Canalostomy als een chirurgische benadering van lokale Drug Delivery tot de Inner oren van volwassen en neonatale muizen
Summary
Hier beschrijven we canalostomy procedure waarmee lokale drug levering tot de inner oren van volwassen en neonatale muizen door het semicircular kanaal met minimale schade aan gehoorbescherming en vestibulaire functie. Deze methode kan worden gebruikt om te enten virale vectoren, farmaceutische producten en kleine moleculen in het binnenoor muis.
Abstract
Lokale levering van therapeutische drugs in het binnenoor is een veelbelovende therapie voor de ziekten van het binnenoor. Injectie via semicircular grachten (canalostomy) heeft aangetoond dat een nuttige aanpak naar lokale drug delivery in het binnenoor. Het doel van dit artikel is, in detail te beschrijven, de operatietechnieken die betrokken zijn bij canalostomy in zowel volwassen en neonatale muizen. Zoals aangegeven door de snel-groene kleurstof en adeno-associated virus serotype 8 met de groen fluorescente proteïne-gen, vergemakkelijkt de canalostomy brede distributie van ingespoten reagentia in het slakkenhuis en vestibulaire einde-organen met minimale schade aan gehoor en vestibulaire functie. De operatie werd met succes geïmplementeerd in zowel volwassen en neonatale muizen; inderdaad, kunnen veelvoudige chirurgie worden uitgevoerd indien nodig. Kortom, canalostomy is een effectieve en veilige benadering drug levering tot de inner oren van volwassen en neonatale muizen en menselijk binnenoor om ziekten te behandelen in de toekomst kan worden gebruikt.
Introduction
Sensorineural hoorzitting verlies en vestibulaire dysfunctie invloed een aanzienlijk aantal patiënten en zijn nauw verbonden met aandoeningen van het binnenoor. Levering van therapeutische geneesmiddelen in het binnenoor toont belofte voor de behandeling van aandoeningen van het binnenoor. Een systemische of lokale aanpak kan worden gebruikt om drugs te leveren in het binnenoor. Sommige ziekten van het binnenoor zijn succesvol behandeld met systemische drug beheer, zoals idiopathische plotseling gehoorverlies, die vaak met systemische steroïden1is behandeld. Daarnaast toonde Lentz et al. dat systemische toediening van antisense oligonucleotide kon verbeteren gehoord en functies in de Ush1c mutant mouse model2in evenwicht te brengen. Echter een groot deel van het binnenoor ziekten zijn niet effectief behandeld door systemische drug administration vanwege de bloed-labyrint barrière, die beperkt de drug toegang tot het binnenoor3,4. Daarentegen kunnen lokale levering drugsstrategieën behandelen aandoeningen van het binnenoor efficiënter. Inderdaad, het binnenoor is potentieel een ideaal doelwit voor lokale drug delivery; het is gevuld met vloeistof, dat vergemakkelijkt de verspreiding van de drug na een-site diffusie of injectie, en het is relatief geïsoleerd van naburige organen, waardoor bijwerkingen5,6wordt beperkt.
Lokale levering drugsstrategieën omvatten de methoden intratympanic en intralabyrinthine. De doeltreffendheid van de intratympanic route is grotendeels afhankelijk van drugs permeabiliteit door het ronde venster membraan (RWM) en de verblijftijd van de drug op de RWM3,4,7,8. Het is dus niet geschikt voor de levering van drugs of reagentia die niet kunnen in de RWM doordringen. Intralabyrinthine methodes omvatten inoculatie van drugs rechtstreeks in het binnenoor, wat resulteert in een hoge dosis en de wijdverspreide distributie. Echter intralabyrinthine methodes vereisen delicate operaties en zijn invasief, wat leidt tot schade aan binnenoor functie. Op dit moment wordt de intralabyrinthine injectie van drugs alleen gebruikt in dierlijke studies zoals het niet voldoende veilig voor gebruik in mens9is aangetoond. Daarom chirurgische procedures moeten worden vereenvoudigd, en het risico van verwonding beperkt tot het vertalen van intralabyrinthine benaderingen in de kliniek.
Verschillende intralabyrinthine benaderingen zijn beoordeeld in dieren door injectie door de RWM5,,10,11 en in het scala media12,13,14, het scala-pauken 15 , 16, de scala vestibule17, de grachten semicircular16,18,19,20en de endolymphatic sac21. Elk van deze benaderingen heeft voor- en nadelen6. Levering via de RWM is atraumatische in neonatale muizen5,22. Echter, een lichte gehoorverlies wordt waargenomen in volwassen muizen na RWM injectie23, mogelijk als gevolg van middenoor effusie na de chirurgie24. Scala media injectie, waarbij de injectie van het reagens rechtstreeks in de endolymphatic ruimte met de sensorische epitheel, behaalt een hoge reagens concentratie in doel einde-organen12,14,, 25 , 26. maar deze aanpak vereist een complexe procedure en resulteert in een aanzienlijke verhoging van de drempel van de hoorzitting als uitgevoerd uiterlijk postnatale dag 5 (P5)25,27, waardoor de toepassing ervan wordt beperkt.
In vergelijking met de bovengenoemde intralabyrinthine benaderingen, canalostomy minimale schade veroorzaakt aan het binnenoor, vooral in volwassen muizen16,18,28,29,30, die is belangrijk zijn voor de evaluatie van de beschermende effecten en translationeel aspecten. Bovendien, knaagdieren, de semicircular grachten bevinden zich buiten de ‘ bulla ‘, ter vergemakkelijking van chirurgische ingrepen en vermijdt verstoring van het middenoor tijdens de operatie. In de kliniek, semicircular canal chirurgie gebruikt voor hardnekkige benigne paroxysmale positie vertigo31,32,33, suggereren de klinische haalbaarheid van canalostomy. Aangezien het eerst werd beschreven door Kawamoto et al. 16 in 2001, canalostomy is gebruikt voor het leveren van diverse reagentia, zoals virale vectoren, siRNA en stamcellen aminoglycoside, in het binnenoor lymfkliertest18,19,28,29 ,34,35,,36,,37. Inoculatie van adeno-associated virus (AAV) vectoren door canalostomy inschakelen overexpressie van exogene genen in de sensorische epitheel en primaire neuronen van het slakkenhuis en vestibulaire einde-organen18,28, 29,30. Therapie van het gen whirlin door canalostomy evenwicht functie herstelt en verbetert de hoorzitting in een muismodel van menselijke Usher syndroom19, suggereert dat canalostomy is nuttig voor onderzoek naar gentherapie voor genetische cochleovestibular ziekten. Transplantatie van mesenchymale stamcellen door canalostomy resulteert in een reorganisatie van cochleaire fibrocytes en hoorzitting herstel in een rat model van acute perceptief hoorzitting verlies35. Bovendien, canalostomy kan worden gebruikt voor het introduceren van aminoglycosiden in het binnenoor om vestibulaire laesies18,34,38, en meerdere injecties kunnen worden uitgevoerd indien nodig van18 , 34.
In dit artikel beschrijven we, in detail, canalostomy technieken in volwassen en neonatale muizen. Wij geënt verschillende reagentia, met inbegrip van snel-groene kleurstof en AAV serotype 8 (AAV8), samen met de groen fluorescente proteïne (GFP) gene (AAV8-GFP) en streptomycine, in het binnenoor van de muis te evalueren van de resultaten van de onmiddellijke en lange na canalostomy.
Protocol
Representative Results
Discussion
In deze studie toonden we dat drug levering door canalostomy hebben geleid tot de wijdverspreide distributie van het reagens in het slakkenhuis en vestibulaire einde-organen. Als een methode voor het binnenoor gene bezorgen, canalostomy geleid tot GFP expressie in de binnenste oren van volwassen en neonatale muizen met minimale schade aan gehoorbescherming en vestibulaire functie. Bovendien kunnen meerdere injecties gemakkelijk worden uitgevoerd in hetzelfde dier.
Een van de grootste troeven v…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door de National Natural Science Foundation of China (subsidie-nummers 81570912, 81771016, 81100717).
Materials
| Polymide Tubing | A-M Systems | 823400 | |
| Polyethylene Tubing | Scientific Commodities Inc. | BB31695-PE/1 | |
| 10μl Microsyringe | Hamilton Company | 80001 | |
| Xylazine HCL | Sigma-Aldrich Co. Llc. | X-1251 | |
| Operating Miroscope | Carl Zeiss Optical LLC. | Pico | |
| Micro Forceps | Dumont Dumostar | 10576 | |
| Fast-green Dye | Sigma-Aldrich Co. Llc. | F7252 | |
| AAV8-GFP | BioMiao Biological Technology Co. Ltd (Beijing, China) | 20161101 | Titer: 2×10e12 vg/mL |
| Streptomycin Sulfate | Sigma-Aldrich Co. Llc. | S9137 | |
| Microinjection Pump | Stoelting Co. | 789100S | |
| Electric Pad | Pet Fun | 11072931136 | |
| 1 cc Syringe | Mishawa Medical Industries Ltd. (Shanghai, China) | 2011-3151258 | |
| Ketamine HCL | Gutian Pharmaceutical Co., Ltd. (Fujian, China) | H35020148 | |
| Electric Animal Clipper | Codos Electrical Appliances Co., Ltd. (Guangdong, China) | CP-8000 | |
| Cotton Pellet | Yatai Healthcare Ltd. (Henan, China) | Yu-2008-1640081 | |
| Suture | Shanghai Pudong Jinhuan Medical Products Co., Ltd. (Shanghai, China) | Hu-2013-2650207 | |
| Eye Ointment | Beijing Shuangji Pharmaceutical Ltd. (Beijng China) | H11021270 |
References
- Stachler, R. J., et al. Clinical practice guideline: sudden hearing loss. Otolaryngol Head Neck Surg. 146 (3 Suppl), S1-S35 (2012).
- Lentz, J. J., et al. Rescue of hearing and vestibular function by antisense oligonucleotides in a mouse model of human deafness. Nat Med. 19 (3), 345-350 (2013).
- Rivera, T., Sanz, L., Camarero, G., Varela-Nieto, I. Drug delivery to the inner ear: strategies and their therapeutic implications for sensorineural hearing loss. Curr Drug Deliv. 9 (3), 231-242 (2012).
- El Kechai, N., et al. Recent advances in local drug delivery to the inner ear. Int J Pharm. 494 (1), 83-101 (2015).
- Akil, O., Rouse, S. L., Chan, D. K., Lustig, L. R. Surgical method for virally mediated gene delivery to the mouse inner ear through the round window membrane. J Vis Exp. (97), e52187 (2015).
- Ahmed, H., Shubina-Oleinik, O., Holt, J. R. Emerging Gene Therapies for Genetic Hearing Loss. J Assoc Res Otolaryngol. 18 (5), 649-670 (2017).
- Murillo-Cuesta, S., et al. A Comparative Study of Drug Delivery Methods Targeted to the Mouse Inner Ear: Bullostomy Versus Transtympanic Injection. J Vis Exp. (121), e54951 (2017).
- Stevens, S. M., Brown, L. N., Ezell, P. C., Lang, H. The Mouse Round-window Approach for Ototoxic Agent Delivery: A Rapid and Reliable Technique for Inducing Cochlear Cell Degeneration. J Vis Exp. (105), e53131 (2015).
- Salt, A. N., Plontke, S. K. Principles of local drug delivery to the inner ear. Audiol Neurootol. 14 (6), 350-360 (2009).
- Akil, O., et al. Restoration of hearing in the VGLUT3 knockout mouse using virally mediated gene therapy. Neuron. 75 (2), 283-293 (2012).
- Pan, B., et al. Gene therapy restores auditory and vestibular function in a mouse model of Usher syndrome type 1c. Nat Biotechnol. 35 (3), 264-272 (2017).
- Kilpatrick, L. A., et al. Adeno-associated virus-mediated gene delivery into the scala media of the normal and deafened adult mouse ear. Gene Ther. 18 (6), 569-578 (2011).
- Izumikawa, M., et al. Auditory hair cell replacement and hearing improvement by Atoh1 gene therapy in deaf mammals. Nat Med. 11 (3), 271-276 (2005).
- Chang, Q., et al. Virally mediated Kcnq1 gene replacement therapy in the immature scala media restores hearing in a mouse model of human Jervell and Lange-Nielsen deafness syndrome. EMBO Mol Med. 7 (8), 1077-1086 (2015).
- Chen, Z., Mikulec, A. A., McKenna, M. J., Sewell, W. F., Kujawa, S. G. A method for intracochlear drug delivery in the mouse. J Neurosci Methods. 150 (1), 67-73 (2006).
- Kawamoto, K., Oh, S. H., Kanzaki, S., Brown, N., Raphael, Y. The functional and structural outcome of inner ear gene transfer via the vestibular and cochlear fluids in mice. Mol Ther. 4 (6), 575-585 (2001).
- Bowers, W. J., et al. Neurotrophin-3 transduction attenuates cisplatin spiral ganglion neuron ototoxicity in the cochlea. Mol Ther. 6 (1), 12-18 (2002).
- Wang, G. P., et al. Adeno-associated virus-mediated gene transfer targeting normal and traumatized mouse utricle. Gene Ther. 21 (11), 958-966 (2014).
- Isgrig, K., et al. Therapy Restores Balance and Auditory Functions in a Mouse Model of Usher Syndrome. Mol Ther. 25 (3), 780-791 (2017).
- Gassner, D., Durham, D., Pfannenstiel, S. C., Brough, D. E., Staecker, H. Canalostomy as a surgical approach for cochlear gene therapy in the rat. Anat Rec (Hoboken). 295 (11), 1830-1836 (2012).
- Yamasoba, T., Yagi, M., Roessler, B. J., Miller, J. M., Raphael, Y. Inner ear transgene expression after adenoviral vector inoculation in the endolymphatic sac. Hum Gene Ther. 10 (5), 769-774 (1999).
- Xia, L., Yin, S., Wang, J. Inner ear gene transfection in neonatal mice using adeno-associated viral vector: a comparison of two approaches. PLoS One. 7 (8), e43218 (2012).
- Chien, W. W., McDougald, D. S., Roy, S., Fitzgerald, T. S., Cunningham, L. L. Cochlear gene transfer mediated by adeno-associated virus: Comparison of two surgical approaches. Laryngoscope. 125 (11), 2557-2564 (2015).
- Zhu, B. Z., Saleh, J., Isgrig, K. T., Cunningham, L. L., Chien, W. W. Hearing Loss after Round Window Surgery in Mice Is due to Middle Ear Effusion. Audiol Neurootol. 21 (6), 356-364 (2017).
- Wang, Y., et al. Early postnatal virus inoculation into the scala media achieved extensive expression of exogenous green fluorescent protein in the inner ear and preserved auditory brainstem response thresholds. J Gene Med. 15 (3-4), 123-133 (2013).
- Lee, M. Y., et al. Survival of human embryonic stem cells implanted in the guinea pig auditory epithelium. Sci Rep. 7, 46058 (2017).
- Ishimoto, S., Kawamoto, K., Kanzaki, S., Raphael, Y. Gene transfer into supporting cells of the organ of Corti. Hear Res. 173 (1-2), 187-197 (2002).
- Okada, H., et al. Gene transfer targeting mouse vestibule using adenovirus and adeno-associated virus vectors. Otol Neurotol. 33 (4), 655-659 (2012).
- Suzuki, J., Hashimoto, K., Xiao, R., Vandenberghe, L. H., Liberman, M. C. Cochlear gene therapy with ancestral AAV in adult mice: complete transduction of inner hair cells without cochlear dysfunction. Sci Rep. 7, 45524 (2017).
- Guo, J. Y., et al. Cochleovestibular gene transfer in neonatal mice by canalostomy. Neuroreport. 28 (11), 682-688 (2017).
- Beyea, J. A., Agrawal, S. K., Parnes, L. S. Transmastoid semicircular canal occlusion: a safe and highly effective treatment for benign paroxysmal positional vertigo and superior canal dehiscence. Laryngoscope. 122 (8), 1862-1866 (2012).
- Naples, J. G., Eisen, M. D. The History and Evolution of Surgery on the Vestibular Labyrinth. Otolaryngol Head Neck Surg. 155 (5), 816-819 (2016).
- Hamilton, L., Keh, S., Spielmann, P. M., Hussain, S. S. How we do it: locating the posterior semicircular canal in occlusion surgery for refractory benign paroxysmal positional vertigo: a cadaveric temporal bone study. Clinical Otolaryngology. 41 (2), 190-193 (2016).
- Jung, J. Y., et al. siRNA targeting Hes5 augments hair cell regeneration in aminoglycoside-damaged mouse utricle. Mol Ther. 21 (4), 834-841 (2013).
- Kamiya, K., et al. Mesenchymal stem cell transplantation accelerates hearing recovery through the repair of injured cochlear fibrocytes. Am J Pathol. 171 (1), 214-226 (2007).
- Pfannenstiel, S. C., Praetorius, M., Plinkert, P. K., Brough, D. E., Staecker, H. Bcl-2 gene therapy prevents aminoglycoside-induced degeneration of auditory and vestibular hair cells. Audiol Neurootol. 14 (4), 254-266 (2009).
- Kawamoto, K., Izumikawa, M., Beyer, L. A., Atkin, G. M., Raphael, Y. Spontaneous hair cell regeneration in the mouse utricle following gentamicin ototoxicity. Hear Res. 247 (1), 17-26 (2009).
- Wang, G. P., et al. Notch signaling and Atoh1 expression during hair cell regeneration in the mouse utricle. Hear Res. 267 (1-2), 61-70 (2010).
- Pietola, L., et al. HOX-GFP and WOX-GFP lentivirus vectors for inner ear gene transfer. Acta Otolaryngol. 128 (6), 613-620 (2008).
- Han, J. J., et al. Transgene expression in the guinea pig cochlea mediated by a lentivirus-derived gene transfer vector. Hum Gene Ther. 10 (11), 1867-1873 (1999).
