Leverans av antikroppar i murina hjärnan via konvektion-förbättrad leverans
Summary
Konvektion-förstärkt leverans (CED) är en metod som möjliggör effektiv tillförsel av Therapeutics in i hjärnan genom direkt perfusion av stora vävnads volymer. Förfarandet kräver användning av katetrar och en optimerad injektion förfarande. Detta protokoll beskriver en metod för CED av en antikropp i en mushjärna.
Abstract
Konvektion-förstärkt leverans (CED) är en Neurokirurgisk teknik som möjliggör effektiv perfusion av stora hjärn volymer med hjälp av en kateter system. Ett sådant tillvägagångssätt ger en säker leveransmetod genom att passera blod-hjärnbarriären (BBB), vilket möjliggör behandling med Therapeutics med dålig BBB-permeabilitet eller de för vilka systemisk exponering inte önskas, t. ex., på grund av toxicitet. CED kräver optimering av kateter design, injektion protokoll och egenskaper av Infusat. Med detta protokoll beskriver vi hur man utför en lösning som innehåller upp till 20 μg av en antikropp in i caudaten putamen av möss. Det beskriver beredning av steg katetrar, testa dem in vitro och utföra CED i möss med hjälp av en rampning injektion program. Protokollet kan lätt justeras för andra infusionsvolymer och kan användas för att injicera olika spårämnen eller farmakologiskt aktiva eller inaktiva substanser, inklusive kemoterapeutika, cytokiner, virala partiklar och liposomer.
Introduction
Blod-hjärnbarriären (BBB) bildar en semipermeable gränsa som avskiljer det centralanervsystemet (CNS) från blodcirkulationen. Att nå CNS med Therapeutics är dock nödvändigt i samband med olika sjukdomar, som hjärntumörer, Alzheimers sjukdom (AD) eller Parkinsons sjukdom (PD) bland andra1. Detta blir viktigt i utvecklingen av nya terapier, särskilt om den testade drogen uppvisar dålig BBB permeabilitet eller dess systemiska exponering kan leda till farlig toxicitet1,2. Några av de kliniskt använda antikropparna visar båda dessa funktioner. En lösning på detta problem skulle vara att leverera Therapeutics direkt bakom BBB.
Konvektion-förstärkt leverans (CED) är en Neurokirurgisk teknik som möjliggör effektiv perfusion av stora hjärn volymer. Detta uppnås genom kirurgiskt installera en eller flera katetrar i målområdet. Under drogen ansökan, en tryckgradient bildas vid öppnandet av katetern, som blir den drivande kraften i infusate dispersion i vävnaden3,4. Det är således varaktigheten av infusion och inte diffusions koefficienter som bestämmer perfusion Range2,4,5. Detta ger enhetlig leverans av Infusat över en mycket större hjärnvolym jämfört med konventionella, diffusion baserade intracerebral injektions metoder2,6. Samtidigt har denna leverans modalitet en lägre risk för vävnadsskada2. Följaktligen, CED kan möjliggöra säker och effektiv administrering av konventionella kemoterapeutika för behandling av CNS-tumörer, samt leverans av immunmodulerande medel eller agonistiska och antagonistiska antikroppar i en mängd andra CNS-sjukdomar2 ,7,8,9. CED testas för närvarande i terapier av Parkinsons sjukdom, Alzheimers sjukdom, samt höggradig gliom2,7,8,10,11.
Kateter design och injektion regim är bland de viktigaste faktorerna som påverkar resultatet av CED 10,12,13,14,15,16. Dessutom kräver det specifika fysikalisk-kemiska egenskaper hos Infusat, inklusive måttlig partikelstorlek, anjonladdning och låg vävnads tillhörighet 10,17. Var och en av dessa parametrar måste potentiellt justeras enligt de histologiska funktionerna i hjärnregionen för att vara riktad2,10,17.
Här beskriver vi metoder för att utföra en antikropps lösning i caudatum putamen (striatum) av möss. Dessutom innehåller protokollet beredning av steg katetrar i ett laboratorium setup, testa dem in vitro-och utföra CED.
Det finns flera kateter mönster finns i litteraturen, skiljer sig genom formen på kanyl, de material som används och antalet kateter öppningar12,15,18,19,20 ,21,22. Vi använder en steg kateter gjord av en smält kiseldioxid kapillär utskjutande 1 mm från en trubbig ände metall nål. Denna kateter design kan lätt tillverkas i ett forskningslaboratorium och reproducerbart ger bra CED resultat när testas in vitro med aguppstod block med fysiska parametrar som liknar hjärnparenkymet in vivo23.
Dessutom implementerar vi en rampningsregim för att leverera 5 μL Infusat in vivo. I ett sådant protokoll ökas insprutnings hastigheten från 0,2 μL/min till maximalt 0,8 μL/min, vilket minimerar risken för reflux längs katetern samt risk för vävnadsskada16. Med detta protokoll har vi framgångsrikt administrerat möss med upp till 20 μg antikroppar i 5 μL PBS under loppet av 11 min 30 s.
Protokollet kan lätt justeras för andra infusionsvolymer eller för injicering av olika andra substanser, t. ex. kemoterapeutika, cytokiner, virala partiklar eller liposomer2,10,14,18 ,22. I händelse av att använda Infusat med drastiskt olika fysikalisk-kemiska egenskaper jämfört med en fosfatbuffrad saltlösning (PBS) eller konstgjord cerebrospinalvätska (aCSF) lösningen av antikroppar, ytterligare validerings steg rekommenderas. För kateter montering, validering och CED, beskriver vi alla steg med hjälp av en stereotaktisk robot med en borr-och insprutningsenhet monterad på en vanlig stereotaktisk ram. Detta förfarande kan också utföras med en manuell stereotaktisk ram ansluten till programmerbara mikroinfusionspump som kan köra de beskrivna glas mikrosprutor.
Protocol
Representative Results
Discussion
Konvektion-förbättrad leverans, eller tryck-medierad drog infusion i hjärnan, föreslogs först i början av 19903. Denna metod lovar perfusion av stora hjärn volymer bakom blod-hjärnbarriären på ett kontrollerat sätt2. Hittills har dock endast ett fåtal kliniska prövningar utförts med denna metod, delvis därför att CED i en klinisk installation har visat sig vara tekniskt krävande24,25. Den senaste ti…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Detta arbete stöddes av stipendier från universitetet i Zürich (FK-15-057), Novartis stiftelse för medicinsk-biologisk forskning (16C231) och schweizisk cancer forskning (KFS-3852-02-2016, KFS-4146-02-2017) till Johannes vom berg och BRIDGE proof of Concept (20B1-1 _ 177300) till 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).
