En minimalt invasiv metode til intratracheal indånding af lægemidler hos neonatale gnavere til behandling af lungesygdom
Summary
Denne teknik til at indgyde lægemidler direkte i luftrøret hos neonatale gnavere er vigtig for at studere virkningen af lokalt administrerede lægemidler eller biologiske stoffer på neonatale lungesygdomme. Derudover kan denne metode også bruges til at fremkalde lungeskade i dyremodeller.
Abstract
Behandling af neonatal gnaver med lægemidler indlagt direkte i luftrøret kan tjene som et værdifuldt redskab til at studere virkningen af et lokalt administreret lægemiddel. Dette har direkte translationel virkning, fordi overfladeaktivt stof og lægemidler administreres lokalt i lungerne. Selvom litteraturen har mange publikationer, der beskriver minimalt invasiv transoral intubation af voksne mus og rotter i terapeutiske forsøg, mangler denne tilgang i neonatale rottehvalpe. Den lille størrelse af orotracheal region / svælg i hvalpene gør visualisering af larynxlumen (stemmebånd) vanskelig, hvilket bidrager til den variable succesrate for intratracheal lægemiddellevering. Vi demonstrerer hermed effektiv oral intubation af neonatal rottehvalp – en teknik, der er ikke-traumatisk og minimalt invasiv, så den kan bruges til seriel administration af lægemidler. Vi brugte et operationsotoscope med et belysningssystem og en forstørrelseslinse til at visualisere trakealåbningen af rotte nyfødte. Lægemidlet indlægges derefter ved hjælp af en 1 ml sprøjte forbundet til en pipettespids. Nøjagtigheden af leveringsmetoden blev demonstreret ved hjælp af Evans blå farvestofadministration. Denne metode er let at blive trænet i og kan tjene som en effektiv måde at indgyde stoffer i luftrøret. Denne metode kan også anvendes til administration af inokulum eller agenser til simulering af sygdomstilstande hos dyr og også til cellebaserede behandlingsstrategier for forskellige lungesygdomme.
Introduction
Nyfødte født for tidligt har dårligt udviklede lunger, der kræver mange interventionelle terapier såsom langvarig ventilation. Disse indgreb placerer de overlevende nyfødte i høj risiko for efterfølgende følgevirkninger1. Eksperimentelle dyremodeller tjener som et vigtigt redskab til at simulere forskellige sygdomstilstande, studere sygdommens patobiologi og evaluere terapeutiske interventioner. Selvom der findes en bred vifte af dyremodeller fra mus, rotter og kaniner til fordærvende lam og svin, er mus og rotter de mest anvendte.
Den primære fordel ved at bruge mus og rotter er den relativt korte drægtighedsperiode og reducerede omkostninger. De er også let tilgængelige, lette at vedligeholde i sygdomsfrie miljøer, genetisk homogene og har relativt mindre etisk bekymring 2,3. En anden stor fordel ved gnavermodellen er, at den neonatale hvalp ved fødslen er på det sene kanalikulære/tidlige saccular stadium af lungeudviklingen, som morfologisk svarer til lungen hos et 24-ugers for tidligt født neonatalt menneskebarn, der fortsætter med at udvikle bronchopulmonal dysplasi4. Da deres lungeudvikling hurtigt skrider frem til færdiggørelse inden for de første 4 uger af livet, er det desuden muligt at studere den postnatale lungemodning inden for en rimelig tidsramme4. På trods af disse fordele er den lille størrelse af mus og rottehvalpe en kilde til bekymring for forskellige interventioner, hvilket tvinger de fleste forskere til at bruge voksne dyr i stedet for hvalpe5. Neonatale lunger er i et udviklingsstadium, og en nyfødts reaktion på et inciterende middel adskiller sig fra en voksen. Dette gør det hensigtsmæssigt at anvende neonatale dyremodeller til at studere humane neonatale sygdomstilstande.
Der er forskellige metoder til at administrere lægemidler / biologiske agenser til lungen. Dette omfatter intranasal 6,7 eller intratracheal 8,9,10 instillation samt aerosolindånding11,12. Hver tilgang har sine egne tekniske udfordringer, fordele samt begrænsninger13. Intratracheal indgivelsesvej for terapeutiske midler foretrækkes at studere den direkte terapeutiske virkning i organet, der omgår de systemiske virkninger. Denne rute kan også bruges til at studere lungepatologi forårsaget af inciterende midler. Der er både invasive og minimalt invasive teknikker til at gøre dette og er let at udføre hos voksne. Men hos hvalpe er der på grund af dyrets lille størrelse tekniske udfordringer forbundet med intubationsprocessen. Den nuværende undersøgelse præsenterer en enkel, konsekvent, ikke-kirurgisk intratracheal instillation (ITI) metode i rotte hvalpe, der kan bruges til at studere effekten af forskellige neonatale terapeutiske interventioner samt til at generere dyremodeller, der simulerer neonatale luftvejssygdomme.
Protocol
Representative Results
Discussion
Intratracheal instillation er en fremragende metode, der giver flere fordele i forhold til de eksisterende metoder til respiratoriske sygdomsinterventioner samt udvikling af sygdomsmodeller. Det er en hurtig metode og med erfaring kan udføres med en gennemsnitshastighed på 2-3 minutter pr. Dyr. De vigtigste overvejelser for en vellykket intubation er korrekt sedation af dyret, det er korrekt positionering, især hovedet, samt nøjagtig dybde af placering / størrelse af speculaen i oropharynx. Korrekt sedation ville gi…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbejde blev delvist støttet af R01HD090887-01A1 fra NICHD til AH. Forfatterne anerkender også de faciliteter, der leveres af Dr. Peter Mc Farlanes laboratorium, såsom inhalationsanæstesi / varmepudesystem. Catherine Mayers værdifulde hjælp til oprettelsen af systemet er værdsat. Finansieringsorganet spillede ingen rolle i udformningen af undersøgelsen, indsamlingen, analysen og fortolkningen af data eller i udarbejdelsen af manuskriptet.
Materials
| Evans Blue dye | Sigma-Aldrich, St Louis, MO, USA | 314-13-6 | Confirmation of drug administration into lungs |
| Ketamine Hydrochloride | Hospira. Inc, Lake Forest, IL, USA | Dispensed from Animal care facility | For sedation |
| Operating Otoscope | Welch Allyn, Hillrom, Chicago, IL, USA | 21770- 3.5V | For visualization of vocal cords |
| Otoscope Rechargeable Handle | Welch Allyn, Hillrom, Chicago, IL, USA | 71050-C | |
| Pipette tip (Gel loading) | Fisherbrand | 02-707-139 | Administering the drug |
| Platform for restraining (inclined plane) | Animal care facility | Dispensed from Animal care facility | Wired roof of mice cage can be used |
| 3M Micropore Surgical White Paper (sticking tape) | 3M, St. Paul, MN, USA | 1530-2 | |
| Luer Lock SyringeSyringes (1 ml) | BD Franklin Lakes, NJ , USA | NBD2515 | Administering the drug |
| Xylazine | Hospira. Inc, Lake Forest, IL, USA | For sedation |
Riferimenti
- Pulmonary Cell Biology Lab: Neonatal Lung Disease. Mayo Clinic Available from: https://www.mayo.edu/research/labs/pulmonary-cell-biology/projects/neonatal=lung-disease (2020)
- Martínez-Burnes, J., López, A., Lemke, K., Dobbin, G. Transoral intratracheal inoculation method for use with neonatal rats. Comparative Medicine. 51 (2), 134-137 (2001).
- Pinkerton, K. E., Crapo, J. D., Witschi, H., Brain, J. D. Morphometry of the alveolar region of the lung. Toxicology of Inhaled Materials Handbook of Experimental Pharmacology. 95, 259-285 (1985).
- Nardiello, C., Mižíková, I., Morty, R. E. Looking ahead: where to next for animal models of bronchopulmonary dysplasia. Cell and Tissue Research. 367 (3), 457-468 (2017).
- Sugimoto, M., Ando, M., Senba, H., Tokuomi, H. Lung defenses in neonates: Effects of bronchial lavage fluids from adult and neonatal rabbits on superoxide production by their alveolar macrophages. Journal of the Reticuloendothelial Society. 27 (6), 595-606 (1980).
- Grayson, M. H., et al. Controls for lung dendritic cell maturation and migration during respiratory viral infection. Journal of Immunology. 179 (3), 1438-1448 (2007).
- Moreira, A., et al. Intranasal delivery of human umbilical cord Wharton’s jelly mesenchymal stromal cells restores lung alveolarization and vascularization in experimental bronchopulmonary dysplasia. Stem Cells Translational Medicine. 9 (2), 221-234 (2020).
- Bar-Haim, E., et al. Interrelationship between dendritic cell trafficking and Francisella tularensis dissemination following airway infection. PLoS Pathogens. 4 (11), 1000211 (2008).
- Linderholm, A. L., Franzi, L. M., Bein, K. J., Pinkerton, K. E., Last, J. A. A quantitative comparison of intranasal and intratracheal administration of coarse PM in the mouse. Integrative Pharmacology, Toxicology and Genotoxicology. 1 (1), 5-10 (2015).
- Guerra, K., et al. Intra-tracheal administration of a naked plasmid expressing stromal derived factor-1 improves lung structure in rodents with experimental bronchopulmonary dysplasia. Respiratory Research. 20 (1), 255 (2019).
- Thomas, R., et al. Influence of particle size on the pathology and efficacy of vaccination in a murine model of inhalational anthrax. Journal of Medical Microbiology. 59, 1415-1427 (2010).
- Sakurai, R., et al. A combination of the aerosolized PPAR-γ agonist pioglitazone and a synthetic surfactant protein B peptide mimic prevents hyperoxia-induced neonatal lung injury in rats. Neonatology. 113 (4), 296-304 (2018).
- Rayamajhi, M., et al. Non-surgical intratracheal instillation of mice with analysis of lungs and lung draining lymph nodes by flow cytometry. Journal of Visualized Experiments. (51), e2702 (2011).
- Brain, J. D., Knudson, D. E., Sorokin, S. P., Davis, M. A. Pulmonary distribution of particles given by intratracheal instillation or by aerosol inhalation. Environmental Research. 11 (1), 13-33 (1976).
- Pritchard, J. N., et al. The distribution of dust in the rat lung following administration by inhalation and by single intratracheal instillation. Environmental Research. 36 (2), 268-297 (1985).
- Ruzinski, J. T., Skerrett, S. J., Chi, E. Y., Martin, T. R. Deposition of particles in the lungs of infant and adult rats after direct intratracheal administration. Laboratory Animal Science. 45 (2), 205-210 (1995).
- Sun, B., Curstedt, T., Song, G. W., Robertson, B. Surfactant improves lung function and morphology in newborn rabbits with meconium aspiration. Biology of the Neonate. 63 (2), 96-104 (1993).
- Nicholson, J. W., Kinkead, E. R. A simple device for intratracheal injections in rats. Laboratory Animal Science. 32 (5), 509-510 (1982).
- Carlon, M., et al. Efficient gene transfer into the mouse lung by fetal intratracheal injection of rAAV2/6.2. Molecular Therapy: The Journal of the American Society of Gene Therapy. 18 (12), 2130-2138 (2010).
- Chen, C. -. M., Chen, Y. -. J., Huang, Z. -. H. Intratracheal Instillation of Stem Cells in Term Neonatal Rats. Journal of Visualized Experiments. (159), e61117 (2020).
- Reynolds, R. D. Preventing maternal cannibalism in rats. Science. 213 (4512), 1146 (1981).
- Park, C. M., Clegg, K. E., Harvey-Clark, C. J., Hollenberg, M. J. Improved techniques for successful neonatal rat surgery. Laboratory Animal Science. 42 (5), 508-513 (1992).
- Cleary, G. M., et al. Exudative lung injury is associated with decreased levels of surfactant proteins in a rat model of meconium aspiration. Pediatrics. 100 (6), 998-1003 (1997).
- Das, S., MacDonald, K., Chang, H. -. Y. S., Mitzner, W. A simple method of mouse lung intubation. Journal of Visualized Experiments. (73), e50318 (2013).
- Oka, Y., et al. A reliable method for intratracheal instillation of materials to the entire lung in rats. Journal of Toxicologic Pathology. 19 (2), 107-109 (2006).
- Watanabe, A., Hashimoto, Y., Ochiai, E., Sato, A., Kamei, K. A simple method for confirming correct endotracheal intubation in mice. Laboratory Animals. 43 (4), 399-401 (2009).
- Kim, J. -. S., et al. An automatic video instillator for intratracheal instillation in the rat. Laboratory Animals. 44 (1), 20-24 (2010).
- Lawrenz, M. B., Fodah, R. A., Gutierrez, M. G., Warawa, J. Intubation-mediated intratracheal (IMIT) instillation: a noninvasive, lung-specific delivery system. Journal of Visualized Experiments. (93), e52261 (2014).
- Ordodi, V. L., Mic, F. A., Mic, A. A., Sandesc, D., Paunescu, V. A simple device for intubation of rats. Lab Animal. 34 (8), 37-39 (2005).
- Cleary, G. M., Wiswell, T. E. Meconium-stained amniotic fluid and the meconium aspiration syndrome. An update. Pediatric Clinics of North America. 45 (3), 511-529 (1998).
- Vandivort, T. C., An, D., Parks, W. C. An improved method for rapid intubation of the trachea in mice. Journal of Visualized Experiments. (108), e53771 (2016).
- Litvin, D. G., Dick, T. E., Smith, C. B., Jacono, F. J. Lung-injury depresses glutamatergic synaptic transmission in the nucleus tractus solitarii via discrete age-dependent mechanisms in neonatal rats. Brain, Behavior, and Immunity. 70, 398-422 (2018).
- Spoelstra, E. N., et al. A novel and simple method for endotracheal intubation of mice. Laboratory Animals. 41 (1), 128-135 (2007).
- Kim, Y. E., et al. Intratracheal transplantation of mesenchymal stem cells simultaneously attenuates both lung and brain injuries in hyperoxic newborn rats. Pediatric Research. 80 (3), 415-424 (2016).
- Chang, Y. S., et al. Intratracheal transplantation of human umbilical cord blood-derived mesenchymal stem cells dose-dependently attenuate hyperoxia-induced lung injury in neonatal rats. Cell Transplantation. 20 (11-12), 1843-1854 (2011).
- Chang, Y. S., et al. Timing of umbilical cord blood derived mesenchymal stem cells transplantation determines therapeutic efficacy in the neonatal hyperoxic lung injury. PloS One. 8 (1), 52419 (2013).
- Mowat, V., Alexander, D. J., Pilling, A. M. A comparison of rodent and nonrodent laryngeal and tracheal bifurcation sensitivities in inhalation toxicity studies and their relevance for human exposure. Toxicologic Pathology. 45 (1), 216-222 (2017).
