משלוח תרופות מבוסס משאבה אוסמוטי למחקר רמיאלינציה In Vivo על מערכת העצבים המרכזית
Summary
Demyelination מתרחשת במחלות מרובות של מערכת העצבים המרכזית. טכניקה אמינה של אספקת תרופות vivo נחוצה לבדיקות רמיאלין של תרופות. פרוטוקול זה מתאר שיטה מבוססת משאבה אוסמוטית המאפשרת אספקת תרופות לטווח ארוך ישירות לתוך parenchyma המוח ומשפר את הזמינות הביולוגית של התרופה, עם יישום רחב במחקר רמיאלינציה.
Abstract
Demyelination זוהה לא רק טרשת נפוצה (טרשת נפוצה), אלא גם מחלות אחרות של מערכת העצבים המרכזית כגון מחלת אלצהיימר ואוטיזם. כמו ראיות עולה כי remyelination יכול ביעילות לשפר את תסמיני המחלה, יש התמקדות גוברת בפיתוח תרופות כדי לקדם את תהליך התחדשות המיאלין. לכן, טכניקת אספקת תרופות הניתנת לבחירה ותוצאה אמינה באזור נדרשת כדי לבדוק את היעילות והספציפיות של תרופות אלה ב vivo. פרוטוקול זה מציג את שתל המשאבה האוסמוטי כגישה חדשה להעברת תרופות במודל העכבר demyelination המושרה lysolecithin. המשאבה האוסמוטית היא מכשיר מושתל קטן שיכול לעקוף את מחסום הדם – מוח (BBB) ולספק תרופות בהתמדה וישירות לאזורים ספציפיים של מוח העכבר. זה יכול גם לשפר ביעילות את הזמינות הביולוגית של תרופות כגון פפטידים וחלבונים עם זמן מחצית חיים קצר. לכן, שיטה זו היא בעלת ערך רב לתחום של מערכת העצבים המרכזית מיאלין התחדשות המחקר.
Introduction
המשאבה האוסמוטית היא מכשיר קטן ומושתל לשחרור פתרונות. זה יכול לשמש למסירה מערכתית כאשר מושתל תת עורית או בחלל הבטן. פני השטח של המשאבה האוסמוטית הם קרום חדיר למחצה, והצד הפנימי שלה הוא שכבה חדירה. המשאבה האוסמוטית פועלת באמצעות הפרש הלחץ האוסמוטי בין השכבה האוסמוטית לסביבת הרקמה שבה המשאבה מושתלת. האוסמולליות הגבוהה של השכבה האוסמוטית גורמת למים ברקמה לזרום לשכבה האוסמוטית דרך הממברנה החדירה למחצה על משטח המשאבה. השכבה האוסמוטית מרחיבה ודוחסת את המאגר הגמיש בתוך המשאבה, ובכך מוציאה את הפתרון מהמאגר הגמיש בקצב מסוים למשך זמן ארוך1. המשאבה כוללת שלושה נפחי מאגר שונים, 100 μL, 200 μL, ו 2 מ”ל, עם שיעורי המסירה שלהם משתנים מ 0.11 μL / h ל 10 μL / h. בהתאם לסוג המשאבה שנבחר, ההתקן יכול לפעול מיום אחד עד 6 שבועות2. בפרוטוקול זה, משאבה אוסמוטית 100 μL עם קצב העברה של 0.25 μL / h שיכול לפעול במשך 14 ימים משמש.
בשנות ה-70, המשאבה האוסמוטית שימשה במחקר מדעי המוח 3,4. לדוגמה, וויי ואח ‘ אימץ את גישת המשאבה האוסמוטית להזריק פפטידים אופיואידים לחדר במחקר של התמכרות לסמים3. לאחר שיפור מתמשך, המשאבה האוסמוטית שימשה כעת במחקר של משלוח מבוקר של אלפי תרופות, כולל פפטידים, גורמי גדילה, תרופות ממכרות, הורמונים, סטרואידים, נוגדנים, וכן הלאה. בנוסף, עם צנתרים מיוחדים (ערכות עירוי המוח) מחוברים, זה יכול לשמש עירוי ממוקד לרקמות או איברים ספציפיים, כולל חוט השדרה, המוח, הטחול, הכבד 5,6,7.
במחקר של רמיאלינציה, תרופות רבות הוכחו לקדם התחדשות מיאלין במבחנה, אבל רובם לא השיגו השפעות משמעותיות vivo, אולי בשל היעדר שיטת ניהול מתאימה. שיטות ניהול מסורתיות כגון הזרקה תוך-פריטונית, הזרקה תת עורית, וניהול תוך-גסטרי יש מגבלות הזמינות הביולוגית של התרופות. בנוסף, כמה תרופות יש חדירות מחסום דם – מוח לקוי, אשר מערער את הגישה שלהם parenchyma המוח. יחד, מגבלות אלה דורשות שיטת אספקה יעילה חדשנית. בשילוב עם ערכות עירוי המוח, משאבות אוסמוטיות יכולות לעקוף את מחסום הדם – מוח ולספק תרופות ישירות לקורפוס קאלוזום, אשר משפר ביעילות את הזמינות הביולוגית של תרופות, במיוחד עבור כמה תרופות פוליפפטיד וחלבון עם מחצית חיים קצרה. לכן, המשאבה האוסמוטית כטכניקת אספקת תרופות חדשה היא בעלת ערך רב לתחום של מערכת העצבים המרכזית מיאלין התחדשות המחקר. היישום של טכניקה זו יוצג בפירוט להלן.
Protocol
Representative Results
Discussion
פרוטוקול זה מתאר את המשאבה האוסמוטית כטכניקת אספקת תרופות חדשנית למחקר התחדשות מיאלין, אשר יכול לספק תרופות ישירות לאתר הטיפול ולאפשר אספקת תרופות עקבית לתקופה ממושכת, יצירת ריכוז תרופות יציב בסביבה מיקרו של מערכת העצבים המרכזית בכל משך הניסוי. בהשוואה לשיטות אחרות להעברת תרופות, המשאבה…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
עבודה זו נתמכה על ידי מענקים מהקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (NSFC 32070964, 31871045) ל- J.N. ולקרן המחקר הבסיסית של שנזן (JCYJ20210324121214039) ל- Y.S.
Materials
| Anesthesia Air Pump | RWD | R510-29 | E05818-006 |
| Brain Infusion kit 3 | ALZET | 0008851 | 1-3 mm |
| Carprofen | Macklin | C830557-1g | 5 mg/kg every 24 h |
| Erythromycin eye ointment | Along technology | YCKJ-RJ-024780 | Cover the surface of the eyeballs during anesthesia |
| Erythromycin ointment | pythonbio | RG180 | |
| Gas Evacuation Apparatus | RWD | R546W | E05518-002 |
| L-α-Lysophosphatidylcholine | Sigma | L0906 | Dissolve at 1% with sterile PBS |
| Microliter Syringe | Hamilton | 65460-05 | Syringe Series:1700, 10 µL, 33 gauge |
| Micro-smotic pump model 1002 | ALZET | 0004317 | 0.25 µL per hour, 14 days |
| PBS (pH = 7.3) | ORIGENE | ZLI-9061 | |
| Pentobarbital sodium | Shanghai Civi | CAS NO: 57-33-0 | 150-200 mg/kg intraperitoneal injection for euthanasia |
| Small Animal Anesthesia Machine | RWD | R520IE | E05807-006 M |
| Stereotaxic Equipment | RWD | E06382 | |
| STERI 250 sterilizer | Keller | 31101 | Rapid sterilization of surgical instruments |
| Surgical sutures | Shanghai jinhuan | F504 | 5-0 |
| Syringe needle (1 mL) | Shanghai KDL | 6930197811018 | 26 gauge (0.45 mm x 16 mm) |
| Testing drug and solvent | Experiment dependent | N/A | |
| ThermoStar Homeothermic Monitoring System | RWD | 69026 | Maintain body temperature during anesthesia |
| Vetbond Tissue adhesive | 3M | 1469SB | Secure the brain infusion cannula , Adhere the skin incision |
References
- Theeuwes, F., Yum, S. I. Principles of the design and operation of generic osmotic pumps for the delivery of semisolid or liquid drug formulations. Annals of Biomedical Engineering. 4 (4), 343-353 (1976).
- Herrlich, S., Spieth, S., Messner, S., Zengerle, R. Osmotic micropumps for drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 64 (14), 1617-1627 (2012).
- Wei, E., Loh, H. Physical dependence of opiate-like peptides. Science. 193 (4259), 1262-1263 (1976).
- Pettigrew, J. D., Kasamatsu, T. Local perfusion of noradrenaline maintains visual cortical plasticity. Nature. 271 (5647), 761-763 (1978).
- Wang, Y., et al. Reduced oligodendrocyte precursor cell impairs astrocytic development in early life stress. Advanced Science (Weinheim). 8 (16), 2101181 (2021).
- Tang, C., et al. Neural stem cells behave as a functional niche for the maturation of newborn neurons through the secretion of PTN. Neuron. 101 (1), 32-44 (2019).
- Watanabe, S., Komine, O., Endo, F., Wakasugi, K., Yamanaka, K. Intracerebroventricular administration of Cystatin C ameliorates disease in SOD1-linked amyotrophic lateral sclerosis mice. Journal of Neurochemistry. 145 (1), 80-89 (2018).
- DeVos, S. L., Miller, T. M. Direct intraventricular delivery of drugs to the rodent central nervous system. Journal of Visualized Experiments: JoVE. , e50326 (2013).
- Tang, C., Guo, W. Implantation of a mini-osmotic pump plus stereotactical injection of retrovirus to study newborn neuron development in adult mouse hippocampus. STAR Protocols. 2 (1), 100374 (2021).
- Niu, J., et al. Oligodendroglial ring finger protein Rnf43 is an essential injury-specific regulator of oligodendrocyte maturation. Neuron. 109 (19), 3104-3118 (2021).
- Breitschopf, H., Suchanek, G., Gould, R. M., Colman, D. R., Lassmann, H. In situ hybridization with digoxigenin-labeled probes: sensitive and reliable detection method applied to myelinating rat brain. Acta Neuropathologica. 84 (6), 581-587 (1992).
- Cree, B. A. C., et al. Clemastine rescues myelination defects and promotes functional recovery in hypoxic brain injury. Brain. 141 (1), 85-98 (2018).
- Eckenhoff, B., Yum, S. I. The osmotic pump: novel research tool for optimizing drug regimens. Biomaterials. 2 (2), 89-97 (1981).
- Thoenen, H., Sendtner, M. Neurotrophins: from enthusiastic expectations through sobering experiences to rational therapeutic approaches. Nature Neuroscience. 5, 1046-1050 (2002).
- Hagg, T. Intracerebral infusion of neurotrophic factors. Methods in Molecular Biology. 399, 167-180 (2007).
- Bittner, B., Thelly, T., Isel, H., Mountfield, R. J. The impact of co-solvents and the composition of experimental formulations on the pump rate of the ALZET osmotic pump. International Journal of Pharmaceutics. 205 (1-2), 195-198 (2000).
- Arnot, M. I., Bateson, A. N., Martin, I. L. Dimethyl sulfoxide/propylene glycol is a suitable solvent for the delivery of diazepam from osmotic minipumps. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 36 (1), 29-31 (1996).
- Gullapalli, R., et al. Development of ALZET osmotic pump compatible solvent compositions to solubilize poorly soluble compounds for preclinical studies. Drug Delivery. 19 (5), 239-246 (2012).
- White, J. D., Schwartz, M. W. Using osmotic minipumps for intracranial delivery of amino acids and peptides. Methods in Neurosciences. 21, 187-200 (1994).
