توصيل الدواء القائم على المضخة الأسموزية لأبحاث إعادة الميالين في الجسم الحي على الجهاز العصبي المركزي
Summary
يحدث إزالة الميالين في العديد من أمراض الجهاز العصبي المركزي. تعد تقنية توصيل الدواء الموثوقة في الجسم الحي ضرورية لإعادة الميالين لاختبار المخدرات. يصف هذا البروتوكول طريقة قائمة على المضخة الأسموزية تسمح بتوصيل الدواء على المدى الطويل مباشرة إلى حمة الدماغ وتحسن التوافر البيولوجي للدواء ، مع تطبيق واسع النطاق في أبحاث إعادة الميالين.
Abstract
تم تحديد إزالة الميالين ليس فقط في التصلب المتعدد (MS) ، ولكن أيضا في أمراض الجهاز العصبي المركزي الأخرى مثل مرض الزهايمر والتوحد. كما تشير الأدلة إلى أن إعادة الميالين يمكن أن تخفف بشكل فعال من أعراض المرض ، هناك تركيز متزايد على تطوير الأدوية لتعزيز عملية تجديد المايلين. وبالتالي ، هناك حاجة إلى تقنية توصيل الأدوية التي يمكن اختيارها في المنطقة والتي يمكن الاعتماد عليها من حيث النتائج لاختبار كفاءة وخصوصية هذه الأدوية في الجسم الحي. يقدم هذا البروتوكول غرسة المضخة الأسموزية كنهج جديد لتوصيل الدواء في نموذج فأر إزالة الميالين الناجم عن الليسوليسيثين. المضخة الأسموزية هي جهاز صغير قابل للزرع يمكنه تجاوز الحاجز الدموي الدماغي (BBB) وتوصيل الأدوية بشكل مطرد ومباشر إلى مناطق محددة من دماغ الفأر. كما يمكن أن يحسن بشكل فعال التوافر البيولوجي للأدوية مثل الببتيدات والبروتينات ذات عمر النصف القصير. لذلك ، هذه الطريقة ذات قيمة كبيرة في مجال أبحاث تجديد المايلين في الجهاز العصبي المركزي.
Introduction
المضخة الأسموزية هي جهاز صغير قابل للزرع لإطلاق المحلول. يمكن استخدامه للتوصيل الجهازي عند زرعه تحت الجلد أو في تجويف البطن. سطح المضخة الأسموزية عبارة عن غشاء شبه نافذ ، وجانبه الداخلي عبارة عن طبقة قابلة للنفاذ. تعمل المضخة الأسموزية باستخدام فرق الضغط الأسموزي بين الطبقة التناضحية وبيئة الأنسجة حيث يتم زرع المضخة. تجعل الأسمولية العالية للطبقة الأسموزية الماء الموجود في الأنسجة يتدفق إلى الطبقة الأسموزية من خلال الغشاء شبه القابل للنفاذ على سطح المضخة. تقوم الطبقة الأسموزية بتوسيع وضغط الخزان المرن داخل المضخة ، وبالتالي إزاحة المحلول من الخزان المرن بمعدل معين لمدة طويلة1. تحتوي المضخة على ثلاثة أحجام مختلفة من الخزانات ، 100 ميكرولتر ، 200 ميكرولتر ، و 2 مل ، مع معدلات تسليمها التي تتراوح من 0.11 ميكرولتر / ساعة إلى 10 ميكرولتر / ساعة. اعتمادا على نوع المضخة المحدد ، يمكن أن يعمل الجهاز من 1 يوم إلى 6 أسابيع2. في هذا البروتوكول ، يتم استخدام مضخة تناضحية 100 ميكرولتر بمعدل نقل 0.25 ميكرولتر / ساعة يمكن أن تعمل لمدة 14 يوما.
مرة أخرى في 1970s ، تم استخدام المضخة الاسموزي في أبحاث علم الأعصاب 3,4. على سبيل المثال ، اعتمد Wei et al. نهج المضخة الأسموزية لحقن الببتيدات الأفيونية في البطين في دراسة عن إدمان المخدرات3. بعد التحسين المستمر ، تم استخدام المضخة الأسموزية الآن في دراسة التسليم المراقب لآلاف الأدوية ، بما في ذلك الببتيدات وعوامل النمو والأدوية المسببة للإدمان والهرمونات والمنشطات والأجسام المضادة وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، مع القسطرة الخاصة (مجموعات تسريب الدماغ) المرفقة ، يمكن استخدامها للتسريب المستهدف إلى أنسجة أو أعضاء معينة ، بما في ذلك الحبل الشوكي والدماغ والطحال والكبد5،6،7.
في دراسة إعادة الميالين ، ثبت أن العديد من الأدوية تعزز تجديد المايلين في المختبر ، لكن معظمها لم يحقق تأثيرات كبيرة في الجسم الحي ، ربما بسبب عدم وجود طريقة إدارة مناسبة. طرق الإدارة التقليدية مثل الحقن داخل الصفاق ، والحقن تحت الجلد ، والإدارة داخل المعدة لها قيود في التوافر البيولوجي للأدوية. بالإضافة إلى ذلك ، فإن بعض الأدوية لها نفاذية ضعيفة للحاجز الدموي الدماغي ، مما يقوض وصولها إلى حمة الدماغ. وتستدعي هذه القيود مجتمعة طريقة جديدة فعالة للإيصال. بالاقتران مع مجموعات ضخ الدماغ ، يمكن للمضخات التناضحية تجاوز حاجز الدم في الدماغ وتوصيل الأدوية مباشرة إلى الجسم الثفني ، مما يحسن بشكل فعال التوافر البيولوجي للأدوية ، خاصة بالنسبة لبعض أدوية الببتيد والبروتين ذات عمر النصف القصير. لذلك ، فإن المضخة الأسموزية كتقنية جديدة لتوصيل الدواء لها قيمة كبيرة في مجال أبحاث تجديد المايلين في الجهاز العصبي المركزي. سيتم تقديم تطبيق هذه التقنية بالتفصيل أدناه.
Protocol
Representative Results
Discussion
يصف هذا البروتوكول المضخة الأسموزية بأنها تقنية جديدة لتوصيل الدواء لأبحاث تجديد المايلين ، والتي يمكن أن توصل الأدوية مباشرة إلى موقع العلاج وتسمح بتوصيل الدواء بشكل متسق لفترة طويلة ، مما يخلق تركيزا مستقرا للدواء في البيئة الدقيقة للجهاز العصبي المركزي طوال المدة التجريبية. بالمقارن…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
تم دعم هذا العمل من خلال منح من المؤسسة الوطنية لعلوم الطبيعة في الصين (NSFC 32070964 ، 31871045) إلى J.N. ومؤسسة شنتشن للبحوث الأساسية (JCYJ20210324121214039) إلى Y.S.
Materials
| Anesthesia Air Pump | RWD | R510-29 | E05818-006 |
| Brain Infusion kit 3 | ALZET | 0008851 | 1-3 mm |
| Carprofen | Macklin | C830557-1g | 5 mg/kg every 24 h |
| Erythromycin eye ointment | Along technology | YCKJ-RJ-024780 | Cover the surface of the eyeballs during anesthesia |
| Erythromycin ointment | pythonbio | RG180 | |
| Gas Evacuation Apparatus | RWD | R546W | E05518-002 |
| L-α-Lysophosphatidylcholine | Sigma | L0906 | Dissolve at 1% with sterile PBS |
| Microliter Syringe | Hamilton | 65460-05 | Syringe Series:1700, 10 µL, 33 gauge |
| Micro-smotic pump model 1002 | ALZET | 0004317 | 0.25 µL per hour, 14 days |
| PBS (pH = 7.3) | ORIGENE | ZLI-9061 | |
| Pentobarbital sodium | Shanghai Civi | CAS NO: 57-33-0 | 150-200 mg/kg intraperitoneal injection for euthanasia |
| Small Animal Anesthesia Machine | RWD | R520IE | E05807-006 M |
| Stereotaxic Equipment | RWD | E06382 | |
| STERI 250 sterilizer | Keller | 31101 | Rapid sterilization of surgical instruments |
| Surgical sutures | Shanghai jinhuan | F504 | 5-0 |
| Syringe needle (1 mL) | Shanghai KDL | 6930197811018 | 26 gauge (0.45 mm x 16 mm) |
| Testing drug and solvent | Experiment dependent | N/A | |
| ThermoStar Homeothermic Monitoring System | RWD | 69026 | Maintain body temperature during anesthesia |
| Vetbond Tissue adhesive | 3M | 1469SB | Secure the brain infusion cannula , Adhere the skin incision |
References
- Theeuwes, F., Yum, S. I. Principles of the design and operation of generic osmotic pumps for the delivery of semisolid or liquid drug formulations. Annals of Biomedical Engineering. 4 (4), 343-353 (1976).
- Herrlich, S., Spieth, S., Messner, S., Zengerle, R. Osmotic micropumps for drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 64 (14), 1617-1627 (2012).
- Wei, E., Loh, H. Physical dependence of opiate-like peptides. Science. 193 (4259), 1262-1263 (1976).
- Pettigrew, J. D., Kasamatsu, T. Local perfusion of noradrenaline maintains visual cortical plasticity. Nature. 271 (5647), 761-763 (1978).
- Wang, Y., et al. Reduced oligodendrocyte precursor cell impairs astrocytic development in early life stress. Advanced Science (Weinheim). 8 (16), 2101181 (2021).
- Tang, C., et al. Neural stem cells behave as a functional niche for the maturation of newborn neurons through the secretion of PTN. Neuron. 101 (1), 32-44 (2019).
- Watanabe, S., Komine, O., Endo, F., Wakasugi, K., Yamanaka, K. Intracerebroventricular administration of Cystatin C ameliorates disease in SOD1-linked amyotrophic lateral sclerosis mice. Journal of Neurochemistry. 145 (1), 80-89 (2018).
- DeVos, S. L., Miller, T. M. Direct intraventricular delivery of drugs to the rodent central nervous system. Journal of Visualized Experiments: JoVE. , e50326 (2013).
- Tang, C., Guo, W. Implantation of a mini-osmotic pump plus stereotactical injection of retrovirus to study newborn neuron development in adult mouse hippocampus. STAR Protocols. 2 (1), 100374 (2021).
- Niu, J., et al. Oligodendroglial ring finger protein Rnf43 is an essential injury-specific regulator of oligodendrocyte maturation. Neuron. 109 (19), 3104-3118 (2021).
- Breitschopf, H., Suchanek, G., Gould, R. M., Colman, D. R., Lassmann, H. In situ hybridization with digoxigenin-labeled probes: sensitive and reliable detection method applied to myelinating rat brain. Acta Neuropathologica. 84 (6), 581-587 (1992).
- Cree, B. A. C., et al. Clemastine rescues myelination defects and promotes functional recovery in hypoxic brain injury. Brain. 141 (1), 85-98 (2018).
- Eckenhoff, B., Yum, S. I. The osmotic pump: novel research tool for optimizing drug regimens. Biomaterials. 2 (2), 89-97 (1981).
- Thoenen, H., Sendtner, M. Neurotrophins: from enthusiastic expectations through sobering experiences to rational therapeutic approaches. Nature Neuroscience. 5, 1046-1050 (2002).
- Hagg, T. Intracerebral infusion of neurotrophic factors. Methods in Molecular Biology. 399, 167-180 (2007).
- Bittner, B., Thelly, T., Isel, H., Mountfield, R. J. The impact of co-solvents and the composition of experimental formulations on the pump rate of the ALZET osmotic pump. International Journal of Pharmaceutics. 205 (1-2), 195-198 (2000).
- Arnot, M. I., Bateson, A. N., Martin, I. L. Dimethyl sulfoxide/propylene glycol is a suitable solvent for the delivery of diazepam from osmotic minipumps. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 36 (1), 29-31 (1996).
- Gullapalli, R., et al. Development of ALZET osmotic pump compatible solvent compositions to solubilize poorly soluble compounds for preclinical studies. Drug Delivery. 19 (5), 239-246 (2012).
- White, J. D., Schwartz, M. W. Using osmotic minipumps for intracranial delivery of amino acids and peptides. Methods in Neurosciences. 21, 187-200 (1994).
