Dit artikel beschrijft de ontwikkeling van een methode om acute of chronische droge oogziekte bij konijnen te veroorzaken door concanavalin A te injecteren in alle delen van het orbitale traankliersysteem. Deze methode, superieur aan de reeds gemelde, genereert een reproduceerbaar, stabiel model van droge ogen geschikt voor de studie van farmacologische middelen.
Droge oogziekte (DED), een multifactoriële ontstekingsziekte van het oculaire oppervlak, treft 1 op de 6 mensen wereldwijd met duizelingwekkende gevolgen voor de kwaliteit van leven en de kosten van gezondheidszorg. Het ontbreken van informatieve diermodellen die de belangrijkste kenmerken ervan samenvatten, belemmert het zoeken naar nieuwe therapeutische middelen voor DED. Beschikbare DED-diermodellen hebben een beperkte reproduceerbaarheid en werkzaamheid. Een model wordt hier gepresenteerd waarin DED wordt geïnduceerd door het injecteren van de mitogen concanavalin A (Con A) in de orbitale traanklieren van konijnen. Innovatieve aspecten van dit model zijn het gebruik van echografie (VS) begeleiding om een optimale en reproduceerbare injectie van Con A in de inferieure traanklier te garanderen; injectie van Con A in alle orbitale traanklieren die de compenserende productie van tranen beperken; en het gebruik van periodieke herhalingsinjecties van Con A die de toestand van DED naar testament verlengen. DED en haar reactie op testagenten worden gecontroleerd met een panel van parameters die scheurproductie, de stabiliteit van de traanfilm en de status van het hoornvlies en bindvliesslijm beoordelen. Ze omvatten traan osmolarity, scheur break-up tijd, Schirmer’s traan test, roos Bengaalse vlekken, en scheur lactoferrine niveaus. De inductie van DED en de monitoring van de parameters worden in detail beschreven. Dit model is eenvoudig, robuust, reproduceerbaar en informatief. Dit diermodel is geschikt voor de studie van scheurfysiologie en van de pathofysiologie van DED en voor de beoordeling van de werkzaamheid en veiligheid van kandidaat-agenten voor de behandeling van DED.
Droge oogziekte (DED) is een chronische aandoening met een hoge prevalentie en morbiditeit1,2,3,4. Ontsteking speelt een belangrijke rol in zijn pathogenese5,6. De pathofysiologie van DED is geconceptualiseerd als gevolg van onderproductie of oververdamping van tranen; de eerste is ook bekend als water-tekort DED7. Het syndroom van Sjögren, een uitgebreid bestudeerde prototypische oorzaak van DED, beïnvloedt voornamelijk de traanklieren (LP’s) en is een treffend voorbeeld van hun belang in de pathogenese van DED. DED wordt vaak behandeld met kunstmatige tranen die tijdelijke verlichting bieden, of met cyclosporine of lifitegrast, die beide onderdrukken oculaire ontsteking. Geen van de beschikbare behandelingen voor DED zijn optimaal, waardoor de ontwikkeling van nieuwe middelen8,9noodzakelijk is.
De zoektocht naar nieuwe therapeutische middelen voor DED wordt belemmerd door drie grote uitdagingen: het ontbreken van een erkend druggable moleculair doel, dat ongrijpbaar kan zijn gezien de pathofysiologische complexiteit van DED; de sparsiteit van veelbelovende agenten; en het gebrek aan diermodellen die belangrijke kenmerken van DED samenvatten.
Zoals met de meeste inspanningen voor de ontwikkeling van geneesmiddelen, informatieve diermodellen van DED zijn een cruciaal onderzoeksinstrument, ondanks de axiomatische verklaring dat geen enkel dier model volledig recapituleert een menselijke ziekte. Muis, rat, en konijn modellen van DED zijn de meest gebruikte terwijl honden en primaten worden zelden gebruikt10,11. De meeste van de meer dan 12 konijn DED modellen gemeld tot nu toe proberen om scheur productie te verminderen door ofwel het verwijderen van GS of door het belemmeren van hun functie12,13,14,15,16. Dergelijke benaderingen omvatten de chirurgische resectie van de ILG; sluiting van het uitscheidingskanaal; en afbreuk doen aan de functie van LG door bestraling of injectie van een van de volgende: geactiveerde lymfocyten, mitogenen, botulinetoxine, atropine of benzalklonium. Grote beperkingen van deze methoden zijn hun inconsistentie en de frequente gedeeltelijke onderdrukking van scheurproductie.
Concanavalin A (Con A), een lectine van plantaardige oorsprong, is een krachtige stimulator T-cel subsets en is gebruikt in experimentele modellen van hepatitis17 en DED18. Het oorspronkelijke Op Con A gebaseerde model bood naar verluidt aanzienlijke voordelen, waaronder de relatieve eenvoud; inflammatoire celinstroom in de LP’s, het nabootsen van ziekten zoals Sjogren’s; stimulatie van de ontstekingsremmende cytokines IL-1β, IL-8 en TGF-β1; verminderde scheurfunctie die wordt gecontroleerd door het meten van scheurfluoresceinespeling en scheurbreak-up tijd (TBUT); en reactievermogen van geneesmiddelen getoond voor een ontstekingsremmende corticosteroïde.
Toen deze veelbelovende methode werd toegepast, werden, naast de voordelen ervan, beperkingen vastgesteld die de algehele herziening en drastische verbeteringen noodzakelijk maakten. Drie kritieke tekortkomingen van de methode worden gedocumenteerd. Ten eerste was het model acuut; de geïnduceerde DED zakte na ongeveer 1 week. Ten tweede was de reactie van de dieren inconsistent. Zoals aangetoond, in “blinde” transcutane injecties aan de Inferieure LG (ILG), Con A werd geleverd slechts willekeurig aan de beoogde klier. Gedetailleerde studie van de anatomie van de ILG bleek dat de grootte ervan kan variëren zo veel als 4-voudige19 het maken van dergelijke injecties “hit-or-miss” inspanningen. Ten slotte, zelfs toen de ILG werd geïnjecteerd, de superieure LG (SLG) vaak gecompenseerd voor de verminderde traanstroom, waardoor het model problematisch.
Deze belangrijke beperkingen werden overwonnen door de invoering van drie wijzigingen in de methode, het genereren van een superieur dier model van DED. Ten eerste werd de injectie van Con A in de ILG uitgevoerd onder echografie (VS) begeleiding, ervoor te zorgen dat Con A in de klier. Het succes van de injectie werd bevestigd door het verkrijgen van een post-injectie Amerikaanse beeld, zoals blijkt uit figuur 1. Ten tweede, om de compenserende scheurbijdrage van de SLG te verwijderen, werden zowel de palpebral- als orbitale delen van deze klier geïnjecteerd met Con A. Ten slotte werd dit acute model van DED omgezet in een chronische door herhaalde injecties van Con A om de 7-10 dagen. DED van 2 maanden duur wordt gemakkelijk bereikt bij deze konijnen. Het succes van deze aanpak is ruimschoots gedocumenteerd19.
Zoals reeds vermeld, is een belangrijke toepassing van diermodellen van DED het bepalen van de werkzaamheid en veiligheid van kandidaat-therapeutische middelen. Het nut van dit model werd aangetoond door de studie van fosfosulindac (OXT-328), een nieuw ontstekingsremmend klein molecuul20,21 toegediend als oogdruppels. De werkzaamheid ervan werd aangetoond op basis van een panel van parameters van DED19. De relatieve eenvoud en informatieve aard van dit model ook toegestaan side-by-side vergelijking van fosfosulindac met de twee FDA goedgekeurde geneesmiddelen voor DED, cyclosporine en lifitegrast, waaruit blijkt zijn sterke preklinische superioriteit.
Konijnen zijn zeer aantrekkelijk voor de studie van DED. Hun hoornvlies en bindvlies hebben een oppervlakte dichter bij die van mensen in vergelijking met muizen en ratten; hun aanvulling van drug metaboliserende enzymen zoals esterases, en histologie van hun traanklieren zijn vergelijkbaar met die van de mens, en hun ogen zijn groot genoeg voor informatieve farmacokinetische studies. Vergeleken met varkens en apen, waarmee ze dezelfde kenmerken delen, kosten ze minder en is hun experimentele manipulatie gemakkelijker. Als mechanistische studies worden overwogen, is een relatief nadeel van het konijn, in vergelijking met muizen, dat er minder reagentia (bijvoorbeeld monoklonale antilichamen) beschikbaar zijn. Aan de andere kant, het konijn is veel beter dan muizen voor farmacokinetische en biodistributie studies, omdat individuele weefsels zijn gemakkelijk ontleed en van voldoende grootte voor analytisch werk, het vermijden van “monster pooling.”
Een kritische algemene parameter is de acclimatisatieperiode van de konijnen. De dieren worden verzonden van de verkoper onder omstandigheden die vaak niet zorgen voor een transport omgeving van de juiste temperatuur of vochtigheid. Sommige dieren hebben bij aankomst al een droog oog ontwikkeld. Een periode van twee weken van acclimatisatie wordt aanbevolen. Even belangrijk is nauwgezette aandacht voor de vochtigheid en temperatuur van de ruimte waar de studiekonijnen in het vivarium zijn ondergebracht. Afwijkingen in beide toestanden kunnen leiden tot enorme variaties in hun oogstatus. Hebben back-up bevochtigers en ontvochtigers bij de hand. Als het centrale systeem uitvalt, moet u snel reageren om de luchtvochtigheid te herstellen met behulp van de back-upapparatuur. Houd er rekening mee dat dergelijke ongelukkige ontwikkelingen vaker voorkomen in de zomermaanden. De drie meest kritieke stappen, echter, voor het succesvol induceren van DED bij konijnen zijn: 1) het bekwame gebruik van de Amerikaanse beeldvorming om de ILG te identificeren en te sturen en te bevestigen injectie van Con A; 2) het waarborgen van de injectie van zowel de ILG als de twee delen van de SLG; en 3) betrouwbaar en reproducibly het weggeven van de parameters van DED.
Het ontwikkelen van de vereiste experimentele vaardigheid is niet triviaal, maar mag geen serieuze onderzoeker afschrikken. Verwacht dat de leercurve binnen vijf iteraties wordt voltooid. Een Amerikaanse beeldvormingssysteem van redelijke kwaliteit is essentieel. Erkenning van anatomische kenmerken door de VS is belangrijk, daarom moet de onderzoeker de anatomie van het konijn herzien. De uitstekende beschrijving van konijn anatomie door Davis25, een klassieker, kan enorm nuttig zijn. Houd ook rekening met de variatie in de grootte van de ILG. Het gevolg hiervan is dat het succes van Con A altijd bevestigd moet worden met follow-up beeldvorming. Variaties in de reactie op Con A in een groep konijnen is meestal te wijten aan de injectietechniek (mislukte of gedeeltelijk succesvolle injectie) of aan het negeren van de capaciteit van resterende traanklierweefsels om te compenseren met overproductie van tranen. Voor degenen die de injectietechniek onder de knie willen krijgen, kan het injecteren van methyleenblauw, gevolgd door een snelle anatomische dissectie, nuttig zijn; visualisatie wordt bereikt als het de traanklier bereikt of op naburige weefsels morst. Tot op heden is deze injectiemethode meer dan 270 keer uitgevoerd door de auteurs zonder een enkele complicatie.
Het zeggen van de vijf parameters van DED hierboven gepresenteerd kan net zo lastig als hun bepaling in de klinische praktijk. Hoewel circadiane variaties nog niet formeel zijn gedocumenteerd in een van hen, is er genoeg achtergrondbewijs van dergelijke verschijnselen in het oog28 dat ze moeten worden geassuleren op hetzelfde tijdstip van de dag (± 1 h), vooral wanneer herhaalde testen moeten worden uitgevoerd en vergeleken met elkaar. Consistentie bij het uitvoeren van deze tests is essentieel. Een team van twee is vereist. Vier of meer onderzoekers in dezelfde kamer die deelnemen aan de testen kunnen storend zijn, gezien het feit dat sommige stappen vereisen strikte timing. Passende en hoogwaardige fotografische documentatie, waar aangegeven, is belangrijk.
Dit model is bij uitstek geschikt voor medicijnontwikkelingsstudies. Beheersing van het diermodel en testtechnieken zorgden voor een uitstekende reproduceerbaarheid19 van werkzaamheids- en veiligheidsstudies.
Dit is een krachtige experimentele benadering omdat het de verwarrende variabiliteit van eerdere modellen elimineert, het diermodel heeft gestroomlijnd en in wezen gestandaardiseerd is door de vijf parameters van DED te gebruiken. De succesvolle toepassing van dit model op de studie van een kandidaat therapeutisch middel heeft zijn praktisch nut als informatief dierlijk model voor een ziekte bevestigd die dringend nieuwe agenten en van een dieper begrip van zijn pathogenese nodig heeft.
The authors have nothing to disclose.
Alle dierstudies werden afgerond in overeenstemming met alle relevante wettelijke en institutionele richtlijnen. Alle studies werden goedgekeurd door de Institutional Review Board van De Universiteit van De Beek van Steensteen en uitgevoerd overeenkomstig de Verklaring ARVO voor het Gebruik van Dieren in Oogheelkundig en VisieOnderzoek.
Deze studies werden gedeeltelijk ondersteund door een Targeted Research Opportunities subsidie van de Stony Brook University School of Medicine (Grant Number 1149271-1-82502) en een onderzoekssubsidie van Medicon Pharmaceuticals, Inc, Setauket, NY. De auteurs bedanken Michele McTernan voor redactionele steun.
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 |