Dozowniki suchego proszku (DPI)

Wiele tematów istotnych dla technik inhalacyjnych wykorzystujących lek w postaci suchego proszku zostało omówionych w artykułach poświęconych WAW. Wydaje się, że podstawowe informacje na temat specyfiki generowania aerozolu z dozowników proszkowych dodatkowo uwypuklą konieczność skrupulatnego doboru leków tego typu.

Jak generowany jest aerozol z DPI?

W przypadku inhalatorów typu MESH i ultradźwiękowych aerozol generowany jest przez bezpośrednie wykorzystanie energii drgającego kryształu przenoszonej na lek (nie jest konieczne inne medium). W przypadku inhalatorów ciśnieniowych i dozowników pMDI mamy do czynienia z jednym medium (sprężone powietrze, HFC/HFA), którego energia rozprasza lek do postaci aerozolu. W przypadku dozowników DPI mamy do czynienia z dwoma typami mediów : medium rozumianym jako nośnik leku oraz medium rozumianym jako źródło energii niezbędne do wygenerowania aerozolu.

ryc. 1. Proszek jako konglomerat cząstek medium opłaszczonych lekiem.

Rycina 1 obrazuje proszek w stanie spoczynku. Jak widać na jego masę składa się substancja nośnikowa A („medium dla leku”) oraz właściwa substancja czynna B, czyli lek. Struktura ta jest stabilna do momentu, w którym pojawiają się zewnętrzne siły „rozrywające”, zdolne do pokonania sił wiążących (Van der Valsa, elektrostatycznych, adhezji czy mechanicznego „zatrzaśnięcia” cząstek prze swoje ukształtowanie powierzchni).

ryc. 2. Proszek w strumieniu przepływającego powietrza.

Wiadomo powszechnie, że statyczny gaz wywiera jednakowe ciśnienie we wszystkich kierunkach. Jest to układ stosunkowo prosty, a prawa statyki gazów są wykładane na lekcjach fizyki szkół powszechnych. Rzadziej natomiast uświadamiamy sobie zjawiska towarzyszące przepływowi gazu, na przykład przepływowi wdychanego powietrza. Nie wdając się w skomplikowane wywody można ująć w  uproszczeniu, że ciśnienie „globalne”  jest suma ciśnienia statycznego, skierowanego prostopadle do ścian naczynia oraz ciśnienia dynamicznego, skierowanego równolegle do kierunku ruchu gazu. Jeśli tak, jak na rycinie 2, skierujemy strumień powietrza nad „wydmą” usypaną z suchego proszku, pojawi się ciśnienie dynamiczne skierowane prostopadle do czoła strumienia a równolegle do powierzchni „wydmy” i będzie nadal „biegło poziomo” tuz poza „wydmą”

ryc. 3. Proszek „wypychany z wydmy” w kierunku mniejszego ciśnienia statycznego .

Im wyższe będzie ciśnienie dynamiczne (tym większe, im większy przepływ wdechowy) tym bardziej jego składowa obniży wartość ciśnienia statycznego nad, a szczególnie poza „wydmą”. Zatem  jak widać  na ryc. 3 nie czoło czoło strumienia ale „próżnia” za wydmą spowoduje, że powietrze zgromadzone między kryształami proszku „wypchnie” je w kierunku ciśnienia mniejszego, czyli do strumienia powietrza. Jest to jednocześnie moment początkowy pierwszej fazy aerolizacji proszku.

ryc. 4. Ostateczna aerolizacja leku : oderwanie cząstki aktywnej od medium.

Ostateczne oderwanie drobin leku od transportującego je medium kończy jego aerolizcaję. Warto mieć na uwadze, że proces ten jest dwuetapowy a źródłem energii nie jest gaz czy energia elektryczna, którą rozdysponowujemy bez udziału organizmu pacjenta, lecz wdech, który chory musi samodzielnie wygenerować. Przepływ musi być na tyle silny, by był efektywny dla oby faz aerolizacji proszku i leku.  Uwaga: optymalne przepływy wdechowe ustalane są w warunkach laboratoryjnych, gdzie:

• stanowisko dysponuje pompą, której moc można zwiększać bez ograniczeń
• dzięki mocy pompy niezależnie od typu urządzenia ustalany jest stały gradient 4 kPa

Tab. 1. Optymalne przepływy wdechowe dla typowych dozowników DPI ¹⁾ .

Problem polega na tym, że w stosunku do pacjenta trudno jest oczekiwać, że:

• wygeneruje stabilny gradient ciśnienia dokładnie taki (4kPa) jak w warunkach laboratoryjnych
• moc mięśni kontrolowana jest w sposób dowolny tak, by utrzymać stały przepływ niezależnie od oporu
• po wypełnieniu płuc wdech będzie kontynuowany nadal

Są to istotne bariery, z powodu których nie można twierdzić, że każdy pacjent, w każdym stopniu duszności, z każdego dozownika DPI zainhaluje dokładnie tak, jak w warunkach referencyjnych.

 Tab. 2. Hipotetyczne przepływy wdechowe, wynikające z bezkrytycznego wykorzystania funkcji: czas napełniania FIT⇔ pojemność płuc VC.²⁾

Podawane w tabeli wyniki są wynikami teoretycznymi, innymi słowy, jeśli nie przyjmiemy do wiadomości, że

• ograniczona siła mięśni
• wiąże się z ograniczoną drogą ruchu, której efektem jest ograniczenie VC
• co daje ograniczoną pracę układu oddechowego
• która ma ograniczenia w czasie (najszybszego skurczu mięśni) a zatem ogranicza moc
• co w rezultacie oznacza „zahamowanie ruchu tłoka” przy danym oporze
• i skutkuje ustaleniem się równowagi dynamicznej typowej dla konkretnego oporu u konkretnego pacjenta

Z badan spirometrycznych wykonywanych z zastosowaniem oporu wdechowego wynika, ze ograniczenia te wydaja się być uniwersalne.

 

ryc. 5. Stały, niezależny od stopnia obturacji, przepływ przez zwężkę Φ 5,0 mm.

Zarówno grupa osób A, cechujących się znacznym stopniem duszności, jak tez grupa B osób z prawidłowymi wynikami spirometrycznymi oraz grupa C, którą stanowiły osoby dysponujące ponadprzeciętną sprawnością wentylacyjną płuc nie były w stanie odtworzyć przepływów swobodnych w sytuacji, gdy wdech wykonywany był przez opór.

¹⁾  Polski Przewodnik Inhalacyjny. Redakcja: Emeryk A, Pirożyński M, Mazurek H.
²⁾ W grupie 1263 pacjentów maksymalna wartość PIF wahała się około 10 L/s (600 L/min)