Aquí, presentamos un protocolo utilizando un dispositivo de posicionamiento del ratón que permite la colocación adecuada de ratones para la administración intranasal de una formulación de péptido-siRNA dirigida al cerebro que permite un silenciamiento eficaz del gen en el sistema nervioso central.
La administración intranasal (IN) de medicamentos al cerebro ha surgido como un método prometedor para eludir la barrera hematoencefálica (BBB) para la administración de medicamentos en el sistema nervioso central (SNC). Estudios recientes demuestran el uso de un péptido, RVG9R, incorporando el dominio mínimo de unión a receptores de la glicoproteína del virus de la rabia, en la provocación de la entrega de siRNA en las neuronas en el cerebro. En este protocolo, la formulación de péptido-siRNA se entrega por vía intranasal con una pipeta en la mano dominante, mientras que el ratón anestesiado es restringido por el escruff con la mano no dominante en una “posición de cabeza hacia abajo y hacia adelante” para evitar el drenaje en el pulmón y el estómago al inhalar. Este agarre preciso de los ratones se puede aprender, pero no es fácil y requiere práctica y habilidad para resultar en la participación efectiva del SNC. Además, el proceso es de larga duración, requiriendo alrededor de 45 minutos para la administración de un volumen total de 20-30 l de solución en volúmenes de gotas de 1-2 l por inhalación, con 3-4 min períodos de descanso entre cada inhalación. El objetivo de este estudio es revelar un dispositivo de posicionamiento del ratón que permita la colocación adecuada de ratones para la administración eficiente de IN de la formulación de péptido-siRNA. Múltiples características se incorporan en el diseño del dispositivo, tales como cuatro u ocho sillas de posicionamiento con altura ajustable e inclinación para contener ratones anestesiados en la posición de la cabeza hacia abajo y hacia adelante, lo que permite una fácil visualización de las nares de los ratones y un almohadilla de calentamiento incorporada para mantener las temperaturas corporales de los ratones durante el procedimiento. Es importante destacar que la capacidad de tratar cuatro u ocho ratones simultáneamente con complejos RVG9R-siRNA de esta manera permite realizar estudios en una escala de tiempo mucho más rápida, para la prueba de un enfoque de SIRNA terapéutico IN. En conclusión, este dispositivo permite el posicionamiento adecuado y controlado del cabezal del ratón para la aplicación IN de RVG9R-siRNA y otras moléculas terapéuticas, como nanopartículas o anticuerpos, para la administración del SNC.
El BBB evita que las moléculas administradas sistémicamente de >400-600 Da entren en el cerebro, lo que plantea un desafío significativo a la entrega de biomoléculas terapéuticas para enfermedades que afectan al SNC y al cerebro1. La administración directa de fármacos al cerebro se puede lograr mediante inyección estereotáctica; sin embargo, esto requiere experiencia quirúrgica y está altamente restringido en la entrega a áreas próximas al lugar de inyección, por lo que no es adecuado para uso clínico de rutina2. IN entrega al cerebro también puede resultar en la entrega directa del cerebro al pasar por alto el BBB, lo que permite la transferencia directa y rápida de una variedad de sustancias al cerebro3,4. Se cree que esta transferencia ocurre por los mecanismos de transporte a través de los nervios olfativos y trigéminos que conectan el conducto nasal con el cerebro, el líquido cefalorraquídeo y los sistemas linfáticos5. Como la ruta directa nariz-cerebro no involucra órganos y tejidos periféricos, reduce sustancialmente los efectos secundarios sistémicos y mejora la potencia. La administración IN es una alternativa no invasiva prometedora a las vías locales y sistémicas para la entrega cerebral de agentes terapéuticos y puede representar un enfoque poderoso para combatir los trastornos neurológicos, incluyendo la enfermedad de Alzheimer, la enfermedad de Parkinson, y cáncer cerebral, y está siendo explorado en varios ensayos clínicos6,7,8.
Varios factores experimentales, como el volumen y el método de inoculación, así como el pH de formulación, influyen fuertemente en la administración de fármacos al SNC a través de la vía nariz-cerebro9. En estudios con ratones, el éxito de la administración de fármacos IN depende en gran medida del posicionamiento adecuado de la cabeza, que es fundamental para la deposición cerebral eficiente y para evitar el drenaje de fármacos en el entorno externo o las vías respiratorias. En particular, la mayoría de los estudios de roedores emplean una posición de dirección atrás (supina) con una inclinación de 70o-90o para la administración de fármacos al epitelio olfativo, aunque el posicionamiento de la cabeza a 0o puede favorecer el drenaje en la tráquea9. EN la administración de fármacos en ratones que están despiertos resulta en una reducción de la posición cerebral en comparación con cualquier aplicación en la posición supina, principalmente debido a la incapacidad de los científicos para mantener a los ratones en la posición deseada durante períodos más largos de tiempo. Por otra parte, la posición al revés requerida por el método de agarre de la piel empleado para ratones despiertos da como resultado la deposición de fármacos predominantemente en el nervio trigémino y el bulbo olfativo, así como en los órganos periféricos, como los riñones y los pulmones, en un plazo de 30 minutos postinoculación10. La posición corporal más adecuada para la administración de terapias a través de los nervios olfativos o trigémino en animales más grandes como los primates no humanos en estudios clínicos parece ser la posición de cabeza hacia abajo y hacia adelante (es decir, la llamada “oración a La Meca posición”)11. Sin embargo, esta posición no ha sido bien estudiada en el modelo de ratón, y la posición supina es más ampliamente utilizada en estudios de roedores.
Anteriormente, hemos demostrado que el RVG9R, un péptido diseñado sobre la base del dominio mínimo de unión de receptores del virus de la rabia, muestra el tropismo a las células que expresan subunidades receptoras de acetilcolina nicotínicos como neuronas y macrófagos y media la entrega intracelular de siRNA mediante un mecanismo que implique la participación del receptor y la deslocalización temporal de la membrana plasmática en el lugar de la agregación del receptor12,13. Es importante destacar que la administración intravenosa sistémica de los complejos RVG9R-siRNA permite la administración transvascular de siRNA en el SNC14. Sin embargo, la vía sistémica diluye la cantidad de siRNA entregado al SNC, y los datos recientes demuestran que la administración IN de RVG9R:siRNA se complejo a ratones posicionados en la posición de cabeza hacia abajo y hacia adelante provoca nacones de genes objetivo de amplia propagación en múltiples regiones del cerebro15. Es importante destacar que este nivel de derribo se logró con tan solo 13,5 g de siRNA administrado en un régimen de cuatro dosis y 2 días, mientras que la vía intravenosa requiere una dosis de 5 veces más alta por inyección para lograr un derribo comparable. La única deficiencia del enfoque IN es que se trata de un procedimiento arduo, que requiere el uso de ambas manos durante la administración de la solución mientras se agarra continuamente a los ratones alternativamente en la cabeza hacia abajo y hacia adelante y en posiciones relajadas entre cada inhalación durante un período de tratamiento largo y considerable (un procedimiento de 30-45 min para la toma efectiva de un volumen de 20-30 l por ratón). El uso del dispositivo de posicionamiento del ratón presentado aquí permite la colocación adecuada de ratones con poca coacción física a los animales y al personal que realiza el protocolo, así como el tratamiento de múltiples cohortes de ratones dentro de un período de tiempo razonable, permitiendo un estudio en profundidad sobre el uso de siRNAs como terapéutico para la encefalitis del Nilo Occidental en ratones en etapas tardías de la enfermedad15.
Hemos desarrollado un dispositivo de posicionamiento de ratón para posicionar de forma óptima ratones para la entrega nariz-cerebro de terapias. El dispositivo está equipado con diferentes funcionalidades, asegurando el fácil manejo simultáneo de los animales. También está equipado con almohadillas calefactoras para el mantenimiento de las temperaturas corporales fisiológicas de los animales durante la experimentación. Los ratones anestesiados se pueden mantener en la posición de la cabeza hacia abajo y hacia adelante por medio de sillas diseñadas específicamente, con un mínimo malestar a los animales. La altura de las sillas de posicionamiento se puede ajustar de la manera que sea mejor para visualizar las fosas nasales de los animales durante la administración de medicamentos.
IN brain delivery tiene varias limitaciones intrínsecas, incluyendo la pequeña superficie de las fosas nasales (permitiendo volúmenes máximos de 20-30 l por administración), irritación nasal, daño epitelio y absorción limitada a través del epitelio nasal18. La administración IN de fármacos a ratones colocados en la posición supina se ha utilizado para el suministro cerebral mediante la caída de drogas líquidas en las nares alternativas de los animales a través de pipeta o tubo de poliuretano (24 G x 19 mm) conectado a jeringas de microlitros19, 20. Aunque el uso de sistemas de tubos para liberar fármacos cerca del epitelio olfativo es un enfoque potencialmente adecuado, causa irritación o inflamación nasal tras la administración repetitiva. Además, el pequeño tamaño de la cavidad nasal limita este enfoque, especialmente en ratones que pueden ser superados por la repetición, así como por formulaciones de fármacos que persisten en la mucosa nasal. Otra opción es la administración IN de terapias para despertar ratones10. Sin embargo, este enfoque requiere procedimientos calificados para el manejo de animales durante la inoculación inoculación inoculación. Además, causa estrés animal y, por lo tanto, no es ideal para modelos de enfermedades, especialmente modelos de enfermedades infecciosas. Además, la dosificación inconsistente puede ser fácilmente el resultado del drenaje de drogas en los pulmones o el estómago debido al agarre imperfecto de los animales. El enfoque presentado aquí permite a los científicos superar estas barreras técnicas. La posición de la cabeza hacia abajo y hacia adelante reduce la posibilidad de fuga de drogas de la nariz a los pulmones mientras se inhala, favoreciendo la entrega directa y selectiva de siRNA al cerebro. IN entrega utilizando el dispositivo de posicionamiento del ratón no requiere ninguna técnica especializada para el manejo o agarre de los animales durante la inoculación. Cuatro animales a la vez pueden ser tratados por un período de al menos 30-45 min. El procedimiento se puede ampliar mediante la inclusión de una barra adicional de cuatro sillas, lo que permite una fácil gestión de hasta ocho ratones en la misma sesión experimental. Por lo tanto, siguiendo este método, un solo operador puede inducir la administración de medicamentos a los cerebros de grandes grupos de animales durante largos períodos de tiempo.
La estructura anatómica de la cavidad nasal influye fuertemente en el parto de nariz a cerebro (según lo revisado por Merkus et al.11 y Ruigrok y de Lange21). La superficie relativa de la cavidad nasal en ratones es 15 veces mayor que la de los seres humanos y la superficie relativa del epitelio olfativo es 6 veces mayor. Aunque hay diferencias significativas en la anatomía de la cavidad nasal en humanos a los roedores, hay aproximadamente 45 ensayos clínicos en curso utilizando el enfoque IN para tratar varios trastornos cerebrales (www.clinicaltrials.gov). El estudio presentado aquí indica que cuando se utiliza la administración in de terapias, los científicos deben considerar varios factores, como la posición de la cabeza, el sueño, y agentes de entrega adecuados.
Hemos demostrado la deposición eficiente y específica de siRNA etiquetada fluorescentemente al cerebro del ratón. Además, la disminución significativa de la expresión génica SOD1 observada después de la administración de IN siRNA confirmó efectos funcionales. Anteriormente mostramos consistentemente que la administración IN de complejos RVG9R-siRNA dirigidos al ARN del virus del Nilo Occidental (WNV) ejerce un fuerte efecto terapéutico sobre la encefalitis del VNM15. En particular, la administración de siRNA de nariz a cerebro requirió un ligando objetivo celular (RVG) y una molécula cargada positivamente (9R) a un siRNA complejo. En ausencia de estos elementos, las moléculas fueron despejadas a través del circuito sistémico y los vasos linfáticos 48 h posttratamiento (Figura3A)15. Por lo tanto, en la configuración experimental descrita aquí, hemos examinado la localización de péptido/siRNA 48 h después de la inoculación para imaginar sólo los niveles retenidos específicamente en el cerebro. Este enfoque podría implementarse fácilmente para la administración de otras moléculas, como proteínas, péptidos y nanopartículas, u otras terapias, para el tratamiento de una serie de trastornos relacionados con el cerebro.
The authors have nothing to disclose.
Este trabajo fue apoyado por el Ministerio de Salud y Bienestar de Corea (HI17C1046) a S.K.L.
Comercial assays | |||
iScript cDNA synthesis kit | BioRad | Cat# 1708891 | |
RNAiso plus | TaKaRa Bio | Cat# 9108 | |
SYBR Premix ExTaq | TaKaRa Bio | Cat# RR420A | |
Dyes | |||
Alexa fluor 488 | ThermoFisher | Cat# A30052 | |
Mouse strain | |||
Balb/c | Orient Bio | N/A | 6-8 week old, 20-30g |
Oligonucleotides and primers | |||
Human CD4 | ST Pharm | N/A | Sense: 5’-GAUCAAGAGACUCCUCAGU-3’ |
siSOD1 | ST Pharm | N/A | Sense: 5’-GGUGGAAAUGAAGAAAGUA-3’ |
GAPDH primers | ST Pharm | N/A | F: 5’-AACTTTGGCATTGTGGAAGG-3’ R: 5’-GGAGACAACCTGGTCCTCAG-3’ |
SOD1 primers | ST Pharm | N/A | F: 5’-CCAGTGCAGGACCTCATTTT-3’ R: 5’-CACCTTTGCCCAAGTCATCT-3’ |
Peptides | |||
RVG9R | Peptron | N/A | YTIWMPENPRPGTPCDIFTNSR GKRASNGGGGRRRRRRRRR |
RVM9R | Peptron | N/A | MNLLRKIVKNRRDEDTQKSS PASAPLDGGGGRRRRRRRRR |
Software, algorithms and devices | |||
FlowJo software 4.3 | FlowJO, LLC | N/A | http://docs.flowjo.com/vx/ |
Mouse positioning device | Signet Biotech | N/A | |
Prism software | Graphpad | N/A | https://www.graphpad.com/scientificsoftware/prism/ |
Prism software | Graphpad | N/A | https://www.graphpad.com/scientificsoftware/prism/ |