Hier stellen wir eine effektive und effiziente Methode für Nagetier-Schwanzvenen-Injektionen mit einem einzigartig entwickelten Erwärmungs- / Rückhaltegerät vor. Durch die Rationalisierung der Einleitung von Vasodilatations- und Zurückhaltungsprozessen ermöglicht dieses Protokoll genaue und rechtzeitige intravenöse Injektionen großer Gruppen von Tieren mit minimaler Belastung.
In Nagetiermodellen sind Schwanzveneninjektionen wichtige Methoden zur intravenösen Verabreichung von experimentellen Wirkstoffen. Schwanzveneninjektionen beinhalten typischerweise die Erwärmung des Tieres, um die Vasodilatation zu fördern, was sowohl bei der Identifizierung der Blutgefäße als auch bei der Positionierung der Nadel in das Gefäßlumen hilft und das Tier sicher zurückhält. Obwohl Injektionen von Schwanzvenen in vielen Protokollen üblich sind und bei korrekter Durchführung nicht als hochtechnische Verfahren gelten, sind genaue und konsistente Injektionen entscheidend, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen und die Variabilität zu minimieren. Herkömmliche Methoden zur Induktion der Vasodilatation vor Injektionen der Schwanzvene hängen im Allgemeinen von der Verwendung einer Wärmequelle wie einer Wärmelampe, elektrischer / wiederaufladbarer Wärmekissen oder vorgewärmtem Wasser bei 37 ° C ab. Obwohl diese Werkzeuge in einem Standardlabor leicht zugänglich sind, leiden sie offensichtlich unter einer schlechten/begrenzten thermoregulatorischen Kapazität. Obwohl verschiedene Formen von Rückhaltevorrichtungen im Handel erhältlich sind, müssen sie sorgfältig verwendet werden, um ein Trauma der Tiere zu vermeiden. Diese Einschränkungen der aktuellen Methoden erzeugen unnötige Variablen in Experimenten oder führen zu unterschiedlichen Ergebnissen zwischen Experimenten und / oder Laboren.
In diesem Artikel demonstrieren wir ein verbessertes Protokoll mit einem innovativen Gerät, das ein unabhängiges, thermisch reguliertes Erwärmungsgerät mit einer einstellbaren Rückhalteeinheit in einem System für eine effiziente, stromlinienförmige Injektion der Schwanzvene kombiniert. Das Beispiel, das wir verwenden, ist ein intravenöses Modell einer Pilzinfektion des Blutkreislaufs, die zu sepsis führt. Die Erwärmungsvorrichtung besteht aus einer wärmereflektierenden Acrylbox, die mit einem einstellbaren automatischen Thermostat installiert ist, um die Innentemperatur auf einem voreingestellten Schwellenwert zu halten. Ebenso können breite und höhe der Kegelrückhaltevorrichtung eingestellt werden, um verschiedene Nagetiergrößen sicher aufzunehmen. Mit den fortschrittlichen und vielseitigen Funktionen des Geräts könnte die hier gezeigte Technik zu einem nützlichen Werkzeug in einer Reihe von Forschungsbereichen werden, die Nagetiermodelle umfassen, die Schwanzveneninjektionen verwenden.
Die Verwendung von Tiermodellen mit Nagetieren war ein Grundnahrungsmittel der biomedizinischen Forschung. Zahlreiche Inzucht- und Outzuchtstämme sowie gentechnisch veränderte Linien sind weltweit verfügbar und werden routinemäßig in Laboren eingesetzt. Die Injektion von Schwanzvenen ist eine der wesentlichen Methoden in Nagetiermodellen, die die intravenöse (i.v.) Verabreichung von experimentellen Wirkstoffen erfordern. Im Allgemeinen haben i.v. Injektionen große Vorteile gegenüber anderen Verabreichungswegen wie hohe Absorptionsraten durch Umgehung lokaler Gewebe und des Verdauungstraktes und hohe Toleranz gegenüber Lösungen eines breiten Konzentrationsbereichs oder nicht-physiologischem pH1,2,3,4. Neben anderen lebensfähigen i.v. Routen (z. B. Saphenvenen, retroorbitale Venenhöhlen) gelten Schwanzvenen als das sicherste und am leichtesten zugängliche Blutgefäß bei Nagetieren2,3,5,6. Daher wurde die Injektion von Schwanzvenen in einer Reihe von Nagetiermodellen weit verbreitet, darunter die Modelle für Infektionskrankheiten7,8,9, Transplantation biologischer Materialien10,11, Bewertung präklinischer Therapeutika12,13und toxikologische Analysen14,15.
Konsistenz und Genauigkeit der Dosierung sind eine entscheidende Voraussetzung für erfolgreiche Injektionen von Schwanzvenen. Überraschenderweise impliziert die quantitative und qualitative Bewertung von Schwanzveneninjektionen in der Literatur häufige Fehlinjektionen16,17. Eine Studie berichtete, dass zwölf von dreißig Injektionen, die von geschulten Injektoren durchgeführt wurden, mehr als 10% der injizierten Dosen im Schwanz18 hinterließen. Darüber hinaus sollte die Sicherheit und der Komfort des Tieres, das Schwanzveneninjektionen erhält, während des Eingriffs ein Hauptanliegen sein. Unsachgemäße Zurückhaltung kann zu Verletzungen und einer Reihe von stressbedingten Pathologien (z. B. Gewichtsverlust, beeinträchtigte Immunantworten) führen, die erhebliche Variablen in der Probenqualität mit sich bringen können19,20. Diese Fehler können zu einer erhöhten Variabilität der Daten und einer schlechten Reproduzierbarkeit führen, was sich negativ auf die Studienergebnisse auswirkt.
Die Induktion der Gefäßerweiterung beim Tier ist oft notwendig, wenn Schwanzveneninjektionen aufgrund des kleinen Durchmessers des Gefäßes durchgeführt werden, der bei Mäusen auf 300 μm geschätzt wird21. Vasodilatation verbessert die Sichtbarkeit von Schwanzvenen und hilft dabei, eine optimale Nadel-Venen-Ausrichtung innerhalb des venösen Lumens zu erreichen. Eine Vielzahl von Methoden wurde von Laboratorien berichtet, wie z.B. das Eintauchen des Schwanzes in warmes Wasser22,das Anwenden von Wärme auf den Schwanz mit einem warmen Vorhang, einer Lampe oder einem Haartrockner23,24oder das Platzieren des Tieres in einer warmen Umgebung mit einem Heizkissen, Inkubator oder einer Box in Kombination mit einer dieser Wärmequellen25. Die Geräte können entweder selbst für bestimmte Zwecke hergestellt oder bei kommerziellen Anbietern erhältlich sein. Vielen fehlt es jedoch an thermoregulatorischen Fähigkeiten, und wenn überhaupt, ist die Gerätetemperatur schlecht gewartet und unterliegt oft Schwankungen der Raumtemperatur. Ebenso ist die Verwendung einer Rückhaltevorrichtung für Injektionen in die Schwanzvene notwendig, da die Verwendung von Anästhesie nicht empfohlen wird26,27. Es wurden verschiedene Arten von laborspezifischen oder kommerziellen Rückhaltevorrichtungen entwickelt. Typischerweise wird das Tier in ein konisches Einwegrohr40ml, geschlitzte Plexiglaswände, einen Tunnel oder Kegel28gelegt, die alle eine ausreichende Exposition des Schwanzes ermöglichen und gleichzeitig die Bewegungen des Tieres einschränken. Die meisten Rückhaltemittel haben jedoch größenbeschränkungen aufgrund der Steifigkeit der Materialien. Darüber hinaus scheinen moderne hochkomplexe Geräte trotz der praktischen und ausgeklügelten Konstruktionen für Injektionen mit großen Tiergruppen nicht durchführbar zu sein22.
Mausmodelle für Blutbahninfektionen und damit verbundene Sepsis sind ein Paradebeispiel für Situationen, die den Einsatz dieser Technik erfordern. Unter allen mikrobiellen Ätiologien der schweren klinischen Sepsis ist die Pilzsepsis oft eine tödliche Erkrankung mit Mortalitätsraten von >40% trotz antimykotischer Therapie29. Tatsächlich wurde eine Infektion mit Candida albicans als vierthäufigste Ursache für eine im Krankenhaus erworbene Blutbahninfektion (Candidämie) berichtet30,31. Bei der intraabdominalen Candidiasis können sich Mikroorganismen im Magen-Darm-Trakt über den Blutkreislauf verbreiten und eine polymikrobielle Sepsis mit einer noch höheren Mortalität verursachen32,33,34. Da die meisten nosokomialen Candidämiefälle aus kontaminierten Zentrallinienkathetern oder innewohnenden Medizinprodukten hervorgehen35,36, i.v. die Impfung mit C. albicans durch Schwanzveneninjektion kann die menschliche Sepsisentwicklung genau widerspiegeln und war eine Hauptmethode in einem Mausmodell der hämatogen disseminierten Candidiasis37,38. In diesem Modell kann die Mortalität, die in Tagen auftritt, durchAnpassung der C. albicans i.v. inoculum39, 40,41verlängert oder verkürzt werden.
Vor kurzem hat unser Labor ein innovatives Protokoll für eine optimal optimierte Injektion der Schwanzvene mit einem innovativen Gerät entwickelt, das mit einer thermoregulierten Erwärmungseinheit, gepaart mit einer einstellbaren Rückhalteeinheit, in einem praktischen System ausgestattet ist. Dieses Protokoll ermöglicht es forschern, Schwanzveneninjektionen genau und rechtzeitig durchzuführen, während Tiere sicher konditioniert und für das Verfahren mit minimaler Belastung zurückgehalten werden können. Die hier demonstrierten Techniken könnten unter Verwendung der fortschrittlichen Erwärmungs- und Rückhaltevorrichtung als nützliches Werkzeug in verschiedenen Forschungsbereichen mit Nagetiermodellen dienen.
Eine konsistente und genaue Dosierung sind wesentliche Voraussetzungen für die Experimentelle zuverlässigkeit in Tiermodellen. Dies ist besonders wichtig in Fällen der i.v. Verabreichung, in denen die systemische Bioverfügbarkeit der injizierten Wirkstoffe erheblich höher/schneller ist als bei anderen Verabreichungswegen3. Daher könnten sich Fehler bei der Injektion von Schwanzvenen nachteilig auf die Studienergebnisse auswirken. In der Vergangenheit war die intraperitoneale (i.p.) Injektion anstelle von i.v. aufgrund der technischen Einfachheit und Bequemlichkeit die häufigste Methode für den systemischen Zugang bei Nagetieren. Verabreichungswege werden jedoch bei der Übersetzung präklinischer Auslesungen von Tieren in klinische Umgebungen immer wichtiger. Daher besteht ein Bedarf an kontinuierlicher Verbesserung der Nagetierprotokolle, die eine erfolgreiche Injektion von Schwanzvenen erleichtern könnten.
Der wichtigste Fortschritt im vorliegenden Protokoll ist das innovative thermoregulierte Erwärmungsgerät, das eine effektive Induktion der Vasodilatation bei Nagetieren ermöglicht, was die Sichtbarkeit von Schwanzvenen und Nadelausrichtung dramatisch verbessert. Schlecht thermoregulierte Heizmethoden (z.B. Lampen), topische Vasodilatatoren oder Hautreizstoffe (z.B. Xylol) sind nicht nur unzuverlässig, sondern auch unsicher für das Tier und sollten vermieden werden44. Im Gegensatz zu anderen herkömmlichen Methoden, wie dem Eintauchen des Schwanzes in warmes Wasser, kann die Autoregulationsfähigkeit dieses Geräts mehrere Tiere gleichzeitig sicher konditionieren. Darüber hinaus wird dieses Protokoll durch den Einsatz der optimal ausgelegten Rückhaltevorrichtung weiter gestärkt und ermöglicht eine schnelle und sichere Immobilisierung des Tieres in einer Position, die die seitliche Schwanzvene am besten anzeigt.
Die transparenten Tubenformate, die in vielen aktuellen Rückhaltemitteln zu sehen sind, obwohl praktisch gut gestaltet, erfordern mehr Handhabungszeit mit jedem Tier, wodurch der Rückhalteprozess verlängertwird 45. Dies kann bei Nagetierstämmen mit aggressiven Merkmalen, die eine begrenzte Zusammenarbeit bieten, problematischer sein46,47. Im Gegensatz dazu ermöglicht die halbgeschlossene Kegelstruktur der Rückhaltevorrichtung eine schnelle Positionierung des Tieres und hilft, die Dauer der Zurückhaltung zu minimieren. Zusammen beschleunigt das schlanke Protokoll mit dem innovativen, hochoptimierten Erwärmungs-/Rückhaltesystem den Injektionsvorgang und ermöglicht eine schnelle und effektive Dosierung großer Tiergruppen. In unserem Labor führen wir in der Regel einen gesamten Injektionsvorgang von 30 Mäusen von der Wärmebehandlung bis zur Überwachung nach der Injektion innerhalb von 1 h mit diesem Protokoll durch.
Trotz der erweiterten Funktionen hat dieses Gerät einige offensichtliche Nachteile: Der erste sind die Kosten für das Gerät und den routinemäßigen Austausch von Glühbirnen in der Wärmekammer. Zusätzlich zur Effizienz und Geschwindigkeit der Injektionen ist das Gerät jedoch langlebig für den wiederholten Gebrauch und mit den meisten gängigen Desinfektionsmitteln kompatibel, was eine gründliche Reinigung des Geräts zwischen den Anwendungen ermöglicht. Zusammen gleicht dies die Anfangsinvestitionaus. InSituationen mit begrenztem Arbeitsbereich kann ein Nachteil dieses Protokolls die Anforderung eines dedizierten Bankbereichs sein, der groß genug ist, um die beiden Einheiten während der Injektion nebeneinander zu platzieren. Da das Gerät jedoch breit über mehrere Nagetierprotokolle mit i.v.-Injektionen eingesetzt werden kann, ist es möglich, dass das Gerät als Kerninstrument ähnlich wie andere kommunale Vivariumgeräte wie Isofluran-Vaporizer dienen könnte. Unabhängig davon sind die beiden Geräte leicht tragbar und können gebündelt und verstaut werden, während sie nicht verwendet werden.
Das in diesem Protokoll beschriebene i.v. lethal challenge-Modell der murinen Pilzsepilzsezisis ahmt C. albicans-Blutbahninfektionen beim Menschen genau nach und wurde ausgiebig verwendet, um pilzvirulenz zu untersuchen, die Wirksamkeit antimykotischer Therapien zu testen und die Immunantworten des Wirts auf Infektionen zu charakterisieren37,39,48. Um eine reproduzierbare Infektion zu erreichen, ist die Impfung durch Schwanzveneninjektion der wichtigste Schritt des Protokolls, um eine genaue Abgabe der Organismen in den Blutkreislauf zu gewährleisten. Tatsächlich reagieren Tiere sehr unterschiedlich auf unterschiedliche Ebenen von Candida i.v. Herausforderungen; Die Verabreichung zu geringer Mengen an Inokum führt zu unerwünschten spontanen Genesungen, während Tiere, die zu hohe Dosen erhalten, vorzeitig erliegen. Das spezifische Fenster der Inokumgrößen für einen bestimmten Organismus, um ein konsistentes Niveau der Sepsis / Mortalität zu induzieren, hängt weitgehend sowohl von Pilzstämmen als auch von Mausstämmen ab.
Das aktuelle Protokoll mit Schweizer Webster-Mäusen im Inokum von 1 x 105 Wildtyp C. albicans induzierte reproduzierbar den Beginn der Sepsis-Morbidität innerhalb von 1 Tag, gefolgt von einer fortschreitenden Mortalität, die zu einer 100% Letalität von 5-7 Tagen führte. Im Gegensatz dazu führen Inokula höher als 1 x 105 typischerweise zu beschleunigten Todesfällen (dh 1-2 Tage bei 1 x 106,3-4 Tage bei 5 x 105), und diejenigen unter 1 x 105 sind subletal. Im Einklang mit zahlreichen Berichten in der Literatur führt die Verwendung vonnicht-albicans Candida-Arten anstelle von C. albicans zu einer signifikant verminderten Letalität40,49. Darüber hinaus kann die Wahl der Mausstämme oder sogar der Ursprung der Kolonien aufgrund unterschiedlicher Anfälligkeiten zwischen Mausstämmen einen erheblichen Einfluss auf die Infektionsergebnisse haben, wie von anderenberichtet 39,40,41,50,51,52,53,54,55. Daher sollte beides bei der Gestaltung von Experimenten berücksichtigt werden.
Nach einer tödlichen i.v.-Herausforderung breiten sich Pilzzellen schnell durch den Blutkreislauf aus und beginnen, in mehrere Organe einzudringen, von denen die Nieren am stärksten betroffen sind41. Andere betroffene Organe sind Gehirn, Milz und Knochenmark48,56. Unabhängig davon ist akute Sepsis die ultimative Todesursache zu den frühen Zeitpunkten37. Wie in den repräsentativen Ergebnissen gezeigt, kann der Schweregrad der Sepsis quantitativ durch den Mouse Clinical Assessment Score for Sepsis (M-CASS) basierend auf den gezeigten Anzeichen einer Sepsiserkrankung bei herausgeforderten Tieren beurteilt werden43,57. Unter den verschiedenen Surrogatmarkern der tödlichen Sepsis wurde Hypothermie als kritischer Prädiktor für den bevorstehenden Tod sowohl bei klinischer als auch bei experimenteller Sepsisvorgeschlagen 43,58,59.
Obwohl in diesem Modell keine formalen Studien durchgeführt wurden, um Inzucht- und Outzuchtmäuse direkt zu vergleichen, sind die Daten aus dem aktuellen Protokoll mit ausgezüchteten Schweizer Webster-Mäusen trotz der vermuteten genetischen Heterogenität in verschiedenen Sepsisparametern ausserordentlich reproduzierbar. Im Allgemeinen ist ein Mortalitätsmuster, das innerhalb von 3-5 Tagen fällt, ein festes Modell der akuten Sepsis, wie durch eine schnelle Erhöhung der Sepsis-Morbidität und der Entzündungsmarker innerhalb von Stunden nach der postletalen Herausforderungbelegt wird 50,51. Bei längeren Überlebenszeiten (7-10 Tage) ist die Mortalität wahrscheinlich das Ergebnis einer mikrobiellen Belastung, die zu tödlichen Gewebeschäden in den Zielorganen und im zentralen Nervensystem führt. Die Wahl der Sepsis oder mikrobiellen Belastung kann je nach Bedarf zur Bewertung von Immunfunktionen oder Reaktionen auf entzündungshemmende Therapien oder antimykotische Therapien/ Impfstoffe angewendet werden, wie durch das verwendete Inokum bestimmt.
Zusätzlich zum i.v. lethal challenge-Modell kann eine intraabdominale Infektion mit C. albicans bei Mäusen über eine i.p. Challenge auch zu disseminiertem Candidiasis und anschließender Sepsis führen, obwohl die Koimpfung mit dem bakteriellen Erreger Staphylococcus aureus die Mortalität im Vergleich zur Monoinfektion von C. albicans synergistisch erhöht51,60,61. Im i.p. lethal challenge-Modell sind wesentlich höhere mikrobielle Inokula (1,75 x 107C. albicans/8 x 107S. aureus pro Maus) erforderlich, um eine polymikrobielle Peritonitis und Ausbreitung der Organismen aus der Bauchhöhle in den Blutkreislauf zu verursachen. In ähnlicher Weise führt eine gastrointestinale Infektion mit C. albicans bei Mäusen, die mit immunsuppressiven und/oder schleimhautschädigenden Mitteln behandelt werden, zur Translokation der Pilzzellen in den Blutkreislauf und führt zu einer Pilzselixsis62,63. Trotz der ausgeprägten Impfwege ist der Mechanismus der anschließenden Pilzsezinsis weitgehend analog zwischen den drei Krankheitsmodellen, die eine unkontrollierte systemische entzündungsfördernde Reaktion auf Candida beinhalten, die zu Organversagen führt37,51,61. In ähnlicher Weise ist es beim Menschen dieser Prozess der Wirtsreaktion, nicht einfach Candidämie, der die hohe Morbidität / Mortalität verursacht, die mit hämatogen disseminierter Candidiasis verbundenist,die in Gesundheitseinrichtungen erworben wurde64,65.
Anhand des aktuellen Pilzsepsemodells zeigen wir hier, dass der Schutz vor einer tödlichen C. albicans-Infektion durch i.v. Vorimmunisierung/Impfung mit C. dubliniensis (avirulent) oder abgeschwächten C. albicans-Mutanten erreicht werden kann, die mit einer signifikanten Verringerung der Sepsis-Morbidität einhergehen. Der Schutz wird durch angeborene Gr-1+ myeloische Suppressorzellen vermittelt, die im Knochenmark als eine Form der trainierten angeborenen Immunität induziert zu werden scheinen66,67. Es gibt Bestrebungen, das Verständnis dieser neuartigen Form des angeborenen immunvermittelten Schutzes gegen C. albicans-Blutbahninfektionen zu erweitern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das innovative Nagetiererwärmungs- / Rückhaltegerät entscheidend dazu beigetragen hat, unsere Fähigkeit zu verbessern, i.v. Injektionen von groß angelegten Mehrgruppen-Tierversuchen effizient und effektiv durchzuführen. Daher haben wir den Begriff Mouse a Minute für das Gerät geprägt. Die Gerätespezifikationen sind beim entsprechenden Autor auf Anfrage für die Beschaffung eines ähnlichen Geräts erhältlich. Die hier demonstrierten Techniken könnten als nützliches Werkzeug in Nagetiermodellen dienen, die Schwanzveneninjektionen in einem breiten Spektrum von Forschungsbereichen verwenden.
The authors have nothing to disclose.
Diese Arbeit wurde von der LSUHSC Foundation (PLF) und teilweise von U54 GM104940 vom National Institute of General Medical Sciences der National Institutes of Health unterstützt, das das Louisiana Clinical and Translational Science Center finanziert.
Candida albicans strain DAY185 | Carnegie Melon University | N/A | provided by the laboratory of Aaron Mitchell |
Candida albicans strain efg1Δ/Δ cph1Δ/Δ | University of Tennessee Health Sciences Center | N/A | provided by the laboratory of Glen Palmer |
Candida dubliniensis strain Wü284 | Trinity College, Dublin, Ireland | N/A | provided by the laboratory of Gary Moran |
Mice | Charles River Laboratories | 551NCICr:SW | Female Swiss Webster; 6-8 weeks old |
Mice | Charles River Laboratories | 556NCIC57BL/6 | Female C57BL/6; 6-8 weeks old |
Needles, 27G, ½-in | Becton Dickinson | 305109 | can be substituted from other vendors |
Phosphate buffered saline (PBS) | GE | SH30028.02 | can be substituted from other vendors |
Rodent warming and restraining device (Mouse a Minute) | LSU Health | custom order | Mouse a Minute is available for custom ordering from LSU Health |
Sabouraud dextrose agar (SDA) | Becton Dickinson | 211584 | can be substituted from other vendors |
Syringes, 1 mL | Becton Dickinson | 309659 | can be substituted from other vendors |
Trypan blue solution | Sigma | T8154 | |
Yeast peptone dextrose (YPD) broth | Fisher Scientific | BP2469 | can be substituted from other vendors |