Mathematical Modeling and Analysis of Ocular Fluid Dynamics and Transport Phenomena for Retinal Drug Delivery

视网膜药物输送的眼液动力学和传输现象的数学建模和分析

基本信息

  • 批准号:
    10002238
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 40.5万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-09-01 至 2022-08-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

Project Summary The focus of this work is on the modeling and analysis of the eye with regard to of the transport of drugs through the vitreous humor to the retina. With retinal diseases being one of the common causes of blind- ness amongst the elderly, it is imperative that efficient and effective drug-delivery methods targeting the retina be developed. To minimize drug distribution to undesired locations, intravitreal delivery, especially with the use of implants, has gained prominence. In this regard, a thorough understanding of the ocular transport processes is necessary, and a comprehensive mathematical model for the ocular fluid dynamics and transport phenomena with application to retinal drug delivery would be a major positive step. Among the challenges include understanding the transport of mac-romolecular and particulate drugs together with the effect of partial liquefaction (syneresis) of the vitreous with age. The specific aims include: 1. Mathematical Analysis and Measurement of Ocular Transport Parameters. In order utilize the mathematical model for real-life drug delivery, the biophyisical parameters relevant to fluid flow and drug transport need to be accurately determined for various drug types. These include, for example, the diffusion coefficient of the vitreouus humor, the permebility of the membranes around the vitreous, and the hindrance evaluation that large molecules and particles experience in the vitreous. We shall carry this out with the known scientific techniques, as well as the new methods that we have recently developed. 2. Ocular Fluid Dynamics and Transport: Comprehensive Mathematical Model with Syneresis. The measurements that will be made in Task 1 will be implemented in a mathematical model which entails the various transport processes of the physiologically natural fluids in the system as well the intervening drugs, coupled with permeation into the retinal region. The relevant transport equations will be solved computationally and validated with careful experimentation (Task 3). The model will be applied to provide drug delivery rates as a function of the location of drug deposition, drug type, the eye topography (degree of liquefaction and location) and other transport parameters of the eye. 3. Validate the Modeling and Analysis with Experiments. Applications of the mathematical model will be made for intravitreal delivery using sustained-release macrmolecular implants in animal models for which the requisite biophysical properties will have been determined in Task 1. Syneretic conditions will be created mechanically (avoiding chemicals) to different levels with a variety of possible eye topographies. This will be followed up with the determination of required delivery levels, based on drug type and delivery method. To overcome potential issues between our model and the experimental data, we will begin animal model experimentation early in the second year, along with the ex vivo experiments in order to modify and validate our model.
项目概要 这项工作的重点是对眼睛进行药物运输的建模和分析 通过玻璃体到达视网膜。视网膜疾病是导致失明的常见原因之一 老年人的健康状况,迫切需要针对老年人的高效、有效的药物输送方法 视网膜得以发育。为了尽量减少药物分布到不需要的位置,玻璃体内给药,尤其是 随着植入物的使用,它已经受到重视。对此,要深入了解眼科 传输过程是必要的,并且眼部流体动力学的综合数学模型 将转运现象应用于视网膜药物输送将是一个重大的积极步骤。之中 挑战包括了解大分子和颗粒药物的运输以及 随着年龄的增长,玻璃体部分液化(脱水收缩)的影响。具体目标包括: 1. 眼部传输参数的数学分析和测量。为了利用 现实生活中药物输送的数学模型,与流体流动和药物相关的生物物理参数 需要准确确定各种药物类型的转运。例如,这些包括 玻璃体液的扩散系数、玻璃体周围膜的渗透性以及 大分子和颗粒在玻璃体中经历的阻碍评估。我们将执行此 使用已知的科学技术以及我们最近开发的新方法。 2.眼液动力学和传输:具有脱水作用的综合数学模型。 任务 1 中进行的测量将在数学模型中实现,该模型需要 系统中生理自然液体的各种运输过程以及干预 药物,再加上渗透到视网膜区域。相关输运方程将得到求解 计算并通过仔细的实验​​进行验证(任务 3)。该模型将应用于提供 药物输送速率与药物沉积位置、药物类型、眼部地形(程度 液化和位置)和眼睛的其他传输参数。 3. 通过实验验证建模和分析。数学模型的应用 将在动物模型中使用缓释大分子植入物进行玻璃体内递送 其必要的生物物理特性将在任务 1 中确定。协同条件将是 通过机械方式(避免化学物质)创建不同级别的各种可能的眼睛地形。 随后将根据药物类型和递送确定所需的递送水平 方法。为了克服我们的模型和实验数据之间的潜在问题,我们将开始动物 第二年年初进行模型实验,以及离体实验,以修改和 验证我们的模型。

项目成果

期刊论文数量(6)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Mathematical Model of Macromolecular Drug Transport in a Partially Liquefied Vitreous Humor.
部分液化玻璃体液中大分子药物转运的数学模型。
  • DOI:
    10.1115/1.4053197
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Khoobyar,Anahid;Penkova,AnitaN;Humayun,MarkS;Sadhal,SatwindarSingh
  • 通讯作者:
    Sadhal,SatwindarSingh
Mass diffusion coefficient measurement for vitreous humor using FEM and MRI.
使用 FEM 和 MRI 测量玻璃体液的质量扩散系数。
Analytical and Computational Modeling of Sustained-Release Drug Implants in the Vitreous Humor.
玻璃体液中缓释药物植入物的分析和计算模型。
  • DOI:
    10.1115/1.4051785
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Khoobyar,Anahid;Naghdloo,Amin;Penkova,AnitaN;Humayun,MarkS;Sadhal,SatwindarSingh
  • 通讯作者:
    Sadhal,SatwindarSingh
Diffusive Transport in the Vitreous Humor: Experimental and Analytical Studies.
玻璃体液中的扩散传输:实验和分析研究。
  • DOI:
    10.1115/1.4042297
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Penkova,Anita;Moats,Rex;Humayun,MarkS;Fraser,Scott;Sadhal,SatwindarSingh
  • 通讯作者:
    Sadhal,SatwindarSingh
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  • 财政年份:
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  • 资助金额:
    $ 40.5万
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