The administration of pharmaceutical aerosols to infants on mechanical ventilation needs to be improved by increasing the efficiency of delivery devices and creating better ways of evaluating potential therapies. Aerosolized medicines such as surfactants have been administered to ventilated infants with mixed results, but studies have shown improvement in respiratory function with a much lower dose than with liquid instillation through an endotracheal tube (ETT). An aerosolized medicine must be transported through the ventilation tubing and deposit in the lungs to have the desired therapeutic response. This work has taken a systematic approach to (i) develop new devices for the efficient production of small sized charged pharmaceutical aerosols, (ii) adapt a lead device to an infant ventilation system, (iii) develop a novel breathing infant lung (BIL) in vitro model capable of capturing lung delivery efficiency in an infant without the need for human subjects testing, and (iv) evaluate the hypothesis that small sized charged pharmaceutical aerosols can improve drug delivery efficiency to the lungs of a ventilated infant. Three new devices were developed and screened for the efficient generation of small sized charged pharmaceutical aerosols, which were: wick electrospray, condensational vapor, and a modified vibrating mesh nebulizer in a streamlined low flow induction charger (LF-IC). Of these devices, only the LF-IC produced a small [mean(SD) = 1.6(0.1) micrometers] and charged (1/100 Rayleigh limit) aerosol at a pharmaceutically relevant production rate [mean(SD) = 183(9) micrograms per minute]. The LF-IC was selected as a lead device and adapted for use in an infant ventilation system, which produced an increase in in vitro lung filter deposition efficiency from 1.3% with the commercial system to 34% under cyclic ventilation conditions. The BIL model was first shown to produce a realistic pressure-volume response curve when exposed to mechanical ventilation. The optimized LF-IC was then implemented in the BIL model to demonstrate superior reduction in inspiratory resistance when surfactant was delivered as an aerosol compared to liquid instillation. For the delivery of an aerosolized medication, the lung deposition efficiency increased from a mean(SD) 0.4(0.1)% when using the conventional delivery system to 21.3(2.4)% using the LF-IC in the BIL model, a 59-fold increase. The charged aerosol produced by the LF-IC was shown to have more depositional loss in the LF-IC than an uncharged aerosol, but the charge decreased the exhaled fraction of aerosol by 17%, which needs additional study to achieve statistical significance. Completion of this work has produced a device that can achieve lung delivery efficiency that is 59-fold greater than aerosols from conventional vibrating mesh nebulizers in invasively ventilated infants using a combination of small particle size, synchronization with inspiration and appropriate charge. The BIL model produced in this work can be used to test clinically relevant methods of administering medications to infants and can be used to provide more accurate delivery estimates for development of new nebulizers and inhalers. The LF-IC developed in this work could be used for controlled and efficient delivery of aerosolized antibiotics, steroids, non-steroidal anti-inflammatories, surfactants, and vasodilators.

INTRODUÇÃO: O tratamento das doenças decorrentes das deficiências quantitativa ou qualitativa do surfactante pulmonar consiste na reposição exógena, porém, esta terapêutica é de alto custo devido, basicamente, à metodologia sofisticada de produção do surfactante e à necessidade de importação. Com o propósito de reduzir os custos deste tratamento, o Instituto Butantan, em São Paulo, Brasil, desenvolveu uma nova tecnologia de produção, que demanda menor custo, através da extração orgânica de macerado de pulmão de suínos acoplada à adsorção em um derivado de celulose (DEAE-celulose). MÉTODOS: Com o objetivo de testar a eficácia deste novo produto, 74 coelhos prematuros de 27 dias de gestação foram randomizados em três grupos de estudo, de acordo com o tipo de tratamento realizado: Grupo Controle (n = 28, sem tratamento), Grupo Butantan (n = 22, Surfactante Butantan 50 mg/kg) e Grupo Survanta (n = 24, Survanta® 50 mg/kg). Os animais foram submetidos à ventilação mecânica com freqüência respiratória de 60 ciclos/ minuto, pressão expiratória positiva final de zero, tempo inspiratório de 0,5 segundo e fração inspirada de oxigênio de 21%, durante 20 minutos. O volume-corrente foi ajustado manualmente em 8 ml/kg durante o período da ventilação e a pressão ventilatória (pressão inspiratória - pressão expiratória final positiva) atingida foi registrada através de um pletismógrafo a cada 5 minutos. A complacência dinâmica foi determinada pela relação entre o volume-corrente e a pressão ventilatória. Ao final da ventilação, os animais foram divididos em dois grupos, um para a realização da curva pressão-volume e o outro para o estudo histopatológico. A análise histopatológica foi realizada com a determinação do tamanho alveolar médio, através da estimativa do intercepto linear médio (Lm); e com o cálculo do índice de distorção (ID) que indica a heterogeneidade do parênquima pulmonar. RESULTADOS: O volume-corrente alvo de 8 ml/kg foi atingido nos três grupos de estudo. Quanto a pressão ventilatória, foi observado menores pressões nos animais dos grupos Survanta® e Butantan durante todo o período da ventilação em relação ao grupo Controle. Melhor complacência dinâmica foi observada, não havendo diferença significante entre os grupos Survanta® e Butantan. Em relação à curva pressão-volume, volumes pulmonares maiores foram observados nos grupos Butantan e Survanta® comparados aos do grupo Controle; houve, também, melhor estabilização dos volumes pulmonares na fase expiratória entre os animais dos grupos tratados em relação ao grupo Controle. A análise histopatológica mostrou maior quantidade de alvéolos normais e menor de alvéolos hiperdistendidos ou colapsados nos animais do grupo que recebeu o novo surfactante e o grupo Survanta. No grupo controle, além de apresentar mais alvéolos colapsados e hiperdistendidos, houve também maior ocorrência de áreas com edema alveolar e derrame de material hialino na luz alveolar em relação aos outros dois grupos. CONCLUSÕES: Baseado nos resultados acima, concluiu-se que a administração do novo surfactante, produzido a partir da extração orgânica acoplada à adsorção em derivado de celulose, uma tecnologia de menor custo desenvolvida no Brasil, leva a melhora significativa das propriedades mecânicas pulmonares e da histerese na curva pressão-volume, além de apresentar melhor aeração do parênquima pulmonar e de forma mais homogênea, em coelhos prematuros. Estes efeitos foram semelhantes aos produzidos com a administração de um surfactante disponível no mercado para o uso clínico rotineiro / INTRODUCTION: Pulmonary diseases related to quantitative or qualitative surfactant deficiency are well described, mainly in neonatology. The treatment with surfactant replacement is effective although costly, due to the complexity of surfactant production and imports costs. Aiming the reduction of the cost associated with this therapy, the Butantan Institute, São Paulo, Brazil, developed a new technology based in organic extraction coupled with adsorption on a cellulose derivative, resulting in lower final cost. METHODS: In order to test the in vivo efficacy of this new product, 27 days gestation preterm rabbits were randomized after tracheostomy into 3 study groups, according to the type of treatment received: Control Group (n = 28, no treatment), Butantan Group (n = 22, Butantan surfactant, 50 mg/kg) or Survanta Group (n = 24, Survanta® 50 mg/kg). Mechanical ventilation was initiated with respiratory rate, 60 cycles/min; positive end expiratory pressure, zero and inspiratory time, 0.5 sec; FiO2, 21%. Inspiratory pressure and tidal volume was continuosly evaluated using a pletismograph, and set according to the necessary in order to ventilate with a preset target tidal volume of 8 ml/kg. Respiratory parameters were recorded each five min until the end of ventilation, after 20 min. Ventilatory pressure was defined as inspiratory pressure - positive end expiratory pressure (cmH2O); dynamic compliance (DC) was calculated as DC = {[Tidal volume (ml) / (Body weight (g)/1000)] / ventilatory pressure (cmH2O)}. After the end of ventilation period the animals were divided into two groups: the first for PV curve evaluation and the second for histopathological analysis. The histopathological analysis was performed with determination of mean alveolar size, using mean linear intercept (Lm) and the distortion index, to evaluate the heterogeneity of pulmonary parenchyma. Statistical analysis was by ANOVA ONE WAY, with Student-Newman-Keuls as post hoc test. Significance level was set at p = 0.05. RESULTS: The target tidal volume was achieved in all groups. We found lower ventilatory pressures, higher dynamic compliances and pulmonary volumes in both surfactant treated groups compared to the Control group, with no difference between them. Butantan surfactant and Survanta resulted in increased Lm and lower alveoli asymmetry, as evaluated by distortion index. CONCLUSION: We conclude that the new surfactant produced by Butantan Institute resulted in improvement of lung mechanics and histhopatological findings similar to the obtained with a clinicaly available surfactant, with no differences between them

INTRODUÇÃO: O tratamento das doenças decorrentes das deficiências quantitativa ou qualitativa do surfactante pulmonar consiste na reposição exógena, porém, esta terapêutica é de alto custo devido, basicamente, à metodologia sofisticada de produção do surfactante e à necessidade de importação. Com o propósito de reduzir os custos deste tratamento, o Instituto Butantan, em São Paulo, Brasil, desenvolveu uma nova tecnologia de produção, que demanda menor custo, através da extração orgânica de macerado de pulmão de suínos acoplada à adsorção em um derivado de celulose (DEAE-celulose). MÉTODOS: Com o objetivo de testar a eficácia deste novo produto, 74 coelhos prematuros de 27 dias de gestação foram randomizados em três grupos de estudo, de acordo com o tipo de tratamento realizado: Grupo Controle (n = 28, sem tratamento), Grupo Butantan (n = 22, Surfactante Butantan 50 mg/kg) e Grupo Survanta (n = 24, Survanta® 50 mg/kg). Os animais foram submetidos à ventilação mecânica com freqüência respiratória de 60 ciclos/ minuto, pressão expiratória positiva final de zero, tempo inspiratório de 0,5 segundo e fração inspirada de oxigênio de 21%, durante 20 minutos. O volume-corrente foi ajustado manualmente em 8 ml/kg durante o período da ventilação e a pressão ventilatória (pressão inspiratória - pressão expiratória final positiva) atingida foi registrada através de um pletismógrafo a cada 5 minutos. A complacência dinâmica foi determinada pela relação entre o volume-corrente e a pressão ventilatória. Ao final da ventilação, os animais foram divididos em dois grupos, um para a realização da curva pressão-volume e o outro para o estudo histopatológico. A análise histopatológica foi realizada com a determinação do tamanho alveolar médio, através da estimativa do intercepto linear médio (Lm); e com o cálculo do índice de distorção (ID) que indica a heterogeneidade do parênquima pulmonar. RESULTADOS: O volume-corrente alvo de 8 ml/kg foi atingido nos três grupos de estudo. Quanto a pressão ventilatória, foi observado menores pressões nos animais dos grupos Survanta® e Butantan durante todo o período da ventilação em relação ao grupo Controle. Melhor complacência dinâmica foi observada, não havendo diferença significante entre os grupos Survanta® e Butantan. Em relação à curva pressão-volume, volumes pulmonares maiores foram observados nos grupos Butantan e Survanta® comparados aos do grupo Controle; houve, também, melhor estabilização dos volumes pulmonares na fase expiratória entre os animais dos grupos tratados em relação ao grupo Controle. A análise histopatológica mostrou maior quantidade de alvéolos normais e menor de alvéolos hiperdistendidos ou colapsados nos animais do grupo que recebeu o novo surfactante e o grupo Survanta. No grupo controle, além de apresentar mais alvéolos colapsados e hiperdistendidos, houve também maior ocorrência de áreas com edema alveolar e derrame de material hialino na luz alveolar em relação aos outros dois grupos. CONCLUSÕES: Baseado nos resultados acima, concluiu-se que a administração do novo surfactante, produzido a partir da extração orgânica acoplada à adsorção em derivado de celulose, uma tecnologia de menor custo desenvolvida no Brasil, leva a melhora significativa das propriedades mecânicas pulmonares e da histerese na curva pressão-volume, além de apresentar melhor aeração do parênquima pulmonar e de forma mais homogênea, em coelhos prematuros. Estes efeitos foram semelhantes aos produzidos com a administração de um surfactante disponível no mercado para o uso clínico rotineiro / INTRODUCTION: Pulmonary diseases related to quantitative or qualitative surfactant deficiency are well described, mainly in neonatology. The treatment with surfactant replacement is effective although costly, due to the complexity of surfactant production and imports costs. Aiming the reduction of the cost associated with this therapy, the Butantan Institute, São Paulo, Brazil, developed a new technology based in organic extraction coupled with adsorption on a cellulose derivative, resulting in lower final cost. METHODS: In order to test the in vivo efficacy of this new product, 27 days gestation preterm rabbits were randomized after tracheostomy into 3 study groups, according to the type of treatment received: Control Group (n = 28, no treatment), Butantan Group (n = 22, Butantan surfactant, 50 mg/kg) or Survanta Group (n = 24, Survanta® 50 mg/kg). Mechanical ventilation was initiated with respiratory rate, 60 cycles/min; positive end expiratory pressure, zero and inspiratory time, 0.5 sec; FiO2, 21%. Inspiratory pressure and tidal volume was continuosly evaluated using a pletismograph, and set according to the necessary in order to ventilate with a preset target tidal volume of 8 ml/kg. Respiratory parameters were recorded each five min until the end of ventilation, after 20 min. Ventilatory pressure was defined as inspiratory pressure - positive end expiratory pressure (cmH2O); dynamic compliance (DC) was calculated as DC = {[Tidal volume (ml) / (Body weight (g)/1000)] / ventilatory pressure (cmH2O)}. After the end of ventilation period the animals were divided into two groups: the first for PV curve evaluation and the second for histopathological analysis. The histopathological analysis was performed with determination of mean alveolar size, using mean linear intercept (Lm) and the distortion index, to evaluate the heterogeneity of pulmonary parenchyma. Statistical analysis was by ANOVA ONE WAY, with Student-Newman-Keuls as post hoc test. Significance level was set at p = 0.05. RESULTS: The target tidal volume was achieved in all groups. We found lower ventilatory pressures, higher dynamic compliances and pulmonary volumes in both surfactant treated groups compared to the Control group, with no difference between them. Butantan surfactant and Survanta resulted in increased Lm and lower alveoli asymmetry, as evaluated by distortion index. CONCLUSION: We conclude that the new surfactant produced by Butantan Institute resulted in improvement of lung mechanics and histhopatological findings similar to the obtained with a clinicaly available surfactant, with no differences between them