Summary

球后窦注射对出生后、幼年和发育成年小鼠的全身治疗

Published: May 17, 2024
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Summary

本文提供了为产后、幼年和发育不良成年小鼠进行总体积高达 150 μL 的球后窦注射的方案和随附的视频。当尾静脉注射不可行时,该程序特别适合于小小鼠 (15 g) 的注射。

Abstract

虽然尾静脉注射经常用作成年小鼠的全身给药途径,但球后注射是全身给药的替代方法,限制较少。首先,尾静脉注射 (TVI) 仅限于成年小鼠,其中尾静脉的大小适合进入。在处理无法存活到成年的小鼠模型时,仅限于治疗成年小鼠可能会有问题。其次,TVI 对于具有生长迟缓表型的小鼠模型是不可行的,其中小鼠永远不会达到成年野生型小鼠的大小。因此,球后注射可以成功地用于治疗年轻和小型成年小鼠。最后,球后注射在麻醉下进行,与通常在没有麻醉的情况下进行的 TVI 相比,这对小鼠的压力更小。本文介绍了球后注射的方案和详细说明,可用于向小型和年轻小鼠进行全身给药。

Introduction

遗传病的小鼠模型通常用于证明小分子、遗传和细胞疗法的疗效1。在小鼠中,将全身递送复制到人类的最广泛使用的方法是尾静脉注射 (TVI),通常在大约 6-8 周龄的成年小鼠中进行,以确保静脉足够大以便进入。TVI 已成功用于遗传疾病(如血友病)的许多临床前原理验证研究,这些研究为基因治疗的人体临床试验提供了支持2。然而,许多遗传病的小鼠模型具有生长和/或早期致死表型,这使它们无法达到成年小鼠的年龄或大小(图 1)。通过 TVI 治疗此类小鼠可能非常困难,如果不是不可能的话,具体取决于致死年龄和/或动物可以达到的最大大小。

相比之下,通过球后(经常和错误地称为眶后)窦注射治疗剂的全身递送可以在小鼠中完成,无论年龄或大小如何3。腺相关病毒 (AAV) 的球后注射已成功用于遗传病的年轻生长迟缓小鼠模型,例如甲基丙二酸血症 (MMA) 和尼曼-匹克 C 型病 4,5,6,7,8。(该程序也可用于注射新生儿 3,4,9,10;但是,该技术未在本方案或随附的视频中详细说明。即使是像阿霉素这样的剧毒物质也可以通过球后注射安全地输送11,12。与 TVI 不同,小鼠在球后窦注射期间被麻醉,这使得该过程对小鼠的压力更小,对不必物理约束小鼠的操作者来说更容易13,14。另一个问题是 TVI 经常使用加热灯来扩张尾静脉,这可能会导致年轻小鼠脱水,并且在更可疑于热相关应激的遗传疾病小鼠模型中可能会出现问题。使用 TVI 时可能出现的另一个问题是,在高度色素沉着的小鼠身上,尾静脉的可视化可能特别具有挑战性。然而,与 TVI 一样,球后窦注射导致广泛的全身生物分布15,16

Protocol

该方案和随附的视频适用于通过球后窦注射对出生后、幼年和发育成年小鼠的球后注射间隙;该方案已获得美国国家人类基因组研究所机构动物护理和使用委员会 (ACUC) 的批准,方案编号为 G-03-4。其他机构可能有不同的要求和限制,可能需要修改此方案才能在您的机构获得批准。在执行此程序或任何其他动物程序之前,请获得您所在机构的 ACUC 的批准。 1. 注射前准备 每次注射时,在无菌 1.5 mL 微量离心管中用无菌磷酸盐缓冲盐水 (PBS) 将 AAV 稀释至所需的注射体积和浓度。每次注射额外增加 50% 的体积,以便准确填充一次性无菌注射器。注意:在这里,我们稀释了 AAV8-CAG-eGFP 报告基因,以在 50 μL 的体积中输送每公斤体重 (vg/kg) 1 ×10 13个病毒基因组的剂量。使用注射时动物的体重计算要注射的 50 μL 中的 AAV 量。在本视频中,通过球后途径注射 AAV,以复制人体全身递送。其他基因治疗载体(即慢病毒、腺病毒)、RNA 疗法和小分子药物可以使用该程序进行全身递送。 确保台式实验动物麻醉系统 (LAAS) 按照制造商的说明正确设置并正常运行。注意:如果使用替代麻醉方法,请确保在开始注射之前准备好麻醉剂。球后注射手术应与大多数麻醉剂兼容(例如,氯胺酮和甲苯噻嗪等可注射化学约束装置)。 在填充一次性无菌注射器(此处为胰岛素注射器,31 G,长 8 mm,容量为 3/10 mL)之前,上下移动柱塞数次,以确保柱塞可以顺利按下。然后,将注射器填充至所需体积,确保没有气泡。注:可进样体积高达 150 μL;我们的实验室通常注射 50 μL 的体积。 2. 通过使用实验动物麻醉系统 (LAAS) 施用异氟醚气体来镇静小鼠 确保气体仅流向感应室。将双向旋塞阀关闭到非再呼吸 (NRB) 回路。 打开流量计前面的绿色氧气流量旋钮,使流速为 1 L/min。 按下蒸发器顶部的控制杆并将刻度盘旋转至所需浓度,将异氟醚调至 ≤4%。 将鼠标放入透明的感应室中。仔细观察动物的呼吸和动作。一旦动物卧着,将蒸发器旋钮调低至异氟醚的 2-2.5%。 打开连接到面罩上的 NRB 电路的双向旋塞阀,并关闭流向感应盒的气流。 取下动物并将其放入 NRB 回路的面罩中。 将异氟醚浓度设置调低至 1.5%-1.75%,由对刺激(例如,脚趾捏或爪子挤压)的反应决定。 始终持续监测小鼠的呼吸和粘膜颜色(如果可能)。如果动物的呼吸变得困难或粘膜颜色不是粉红色,请调低麻醉剂浓度。 在整个过程中保持动物温暖。使用包裹在纸巾中的暖手器,该暖手器放在底垫下方并位于鼠标正下方。 完成程序后关闭氧气和蒸发器。 3. 动物注射 如果是右撇子,则注射鼠标的右眼,并将鼠标放在左侧,鼻子指向右手。如果是左撇子,则注射鼠标的左眼,并将鼠标放在右侧,鼻子指向左手。 将一两滴眼药剂滴在要注射的眼球上。然后,使用无菌吸收纱布垫去除任何多余的眼科麻醉液。用指尖轻轻按压眼睛背侧和腹侧的皮肤,使鼠标的眼球部分从眼窝中伸出(图 2A、B)。注意:突出眼睛时,小心不要对周围的宫颈血管施加过大的压力,因为这会阻碍血液流动和注射。此外,对气管施加压力可能会阻止老鼠呼吸。确保鼠标在整个过程中可以呼吸。 将针头保持在约 30° 的斜向下位置,并放入内眦中(图 2C)。注意:到达球后窦的针头放置深度将根据动物的大小而变化。在注射过程中将针头置于斜向下的位置可降低眼部损伤的风险。小心不要将针头放置得太深,以免刺穿眼窝。注射时间应少于一分钟。 缓慢而平稳地对注射器柱塞施加压力以输送注射液。这将减少外渗的机会。 缓慢而平稳地拔出针头。 从鼠标上取下面罩,以便从麻醉中恢复。 4. 注射后 完成程序后关闭氧气和蒸发器。 如果发生残余出血,请使用无菌纱布去除血液。 确保鼠标处于温暖的区域(约 37 °C),但不要过热,以防止在麻醉恢复期间体温过低。 隔离观察鼠标,直到完全恢复,然后再将鼠标放回笼子和机架。注意:在恢复过程中隔离鼠标可以防止笼子伙伴在恢复过程中伤害镇静的小鼠。

Representative Results

球后窦注射液已成功用于全身递送小分子、抗体和腺相关病毒 (AAV)4,5,9,15,16。在图 3 中,PBS(载体)处理的小鼠和 AAV8 处理的小鼠肝脏显示为球后注射后 AAV 注射和表达的实例。与许多天然存在的 AAV 载体一样,AAV8 具有肝脏营养性。因此,预计在接受 5 ×10 12vg/kg 全身剂量的小鼠中会发生大量肝转导17。图 3 中观察到大量表达甲基丙二酰辅酶 A 变位酶 (MMUT) RNA 的肝细胞,该 RNA 由 AAV 转基因表达,表明眶后注射成功。 图 1:丙酸血症的生长迟缓小鼠。 这是遗传病小鼠模型中可能发生的极端生长迟缓的一个例子。 请单击此处查看此图的较大版本。 图 2:球后窦注射的图像和图表。 (A) 手指放在毛皮上以突出眼球的图像(由白色箭头表示)。(B) 在针头放置和注射前对毛皮施加向下压力后眼球(由白色箭头表示)突出的图像。(C) 针斜方向(相对于眼球向下倾斜)、针角度 (30°) 和球后窦针放置图。 请单击此处查看此图的较大版本。 图 3:AAV8 球后窦注射后 RNA 原位杂交。 (A) 10x 载体处理的肝脏,(B) 10x AAV8 处理的肝脏,(C) 20x 载体处理的肝脏和 (D) 20x AAV8 处理的肝脏的 MMUT RNA 染色图像。患有甲基丙二酸血症的小鼠在 1 月龄时用 5 × 1012 vg/kg 的 AAV8-LPS-MMUT 或载体对照 (PBS) 治疗。治疗后 1 个月收集肝组织。 MMUT 系列RNA 染色为棕色(黑色箭头表示阳性染色区域)。肝脏用苏木精复染。比例尺 = 100 μm 图像 10 倍,20 倍图像 50 μm (B)。缩写: AAV = 腺相关病毒;LPS = 肝脏特异性启动子;MMUT = 甲基丙二酰辅酶 A 变位酶。 请单击此处查看此图的较大版本。

Discussion

虽然球后注射是递送小分子、蛋白质和基因组疗法的可靠方法,但必须使用染料练习该技术,以确保实现可靠和可复制的全身递送。在实验中使用这种递送途径之前,强烈建议使用染料在小鼠中进行球后注射。可以在小鼠组织中目视检查染料,以确保一致的全身递送。

在我们对球后注射技术的演示中,异氟醚气体在手术前用于麻醉小鼠。手术前可以使用其他形式的麻醉,但重要的是要确保小鼠在注射完成之前不会从镇静中恢复。幸运的是,实际注射通常不到一分钟,而且鼠标需要完全麻醉的时间很短。小鼠在注射过程中应完全镇静,如果小鼠在注射前变得清醒,则应重新给予麻醉。由于使用麻醉存在风险,因此应尽量减少小鼠镇静的持续时间。我们使用异氟醚镇静患有甲基丙二酸血症和丙酸血症的小病小鼠没有遇到问题。然而,一些小鼠模型可能对镇静和某些麻醉更敏感。在尝试在研究中使用镇静剂之前,应考虑这个潜在问题。最后,与不常用镇静剂的 TVI 相比,镇静剂与球后注射相结合大大减少了小鼠在注射过程中表现出的明显痛苦。

我们没有观察到任何与注射后相关的问题,尽管感染是任何注射的潜在风险。为了减少感染的机会,使用无菌的一次性注射器和无菌 PBS 来稀释纯化的 AAV。我们动物设施中的所有小鼠每天都会检查是否有潜在健康问题的迹象,并在必要时接受兽医护理以解决任何健康问题。

球后窦注射的替代方法和更广泛使用的幼年和成年小鼠全身分娩方法是 TVI。TVI 和球后窦注射在小分子和抗体的情况下导致相似的生物分布,通过推断,病毒载体预期相同15,16。然而,在文献中找不到比较 TVI 和球后窦注射全身递送基因治疗载体的例子。在我们看来,球后窦注射在生长表型降低和/或早期致死性降低的小鼠中更容易进行。

TVI 通常被认为更类似于人类的全身分娩,尽管人类 球后窦但没有 尾巴。一方面,球后窦注射与人类全身分娩类似,因为注射剂进入上静脉系统,就像注射剂通过外周插入的中心导管 (PICC Line) 或放置在手臂上的静脉导管输送给人类一样。相反,注射剂在尾静脉注射后进入小鼠的下静脉系统。不幸的是,这些方法中的任何一种都不能完全复制用于人类全身递送的方法,但两者都是小鼠全身递送的有效方法。

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

我们感谢 NHGRI 小鼠设施工作人员、NCI 分子病理学实验室,尤其是 Andrew Warner 的帮助。RJC 通过 1ZIAHG200318-16 得到了 NHGRI 校内研究计划的支持,这项工作部分由国家促进转化科学中心 (NCATS) 资助。 图 2C 是使用 BioRender 创建的。

Materials

AAV8-CAG-eGFP Univ. Penn. Vector Core Special order alternative sources of AAV reporters and alternative AAV reporters are available
Barrier (Filter) Tips, 20 μL size ThermoFisher AM12645 for diluting AAV to disire injection volume and concentration
Barrier (Filter) Tips, 100 μL size (sterile) ThermoFisher AM12648 for diluting AAV to disire injection volume and concentration
Dual Prodedure Circuit  VetEquip 921400 alternative anesthesia method can be used
Gilsen PIPETTEMAN Classic P20 pipette Gilson F123600 for diluting AAV to disire injection volume and concentration
Gilsen PIPETTEMAN Classic  P100 pipette Gilson F123615 for diluting AAV to disire injection volume and concentration
Hand warmers (HOTHANDS) ULINE S-1497B to keep mouse warm while anesthesized
Insulin syringes, 31 G,  8 mm length, 3/10 mL capacity Becton Dickson 328438 used in video; one syringe per injection
Isoflurane (Fluriso) VETONE 502017 alternative anesthesia can be used
Medline Protection Plus Disposable Underpads ThermoFisher 23-666-062 to place mouse on durring injection
Oak Ridge Phlebotomy Sharps Container With Transparent Lid ThermoFisher 22-730-434 for needle disposal
Phosphate buffered saline PBS, pH 7.4 Gibco 10010023 To dilute AAV to desired concencentration and volume
Snap Cap Low Retention Microcentrifuge Tubes (sterile) ThermoFisher 3451 for diluting AAV to disire injection volume and conentration
Sterile gauze sponge 4"x"4 Covidien 3033
Table-Top laboratory animal anesthesia system (LAAS) VetEquip 901806 alternative anesthesia method can be used
Trecaine Hydrochloride Ophthalmic (0.5%) Ocenanside Pharmaceuticals AK102D5DS local  anesthetic
Tuberculin syringe with a 27.0 G (or smaller) Any N/A alternative to insulin syringe used in video
VetEquip’s User Guide and Operating Manual for table top and mobile Laboratory Animal Anesthesia System.  VetEquip chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://www.vetequip.com/pdfs/LAAS%20Manual.pdf link to users guide and manual

References

  1. Perlman, R. L. Mouse models of human disease: An evolutionary perspective. Evol Med Public Health. 2016 (1), 170-176 (2016).
  2. Samelson-Jones, B. J., George, L. A. Adeno-associated virus gene therapy for hemophilia. Annu Rev Med. 74, 231-247 (2023).
  3. Yardeni, T., Eckhaus, M., Morris, H. D., Huizing, M., Hoogstraten-Miller, S. Retrobulbar injections in mice. Lab Anim (NY). 40 (5), 155-160 (2011).
  4. Chandler, R. J., et al. Systemic gene therapy for methylmalonic acidemia using the novel adeno-associated viral vector 44.9. Mol Ther Methods Clin Dev. 27, 61-72 (2022).
  5. Chandler, R. J., et al. Systemic aav9 gene therapy improves the lifespan of mice with niemann-pick disease, type c1. Hum Mol Genet. 26 (1), 52-64 (2017).
  6. Venturoni, L. E., et al. Growth advantage of corrected hepatocytes in a juvenile model of methylmalonic acidemia following liver directed adeno-associated viral mediated nuclease-free genome editing. Mol Genet Metab. 137 (1-2), 1-8 (2022).
  7. Ilyinskii, P. O., et al. Immtor nanoparticles enhance aav transgene expression after initial and repeat dosing in a mouse model of methylmalonic acidemia. Mol Ther Methods Clin Dev. 22, 279-292 (2021).
  8. Davidson, C. D., et al. Improved systemic aav gene therapy with a neurotrophic capsid in niemann-pick disease type c1 mice. Life Sci Alliance. 4 (10), e202101040 (2021).
  9. Chandler, R. J., et al. Systemic gene therapy using an aav44.9 vector rescues a neonatal lethal mouse model of propionic acidemia. Mol Ther Methods Clin Dev. 30, 181-190 (2023).
  10. Rocha-Ferreira, E., et al. A neonatal rodent model of retroorbital vein injection. J Vis Exp. (204), e65386 (2024).
  11. Bohnert, B. N., Artunc, F. Induction of nephrotic syndrome in mice by retrobulbar injection of doxorubicin and prevention of volume retention by sustained release aprotinin. J Vis Exp. (135), e57642 (2018).
  12. Bohnert, B. N., et al. Retrobulbar sinus injection of doxorubicin is more efficient than lateral tail vein injection at inducing experimental nephrotic syndrome in mice: A pilot study. Lab Anim. 53 (6), 564-576 (2019).
  13. Meijer, M. K., Spruijt, B. M., Van Zutphen, L. F., Baumans, V. Effect of restraint and injection methods on heart rate and body temperature in mice. Lab Anim. 40 (4), 382-391 (2006).
  14. Nohara, M., Tohei, A., Sato, T., Amao, H. Evaluation of response to restraint stress by salivary corticosterone levels in adult male mice. J Vet Med Sci. 78 (5), 775-780 (2016).
  15. Schoch, A., Thorey, I. S., Engert, J., Winter, G., Emrich, T. Comparison of the lateral tail vein and the retro-orbital venous sinus routes of antibody administration in pharmacokinetic studies. Lab Anim (NY). 43 (3), 95-99 (2014).
  16. Steel, C. D., Stephens, A. L., Hahto, S. M., Singletary, S. J., Ciavarra, R. P. Comparison of the lateral tail vein and the retro-orbital venous sinus as routes of intravenous drug delivery in a transgenic mouse model. Lab Anim (NY). 37 (1), 26-32 (2008).
  17. Zincarelli, C., Soltys, S., Rengo, G., Rabinowitz, J. E. Analysis of aav serotypes 1-9 mediated gene expression and tropism in mice after systemic injection. Mol Ther. 16 (6), 1073-1080 (2008).
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Romero, D., Chandler, R. J. Systemic Treatment for Postnatal, Juvenile, and Runted Adult Mice by Retrobulbar Sinus Injection. J. Vis. Exp. (207), e66809, doi:10.3791/66809 (2024).

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