коллаборации 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 исследований 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», - сказано в сообщении.
Ингаляция - основной способ лечения бронхолегочных заболеваний. Ее эффективность зависит от влажности воздуха, размера частиц аэрозоля, анатомии и температуры тела пациента. Раньше ученые изучали в основном конденсацию частиц, но в реальной терапии важно учитывать большое количество факторов (обезвоживание и повышенная температура пациента): они вызывают испарение аэрозоля и снижают эффективность лечения.
Ученые 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)», - отметил доцент Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Дмитрий Антонов.
Исследование показало, что больше всего частиц аэрозоля оседает в гортани, меньше всего - в трахее. Из-за асимметрии бронхов и особенностей анатомии распределение лекарства между правым и левым бронхом может различаться до 60%. При этом основная часть частиц, которые достигают цели, имеет размер 1-5 микрометров. Ученые определили, что при низкой влажности и высокой температуре тела пациента преобладает испарение аэрозоля, из-за чего меняется глубина проникновения в легкие.
Ученые также сравнили различные способы доставки лекарства в легкие. Они выяснили, что лучше всего работают ингаляторы мягкого тумана: 80% их частиц имеют подходящий размер, чтобы глубоко проникнуть в легкие. У небулайзеров (прибор для ингаляций) эффективность зависит от того, как держать устройство. А дозированные ингаляторы работают непредсказуемо: частицы в аэрозоле сильно различаются по размеру и скорости, до 60% частиц оседает во рту, не доходя до легких.
На основе этих данных ученые создали подход к оценке эффективности, который оценивает ингаляторы. Он учитывает размер и скорость частиц аэрозоля, а также задачи использования. Такой подход позволит подобрать устройство под конкретного пациента - с учетом его возраста, болезни и особенностей дыхания. Полученные закономерности являются основой для развития персонализированной ингаляционной терапии.
В исследовании участвовали ученые лаборатории тепломассопереноса ТПУ, Сеченовского университета и Института теплофизики имени С. С. Кутателадзе СО РАН.
