リズム的に拡大収縮末端肺胞モデルにおけるナノ粒子沈着に対する肺胞サイズの効果

Alveolar size effects on nanoparticle deposition in rhythmically expanding-contracting terminal alveolar models.

• Jinxiang Xi
• Mohamed Talaat
• Xiuhua April Si
• Pan Han
• Haibo Dong
• Shaokuan Zheng

抄録

肺胞サイズには、年齢、性別、健康状態、および種の異なるヒトにおいて有意な差が存在する。吸入されたナノ粒子の地域的および局所的な線量評価に及ぼす肺胞サイズおよびそれに伴う呼吸回数の影響は十分に研究されていない。肺胞領域における移流-拡散-沈降のメカニズムについては定性的な理解が十分に得られているにもかかわらず、これらの要因間の相互作用の定量的な把握はまだ不十分である。本研究の目的は、複雑さの異なる肺胞モデルにおける吸入ナノ粒子の局所的および局所的な沈着に対する肺胞サイズの影響を定量化し、異なる沈着メカニズム間の動的相互作用を理解することである。それぞれ1、4、および45個の肺胞を保持する3つの異なるモデルを検討した。各モデルでは、ベースラインの形状を体積で1/4、1/2、2、4、8倍に縮尺した。粒子沈着の時間的進化と空間的分布は、離散相ラグランジュモデルを用いて追跡された。吸入されたナノ粒子の低い滞留は、同じ呼吸周波数の下でより大きな肺胞で観察されたが、呼吸周波数が肺胞サイズと等角的に一致する場合には、同様の滞留が異なる幾何学的スケールの間で見出された。次元解析の結果、移流、拡散、重力沈降の寄与が大きく、それぞれが肺胞内の位置によって支配的になる可能性のある多様な沈着メカニズムが明らかになった。本研究の結果は、あるサブ集団から得られた経験的な相関関係を他の集団に直接適用することはできず、また、局所的かつ動的なレジーム遷移型の沈着メカニズムのために、肺胞サイズや呼吸頻度の関数として単純にスケーリングすることはできないことを示している。

Significant differences in alveolar size exist in humans of different ages, gender, health, and among different species. The effects of alveolar sizes, as well as the accompanying breathing frequencies, on regional and local dosimetry of inhaled nanoparticles have not been sufficiently studied. Despite a well-accepted qualitative understanding of the advection-diffusion-sedimentation mechanism in the acinar region, a quantitative picture of the interactions among these factors remains inchoate. The objective of this study is to quantify the effects of alveolar size on the regional and local deposition of inhaled nanoparticles in alveolar models of varying complexities and to understand the dynamic interactions among different deposition mechanisms. Three different models were considered that retained 1, 4, and 45 alveoli, respectively. For each model, the baseline geometry was scaled by ¼, ½, 2, 4, and 8 times by volume. Temporal evolution and spatial distribution of particle deposition were tracked using a discrete-phase Lagrangian model. Lower retentions of inhaled nanoparticles were observed in the larger alveoli under the same respiration frequency, while similar retentions were found among different geometrical scales if breathing frequencies allometrically matched the alveolar size. Dimensional analysis reveals a manifold deposition mechanism with tantamount contributions from advection, diffusion, and gravitational sedimentation, each of which can become dominant depending on the location in the alveoli. Results of this study indicate that empirical correlations obtained from one sub-population cannot be directly applied to others, nor can they be simply scaled as a function of the alveolar size or respiration frequency due to the regime-transiting deposition mechanism that is both localized and dynamic.

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