Computational fluid dynamics: a suitable assessment tool for demonstrating the antiobstructive effect of drugs in the therapy of allergic rhinitis

La dinamica computerizzata dei fluidi: uno strumento valido per la dimostrazione dell’efficacia dei farmaci sull‘ostruzione respiratoria nasale nella terapia della rinite allergica

N. Achilles1, N. Pasch2, A. Linterman3, W. Schröder3, R. Mösges1

1 Institute of Medical Statistics, Informatics and Epidemiology (IMSIE), University Hospital of Cologne, Germany; 2 Otolaryngologist Practice, Aachen, Germany; 3 Institute of Aerodynamics, RWTH Aachen, Germany

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Summary

This systematic review aims first to summarize the previous areas of application of computational fluid dynamics (CFD) and then to demonstrate that CFD is also a suitable instrument for generating three-dimensional images that depict drug effects on nasal mucosa. Special emphasis is placed on the three-dimensional visualization of the antiobstructive effect of nasal steroids and antihistamines in the treatment of allergic rhinitis. In the beginning, CFD technology was only used to demonstrate physiological and pathophysiological airflow conditions in the nose and to aid in preoperative planning and postoperative monitoring of surgical outcome in the field of rhinosurgery. The first studies using CFD examined nasal respiratory physiology, important functions of the nose, such as conditioning and warming of inspired air, and the influence of pathophysiological changes on nasal breathing. Also, postoperative outcome of surgical procedures could be “predicted” using the nasal airflow model. Later studies focused on the three-dimensional visualization of the effect of nasal sprays in healthy subjects and postoperative patients. A completely new approach, however, was the use of CFD in the area of allergic rhinitis and the treatment of its cardinal symptom of nasal obstruction. In two clinical trials, a suitable patient with a positive history of allergic rhinitis was enrolled during a symptom-free period after the pollen season. The patient developed typical allergic rhinitis symptoms after provocation with birch pollen. The 3-D visualization showed that the antiallergic treatment successfully counteracted the effects of nasal allergen provocation on nasal airflow. These observations were attributed to the antiobstructive effect of a nasal steroid (mometasone furoate) and a systemic antihistamine (levocetirizine), respectively. CFD therefore constitutes a non-invasive, precise, reliable and objective examination procedure for generating three-dimensional images that depict the effects of drugs used in the treatment of allergic rhinitis.

Riassunto

Il primo obiettivo della presente review sistematica è quello di un’esposizione concisa delle precedenti aree di applicazione della fluidodinamica computazionale (CFD), ed in seconda istanza dimostrare la validità della metodica nella realizzazione di immagini tridimensionali che mostrino gli effetti dei farmaci sulla mucosa nasale. Inoltre viene accuratamente descritta la possibilità di visualizzare in tre dimensioni l’effetto decongestionante degli steroidi nasali e degli antistaminici nella terapia della rinite allergica. Agli albori dello sviluppo della metodica la CFD veniva unicamente usata sia per dimostrare condizioni fisiologiche e fisiopatologiche di flusso aereo nasale, sia come supporto nel planning pre-operatorio e nel controllo postoperatorio degli esiti della rino-chirurgia. I primi studi che hanno visto l’applicazione della CFD si sono concentrati sullo studio della fisiologia respiratoria, delle funzioni fondamentali del naso come l’umidificazione e il riscaldamento dell’aria inspirata, e dell’influenza delle modifiche fisiopatologiche sulla respirazione nasale. È stata studiata anche la possibilità di utilizzare modelli di flusso aereo nasale per predire l’efficacia di un eventuale chirurgia nasale. Lavori successivi si sono concentrati sulla visualizzazione in tre dimensioni degli effetti topici degli spray nasali in soggetti sani e in soggetti operati. L’utilizzo della CFD nel campo della rinite allergica ha rappresentato un approccio completamente nuovo alla problematica del trattamento dell’ostruzione respiratoria nasale. In due diversi trial clinici sono stati inclusi soggetti con storia clinica di rinite allergica in fase non sintomatica. I pazienti selezionati sono stati quindi sottoposti a provocazione nasale mediante polline di betullacee con l’intento di evocare la sintomatologia allergica. Il rendering 3-D effettuato dopo trattamento farmacologico ha mostrato una riduzione degli effetti della provocazione allergica sul flusso aereo nasale. Queste osservazioni sono state infine attribuite agli effetti decongestionanti rispettivamente dello steroide topico (monetasone furoato) e dell’antistaminico sistemico (levocetirizina) utilizzati. In conclusione la CFD rappresenta un esame non invasivo, preciso, affidabile ed obiettivo, capace di realizzare immagini in tre dimensioni che mostrano gli effetti dei farmaci utilizzati nella rinite allergica.