Entrega de anticuerpos en el cerebro murino a través de la entrega mejorada por convección
Summary
La administración mejorada por convección (CED) es un método que permite la entrega efectiva de terapias en el cerebro mediante la perfusión directa de grandes volúmenes de tejido. El procedimiento requiere el uso de catéteres y un procedimiento de inyección optimizado. Este protocolo describe una metodología para CED de un anticuerpo en un cerebro de ratón.
Abstract
La administración mejorada por convección (CED) es una técnica neuroquirúrgica que permite la perfusión efectiva de grandes volúmenes cerebrales utilizando un sistema de catéter. Este enfoque proporciona un método de administración seguro que pasa por alto la barrera hematoencefálica (BBB), permitiendo así el tratamiento con terapias con permeabilidad bBB deficiente o aquellos para los que no se desea la exposición sistémica, por ejemplo, debido a la toxicidad. CED requiere la optimización del diseño del catéter, el protocolo de inyección y las propiedades del infusato. Con este protocolo se describe cómo realizar CED de una solución que contiene hasta 20 g de un anticuerpo en los putamen caudados de ratones. Describe la preparación de catéteres escalonados, probarlos in vitro y realizar el CED en ratones utilizando un programa de inyección de rampa. El protocolo se puede ajustar fácilmente para otros volúmenes de perfusión y se puede utilizar para inyectar varios trazadores o sustancias farmacológicamente activas o inactivas, incluyendo quimioterapéuticas, citoquinas, partículas virales y liposomas.
Introduction
La barrera hematoencefálica (BBB) forma un borde semipermeable que separa el sistema nervioso central (SNC) de la circulación sanguínea. Sin embargo, llegar al SNC con terapias es necesario en el contexto de diversas enfermedades, como tumores cerebrales, enfermedad de Alzheimer (AD) o enfermedad de Parkinson (PD), entre otras1. Esto se vuelve importante en el desarrollo de nuevas terapias, especialmente si el fármaco probado presenta una permeabilidad bBB deficiente o su exposición sistémica puede conducir a toxicidad peligrosa1,2. Algunos de los anticuerpos clínicamente utilizados muestran ambas características. Una solución a este problema sería entregar las terapias directamente detrás de la BBB.
El parto mejorado por convección (CED) es una técnica neuroquirúrgica que permite la perfusión efectiva de grandes volúmenes cerebrales. Esto se logra mediante la instalación quirúrgica de uno o más catéteres en el área objetivo. Durante la aplicación del fármaco, se forma un gradiente de presión en la apertura del catéter, que se convierte en la fuerza motriz de la dispersión infusate en el tejido3,4. Por lo tanto, es la duración de la perfusióny no los coeficientes de difusión los que determinan el rango de perfusión 2,4,5. Esto proporciona una entrega uniforme del infusato en un volumen cerebral mucho mayor en comparación con los métodos de inyección intracerebral convencionales basados en difusión2,6. Al mismo tiempo, esta modalidad de parto tieneun menor riesgo de daño tisular 2. En consecuencia, el CED puede permitir la administración segura y eficaz de quimioterapia convencional para el tratamiento de tumores del SNC, así como la administración de agentes inmunomoduladores o anticuerpos agonistas y antagonistas en una multitud de otros trastornos del SNC2 ,7,8,9. CED se prueba actualmente en terapias de la enfermedad de Parkinson, enfermedad de Alzheimer, así como glioma de alto grado2,7,8,10,11.
El diseño del catéter y el régimen de inyección se encuentran entre los factores más importantes que influyen en el resultado de CED 10,12,13,14,15,16. Además, requiere propiedades fisicoquímicas específicas del infusato, incluyendo el tamaño moderado de las partículas, una carga aniónica, y baja afinidad de tejido 10,17. Cada uno de estos parámetros tiene que ser potencialmente ajustado de acuerdo con las características histológicas de la región cerebral a apuntar2,10,17.
Aquí describimos la metodología para realizar CED de una solución de anticuerpos en el putamen caudado (estriado) de ratones. Además, el protocolo incluye la preparación de catéteres paso a paso en una configuración de laboratorio, probarlos in vitro y realizar el CED.
Hay múltiples diseños de catéteres disponibles en la literatura, diferenciándose por la forma de la cánula, los materiales utilizados y el número de aberturas del catéter12,15,18,19,20 ,21,22. Estamos utilizando un catéter paso a paso hecho de un capilar de sílice fusionada que sobresale 1 mm de una aguja de metal de extremo contundente. Este diseño de catéter se puede fabricar fácilmente en un laboratorio de investigación y reproduciblemente da buenos resultados de CED cuando se prueba in vitro con bloques de agarosa con parámetros físicos que se asemejan al parénquima cerebral in vivo23.
Además, implementamos un régimen de rampa para la entrega de 5 ml de infusate in vivo. En este protocolo, la velocidad de inyección se incrementa de 0,2 l/min a un máximo de 0,8 l/min, minimizando así las posibilidades de reflujo infusato a lo largo del catéter, así como el riesgo de daño tisular16. Usando este protocolo, hemos administrado con éxito ratones con hasta 20 g de anticuerpos en 5 l de PBS en el transcurso de 11 min 30 s.
El protocolo se puede ajustar fácilmente para otros volúmenes de perfusión o para inyectar varias otras sustancias, por ejemplo, quimioterapéuticas, citoquinas, partículas virales o liposomas2,10,14,18 ,22. En caso de usar infusato con propiedades fisicoquímicas drásticamente diferentes en comparación con una solución salina tamponada de fosfato (PBS) o líquido cefalorraquídeo artificial (aCSF) de anticuerpos, se recomiendan pasos de validación adicionales. Para el montaje del catéter, validación y CED, describimos todos los pasos usando un robot estereotáctico con una unidad de perforación e inyección montada en un marco estereotáctico regular. Este procedimiento también se puede realizar con un marco estereotáctico manual conectado a una bomba de microinfusión programable que puede conducir las microjeringas de vidrio descritas.
Protocol
Representative Results
Discussion
La administración mejorada por convección, o la infusión de fármacos mediada por presión en el cerebro, se propuso por primera vez a principios de 19903. Este enfoque promete la perfusión de grandes volúmenes cerebrales detrás de la barrera hematoencefálica de una manera controlada2. Sin embargo, hasta ahora, sólo se han realizado unos pocos ensayos clínicos utilizando este enfoque, en parte porque el CED en una configuración clínica ha demostrado ser técnicam…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por subvenciones de la Universidad de Zúrich (FK-15-057), la Novartis Foundation for medical-biological Research (16C231) y Swiss Cancer Research (KFS-3852-02-2016, KFS-4146-02-2017) a Johannes vom Berg y BRIDGE Proof of Concept (20B1-1 _177300) a Linda Schellhammer.
Materials
| 10 μL syringe | Hamilton | 7635-01 | |
| 27 G blunt end needle | Hamilton | 7762-01 | |
| Agarose | Promega | V3121 | |
| Atipamezol | Janssen | ||
| Bone wax | Braun | 1029754 | |
| Buprenorphine | Indivior Schweiz AG | ||
| Carprofen | Pfizer AG | ||
| Dental drill bits, steel, size ISO 009 | Hager & Meisinger | 1RF009 | |
| Ethanol 100% | Reuss-Chemie AG | 179-VL03K-/1 | |
| Fentanyl | Helvepharm AG | ||
| FITC-Dextran, 2000 kDa | Sigma Aldrich | FD2000S | |
| Flumazenil | Labatec Pharma AG | ||
| Formaldehyde | Sigma Aldrich | F8775-500ML | |
| High viscosity cyanoacrylate glue | Migros | ||
| Iodine solution | Mundipharma | ||
| Medetomidin | Orion Pharma AG | ||
| Microforge | Narishige | MF-900 | |
| Midazolam | Roche Pharma AG | ||
| Ophthalmic ointment | Bausch + Lomb | Vitamin A Blache | |
| PBS | ThermoFischer Scientific | 10010023 | |
| Polyclonal goat anti-rat IgG (H+L) antibody coupled with Alexa Fluor 647 | Jackson Immuno | ||
| Scalpels | Braun | BB518 | |
| Silica tubing internal diameter 0.1 mm, wall thickness of 0.0325 mm | Postnova | Z-FSS-100165 | |
| Stereotactic frame for mice | Stoelting | 51615 | |
| Stereotactic robot | Neurostar | Drill and Injection Robot | |
| Succrose | Sigma Aldrich | S0389-500G | |
| Topical tissue adhesive | Zoetis | GLUture | |
| Trypan blue | ThermoFischer Scientific | 15250061 | |
| Water | Bichsel | 1000004 |
Riferimenti
- Scherrmann, J. M. Drug delivery via the blood-brain barrier. Vascular Pharmacology. 38 (6), 349-354 (2002).
- Barua, N. U., Gill, S. S. Convection-enhanced drug delivery: prospects for glioblastoma treatment. CNS Oncology. 3 (5), 313-316 (2014).
- Bobo, R. H., et al. Convection-enhanced delivery of macromolecules in the brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (6), 2076-2080 (1994).
- Morrison, P. F., Laske, D. W., Bobo, H., Oldfield, E. H., Dedrick, R. L. High-flow microinfusion: tissue penetration and pharmacodynamics. American Journal of Physiology. 266 (1 Pt 2), R292-R305 (1994).
- Zhou, Z., Singh, R., Souweidane, M. M. Convection-Enhanced Delivery for diffuse intrinsic pontine glioma treatment. Current Neuropharmacology. 15 (1), 116-128 (2017).
- Barua, N. U., et al. Intrastriatal convection-enhanced delivery results in widespread perivascular distribution in a pre-clinical model. Fluids and Barriers of the CNS. 9 (1), 2 (2012).
- Shoji, T., et al. Local convection-enhanced delivery of an anti-CD40 agonistic monoclonal antibody induces antitumor effects in mouse glioma models. Neuro-Oncology. 18 (8), 1120-1128 (2016).
- Souweidane, M. M., et al. Convection-enhanced delivery for diffuse intrinsic pontine glioma: a single-centre, dose-escalation, phase 1 trial. The Lancet Oncology. , (2018).
- Zhang, X., et al. Targeting immune checkpoints in malignant glioma. Oncotarget. 8 (4), 7157-7174 (2017).
- Barua, N. U., Gill, S. S., Love, S. Convection-enhanced drug delivery to the brain: therapeutic potential and neuropathological considerations. Brain Pathology. 24 (2), 117-127 (2014).
- Mehta, A. M., Sonabend, A. M., Bruce, J. N. Convection-Enhanced Delivery. Neurotherapeutics. 14 (2), 358-371 (2017).
- Krauze, M. T., et al. Reflux-free cannula for convection-enhanced high-speed delivery of therapeutic agents. Journal of Neurosurgery. 103 (5), 923-929 (2005).
- Nash, K. R., Gordon, M. N. Convection Enhanced Delivery of Recombinant Adeno-associated Virus into the Mouse Brain. Methods in Molecular Biology. 1382, 285-295 (2016).
- Ohlfest, J. R., et al. Combinatorial antiangiogenic gene therapy by nonviral gene transfer using the sleeping beauty transposon causes tumor regression and improves survival in mice bearing intracranial human glioblastoma. Molecular Therapy. 12 (5), 778-788 (2005).
- Yin, D., Forsayeth, J., Bankiewicz, K. S. Optimized cannula design and placement for convection-enhanced delivery in rat striatum. Journal of Neuroscience Methods. 187 (1), 46-51 (2010).
- Mamot, C., et al. Extensive distribution of liposomes in rodent brains and brain tumors following convection-enhanced delivery. Journal of Neuro-Oncology. 68 (1), 1-9 (2004).
- Saito, R., et al. Tissue affinity of the infusate affects the distribution volume during convection-enhanced delivery into rodent brains: implications for local drug delivery. Journal of Neuroscience Methods. 154 (1-2), 225-232 (2006).
- Oh, S., et al. Improved distribution of small molecules and viral vectors in the murine brain using a hollow fiber catheter. Journal of Neurosurgery. 107 (3), 568-577 (2007).
- Barua, N. U., et al. A novel implantable catheter system with transcutaneous port for intermittent convection-enhanced delivery of carboplatin for recurrent glioblastoma. Drug Delivery. 23 (1), 167-173 (2016).
- Rosenbluth, K. H., et al. Design of an in-dwelling cannula for convection-enhanced delivery. Journal of Neuroscience Methods. 196 (1), 118-123 (2011).
- Debinski, W., Tatter, S. B. Convection-enhanced delivery for the treatment of brain tumors. Expert Review of Neurotherapeutics. 9 (10), 1519-1527 (2009).
- MacKay, J. A., Deen, D. F., Szoka, F. C. Distribution in brain of liposomes after convection enhanced delivery; modulation by particle charge, particle diameter, and presence of steric coating. Brain Research. 1035 (2), 139-153 (2005).
- Chen, Z. J., et al. A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. Journal of Neurosurgery. 101 (2), 314-322 (2004).
- Sampson, J. H., et al. Poor drug distribution as a possible explanation for the results of the PRECISE trial. Journal of Neurosurgery. 113 (2), 301-309 (2010).
- Wick, W., Weller, M., et al. Trabedersen to target transforming growth factor-beta: when the journey is not the reward, in reference to Bogdahn et al. (Neuro-Oncology 2011;13:132-142). Neuro-Oncology. 13 (5), 559-560 (2011).
- Saito, R., Tominaga, T. Convection-enhanced delivery of therapeutics for malignant gliomas. Neurologia Medico-Chirurgica. 57 (1), 8-16 (2017).
- Bedussi, B., et al. Clearance from the mouse brain by convection of interstitial fluid towards the ventricular system. Fluids Barriers CNS. 12, 23 (2015).
- Noroxe, D. S., Poulsen, H. S., Lassen, U. Hallmarks of glioblastoma: a systematic review. ESMO Open. 1 (6), e000144 (2016).
- Boucher, Y., Salehi, H., Witwer, B., Harsh, G. R. t., Jain, R. K. Interstitial fluid pressure in intracranial tumours in patients and in rodents. British Journal of Cancer. 75 (6), 829-836 (1997).
- Glushakova, O. Y., et al. Prospective clinical biomarkers of caspase-mediated apoptosis associated with neuronal and neurovascular damage following stroke and other severe brain injuries: Implications for chronic neurodegeneration. Brain Circulation. 3 (2), 87-108 (2017).
- Vom Berg, J., et al. Inhibition of IL-12/IL-23 signaling reduces Alzheimer’s disease-like pathology and cognitive decline. Nature Medicine. 18 (12), 1812-1819 (2012).
- Vom Berg, J., et al. Intratumoral IL-12 combined with CTLA-4 blockade elicits T cell-mediated glioma rejection. Journal of Experimental Medicine. 210 (13), 2803-2811 (2013).
- Kurdi, A., et al. Continuous administration of the mTORC1 inhibitor everolimus induces tolerance and decreases autophagy in mice. British Journal of Pharmacology. 173 (23), 3359-3371 (2016).
