Dieser Artikel beschreibt die Entwicklung einer Methode, um akute oder chronische trockene Augenerkrankungen bei Kaninchen zu induzieren, indem Concanavalin A in alle Teile des Orbital-Tränendrüsensystems injiziert wird. Diese Methode, die den bereits gemeldeten überlegen ist, erzeugt ein reproduzierbares, stabiles Modell des trockenen Auges, das für die Untersuchung pharmakologischer Wirkstoffe geeignet ist.
Trockene Augenkrankheit (DED), eine multifaktorielle entzündliche Erkrankung der Augenoberfläche, betrifft 1 von 6 Menschen weltweit mit erschütternden Auswirkungen auf die Lebensqualität und die Gesundheitskosten. Der Mangel an informativen Tiermodellen, die seine Hauptmerkmale rekapitulieren, behindert die Suche nach neuen therapeutischen Wirkstoffen für DED. Verfügbare DED-Tiermodelle weisen eine begrenzte Reproduzierbarkeit und Wirksamkeit auf. Hier wird ein Modell vorgestellt, in dem DED induziert wird, indem das Mitogen Concanavalin A (Con A) in die orbitalen Tränendrüsen von Kaninchen injiziert wird. Innovative Aspekte dieses Modells sind die Verwendung von Ultraschall (US) Anleitung, um eine optimale und reproduzierbare Injektion von Con A in die minderwertige Tränendrüse zu gewährleisten; Injektion von Con A in alle orbitalen Tränendrüsen, die die kompensatorische Produktion von Tränen einschränkt; und Verwendung von regelmäßigen Wiederholungsinjektionen von Con A, die den Zustand von DED nach Belieben verlängern. DED und seine Reaktion auf Testmittel werden mit einem Panel von Parametern überwacht, die die Tränenproduktion, die Stabilität des Tränenfilms und den Status der Hornhaut- und Bindehautschleimhaut bewerten. Dazu gehören Tränenosmolarität, Tränenbruchzeit, Schirmers Tränentest, Rosenbengalenfärbung und Tränenlactoferrin-Spiegel. Die Induktion von DED und die Überwachung seiner Parameter werden ausführlich beschrieben. Dieses Modell ist einfach, robust, reproduzierbar und informativ. Dieses Tiermodell eignet sich zur Untersuchung der Tränenphysiologie und der Pathophysiologie von DED sowie zur Beurteilung der Wirksamkeit und Sicherheit von Kandidatenstoffen für die Behandlung von DED.
Trockene Augenkrankheit (DED) ist eine chronische Erkrankung mit hoher Prävalenz und Morbidität1,2,3,4. Entzündung spielt eine Schlüsselrolle bei der Pathogenese5,6. Die Pathophysiologie von DED wird als Folge von Unterproduktion oder Überverdunstung von Tränen herableitend; Erstere ist auch als wässrig-mangelhafte DED7bekannt. Das Sjögren-Syndrom, eine ausgiebig untersuchte prototypische Ursache von DED, betrifft in erster Linie die Tränendrüsen (LGs) und ist ein eindrucksvolles Beispiel für ihre Bedeutung bei der Pathogenese von DED. DED wird oft mit künstlichen Tränen behandelt, die vorübergehende Linderung bieten, oder mit Cyclosporin oder Lifitegrast, die beide Augenentzündungen unterdrücken. Keine der verfügbaren Behandlungen für DED sind optimal, was die Entwicklung neuer Wirkstoffe erforderlich macht8,9.
Die Suche nach neuen therapeutischen Wirkstoffen für DED wird durch drei große Herausforderungen behindert: das Fehlen eines anerkannten medikamentösen molekularen Targets, das angesichts der pathophysiologischen Komplexität von DED schwer fassbar sein kann; die Geringverdiener vielversprechender Agenten; und das Fehlen von Tiermodellen, die die wichtigsten Merkmale von DED rekapitulieren.
Wie bei den meisten Bemühungen zur Entwicklung von Medikamenten sind informative Tiermodelle von DED ein entscheidendes Untersuchungsinstrument, ungeachtet der axiomatischen Aussage, dass kein Tiermodell eine menschliche Krankheit vollständig rekapituliert. Maus-, Ratten- und Kaninchenmodelle von DED sind die am häufigsten verwendeten, während Hunde und Primaten selten verwendet werden10,11. Die meisten der mehr als 12 Bisher gemeldeten Kaninchen-DED-Modelle versuchen, die Tränenproduktion zu reduzieren, indem sie entweder LGs entfernen oder ihre Funktion behindern12,13,14,15,16. Solche Ansätze umfassen die chirurgische Resektion der ILG; Schließung des Ausscheidungskanals; und Beeinträchtigung der LG-Funktion durch Bestrahlung oder Injektion eines der folgenden Punkte: aktivierte Lymphozyten, Mitogene, Botulinumtoxin, Atropin oder Benzalklonium. Wesentliche Einschränkungen dieser Methoden sind ihre Inkonsistenz und die häufige teilweise Unterdrückung der Tränenproduktion.
Concanavalin A (Con A), ein Lektin pflanzlichen Ursprungs, ist ein potenter Stimulator T-Zell-Subsets und wurde in experimentellen Modellen von Hepatitis17 und DED18verwendet. Das ursprüngliche Con-A-basierte Modell soll erhebliche Vorteile bieten, einschließlich seiner relativen Einfachheit; entzündlicher Zellzufluss in den LGs, die Krankheiten wie Sjogren imitieren; Stimulation der proinflammatorischen Zytokine IL-1, IL-8 und TGF-Nr. 1; reduzierte Tränenfunktion überwacht durch Messung der Rissfluorescein-Freiraum- und Reißunterbrechungszeit (TBUT); und Arzneimittelreaktion für ein entzündungshemmendes Kortikosteroid gezeigt.
Bei der Anwendung dieser vielversprechenden Methode wurden zusätzlich zu ihren Vorteilen Einschränkungen festgestellt, die eine allgemeine Überarbeitung und drastische Verbesserungen erforderten. Drei kritische Mängel der Methode sind dokumentiert. Erstens war das Modell ein akutes; der induzierte DED nach ca. 1 Woche nachgelassen. Zweitens war die Reaktion der Tiere inkonsequent. Wie sich gezeigt hat, wurde Con A bei “blinden” transkutanen Injektionen in das inferiorE LG (ILG) nur zufällig an die Zieldrüse geliefert. Detaillierte Untersuchungen der Anatomie der ILG ergaben, dass ihre Größe bis zu 4-fach19 variieren konnte, was solche Injektionen “Hit-or-Miss”-Bemühungen macht. Schließlich kompensierte das überlegene LG (SLG) auch bei der Injektion der ILG häufig den reduzierten Durchreißfluss, was das Modell problematisch machte.
Diese wesentlichen Einschränkungen wurden durch die Einführung von drei Änderungen an der Methode überwunden, wodurch ein überlegenes Tiermodell von DED generiert wurde. Zunächst wurde die Injektion von Con A in die ILG unter Ultraschall -anleitung durchgeführt, um sicherzustellen, dass Con A in die Drüse gelangte. Der Erfolg der Injektion wurde durch die Erlangung eines US-Bilds nach der Injektion bestätigt, wie in Abbildung 1dargestellt. Zweitens wurden zur Beseitigung des kompensatorischen Tränenbeitrags der SLG sowohl der palpebrale als auch der orbitale Teil dieser Drüse mit Con A injiziert. Schließlich wurde dieses akute Modell von DED durch wiederholte Injektionen von Con A alle 7-10 Tage in ein chronisches umgewandelt. DED von 2 Monaten Dauer ist leicht bei diesen Kaninchen erreicht. Der Erfolg dieses Ansatzes wurde ausführlich dokumentiert19.
Wie bereits erwähnt, besteht eine wichtige Anwendung von Tiermodellen von DED darin, die Wirksamkeit und Sicherheit von Kandidatentherapeutika zu bestimmen. Der Nutzen dieses Modells wurde durch die Studie von Phosphosulindac (OXT-328), einem neuartigen entzündungshemmenden kleinen Molekül20,21 als Augentropfen verabreicht demonstriert. Seine Wirksamkeit wurde anhand eines Panels von Parametern von DED19nachgewiesen. Die relative Einfachheit und informative Natur dieses Modells ermöglichte auch einen Vergleich von Phosphosulindac mit den beiden von der FDA zugelassenen Arzneimitteln für DED, Cyclosporin und Lifitegrast, was seine starke präklinische Überlegenheit demonstrierte.
Kaninchen sind sehr attraktiv für das Studium von DED. Ihre Hornhaut und Bindehaut haben eine Oberfläche näher an der des Menschen im Vergleich zu Mäusen und Ratten; ihre Ergänzung von medikamentösen metabolisierenden Enzymen wie Esterasen und Histologie ihrer Tränendrüsen ähneln denen des Menschen, und ihre Augen sind groß genug für informative pharmakokinetische Studien. Im Vergleich zu Schweinen und Affen, mit denen sie ähnliche Eigenschaften teilen, kosten sie weniger und ihre experimentelle Manipulation ist einfacher. Wenn mechanistische Studien in Betracht gezogen werden, besteht ein relativer Nachteil des Kaninchens im Vergleich zu Mäusen darin, dass weniger Reagenzien (z. B. monoklonale Antikörper) zur Verfügung stehen. Auf der anderen Seite ist das Kaninchen Mäusen für pharmakokinetische und Bioverteilungsstudien weit überlegen, da einzelne Gewebe leicht seziert werden und von ausreichender Größe für analytische Arbeiten sind, wodurch “Probenpooling” vermieden wird.
Ein kritischer allgemeiner Parameter ist die Akklimatisierungszeit der Kaninchen. Die Tiere werden vom Verkäufer unter Bedingungen verschifft, die oft keine Transportumgebung mit der entsprechenden Temperatur oder Luftfeuchtigkeit gewährleisten. Einige Tiere haben bei der Ankunft möglicherweise bereits ein trockenes Auge entwickelt. Eine zweiwöchige Eingewöhnungszeit wird empfohlen. Ebenso wichtig ist die sorgfältige Aufmerksamkeit auf die Feuchtigkeit und Temperatur des Raumes, in dem die Studienkaninchen im Vivarium untergebracht sind. Abweichungen in beiden Zustand können große Schwankungen in ihrem Augenstatus verursachen. Haben Sie Luftbefeuchter und Luftentfeuchter zur Hand. Wenn das zentralsystem ausfällt, handeln Sie schnell, um die Umgebungsfeuchtigkeit mit dem Back-up-Gerät wiederherzustellen. Denken Sie daran, dass solche unglücklichen Entwicklungen in den Sommermonaten häufiger auftreten. Die drei wichtigsten Schritte zur erfolgreichen Induktion von DED bei Kaninchen sind jedoch: 1) die geschickte Verwendung von US-Bildgebung, um die ILG zu identifizieren und die Injektion von Con A zu lenken und zu bestätigen; 2) Sicherstellung der Injektion sowohl der ILG als auch der beiden Teile der SLG; und 3) zuverlässig und reproduzierbar die Parameter von DED zu bestimmen.
Die Entwicklung der erforderlichen experimentellen Fähigkeiten ist nicht trivial, sollte aber keinen ernsthaften Prüfer abschrecken. Erwarten Sie, dass die Lernkurve innerhalb von fünf Iterationen abgeschlossen wird. Ein US-Bildgebungssystem von angemessener Qualität ist unerlässlich. Die Anerkennung anatomischer Kennzeichen durch die USA ist wichtig, daher sollte der Forscher die Anatomie des Kaninchens überprüfen. Die ausgezeichnete Beschreibung der Kaninchenanatomie von Davis25, einem Klassiker, kann immens hilfreich sein. Beachten Sie auch die Unterschiedliche in der Größe der ILG. Daraus folgt, dass der Erfolg von Con A immer mit Follow-up-Bildgebung bestätigt werden muss. Variationen in der Reaktion auf Con A in einer Gruppe von Kaninchen ist am häufigsten auf die Injektionstechnik (erfolglose oder teilweise erfolgreiche Injektion) oder auf das Ignorieren der Fähigkeit von Rest-Tränendrüsengeweben, durch Überproduktion von Rissen zu kompensieren. Für diejenigen, die die Injektionstechnik beherrschen möchten, kann die Injektion von Methylenblau gefolgt von einer prompten anatomischen Zerlegung hilfreich sein; Visualisierung wird erreicht, wenn sie die Tränendrüse erreicht oder auf benachbarte Gewebe verschüttet wird. Bis heute wurde diese Injektionsmethode über 270 Mal von den Autoren ohne eine einzige Komplikation durchgeführt.
Die oben vorgestellten fünf Parameter von DED zu bestimmen, kann ebenso schwierig sein wie ihre Bestimmung in der klinischen Praxis. Obwohl zirkadiane Variationen noch nicht formal in einer von ihnen dokumentiert wurden, gibt es genügend Hintergrundbeweise für solche Phänomene im Auge28, dass sie zur gleichen Tageszeit untersucht werden sollten (ca. 1 h), vor allem, wenn wiederholte Tests durchgeführt und miteinander verglichen werden sollen. Die Konsistenz bei der Durchführung dieser Assays ist von wesentlicher Bedeutung. Ein zweier Team ist erforderlich. Vier oder mehr Ermittler im selben Raum, die an den Tests teilnehmen, können störend sein, da einige Schritte ein strenges Timing erfordern. Eine angemessene und qualitativ hochwertige fotografische Dokumentation, sofern angegeben, ist wichtig.
Dieses Modell eignet sich ideal für Studien zur Arzneimittelentwicklung. Die Beherrschung des Tiermodells und der Assay-Techniken sorgten für eine hervorragende Reproduzierbarkeit19 von Wirksamkeits- und Sicherheitsstudien.
Dies ist ein leistungsstarker experimenteller Ansatz, weil er die verwirrende Variabilität früherer Modelle eliminiert, das Tiermodell rationalisiert und im Wesentlichen standardisiert die fünf Parameter von DED ermittelt. Die erfolgreiche Anwendung dieses Modells auf die Untersuchung eines kandidaten therapeutischen Wirkstoffs hat seinen praktischen Nutzen als informatives Tiermodell für eine Krankheit bestätigt, die dringend neue Wirkstoffe und ein tieferes Verständnis ihrer Pathogenese braucht.
The authors have nothing to disclose.
Alle Tierversuche wurden in Übereinstimmung mit allen einschlägigen regulatorischen und institutionellen Richtlinien abgeschlossen. Alle Studien wurden vom Institutional Review Board der Stony Brook University genehmigt und in Übereinstimmung mit der ARVO-Erklärung für den Einsatz von Tieren in der Augen- und Sehforschung durchgeführt.
Diese Studien wurden teilweise durch ein Targeted Research Opportunities Stipendium der Stony Brook University School of Medicine (Grant Number 1149271-1-82502) und ein Forschungsstipendium von Medicon Pharmaceuticals, Inc., Setauket, NY, unterstützt. Die Autoren danken Michele McTernan für die redaktionelle Unterstützung.
100 mm macro lens | Canon EF 100mm f/2.8L IS USM | 3554B002 | |
26 gauge needles (5/8) | Becton Dickinson and Company, Franklin Lakes, NJ | 305115 | Needles for injecting ConA into the lacrimal glands |
27 gauge needles (5/8) | Becton Dickinson and Company, Franklin Lakes, NJ | 305921 | Needles for injecting ConA into the lacrimal glands |
Aceproinj (acepromazine) | Henry Schein Animal Health, Dublin, OH | NDC11695-0079-8 | 0.1ml/kg subcutaneously injection for rabbit sedation |
Anesthesia vaporizer | VetEquip, Pleasanton, CA | Item #911103 | |
Bishop Harmon Forceps | Bausch and Lomb (Storz), Bridgewater, NJ | E1500-C | Tissue forceps |
Caliper | Bausch and Lomb (Storz), Bridgewater, NJ | E-2404 | Caliper used to measure length of needle during ConA injection |
Concanavalin A | Sigma, St. Louis, MO | C2010 | Make 5mg/ml in PBS for injection into rabbit lacrimal glands |
DSLR camera | Canon EOS 7D DSLR | 3814B004 | Digital single lens reflex camera |
fluorescein | AKRON, Lake Forest, IL | NDC17478-253 | Dilute to 0.2% with PBS to measure TBUT |
Isoflurane | Henry Schein, Melville, NY | 29405 | |
Lactoferrin ELISA kit | MyBiosource, San Diego, CA | MBS032049 | Measure tear lactoferrin level |
lidocaine | Sigma, St. Louis, MO | L5647 | 1% in PBS for anesthesia agent |
macro/ring flash | Canon Macro Ring Lite MR-14EXII | 9389B002AA | |
Osmolarity tips | TearLab Corp., San Diego, CA | #100003 REV R | Measure tear osmolarity |
PBS (phosphate buffered saline) | Mediatech, Inc. Manassas, VA | 21-031-CV | |
Rabbit, New Zealand White or Dutch Belted (as described in text) | Charles River Labs, Waltham, MA | 2-3 kg | Research animals |
Rose Bengal | Amcon Laboratories Inc., St. Louis, MO | NDC51801-004-40 | 1% in PBS, stain the ocular surface |
Schirmer strips | Eaglevision, Katena products. Denville, NJ | AX13613 | Measure tear production |
Surgical Loupes +1.50 | Designs for Vision, Bohemia, NY | Specialty item | Provide magnificantion of ocular surface while observing tear break up and performing Concanavalin A injections. |
TearLab Osmometer | TearLab Corp., San Diego, CA | Model #200000W REV A | Measure tear osmolarity |
Ultrasound probe | VisualSonics Toronto, Ont | MX 550 S | Untrasonography-guide Con A injection for inferior lacrimal gland |