Administración de fármacos basada en bomba osmótica para la investigación de la remielinización in vivo en el sistema nervioso central
Summary
La desmielinización tiene lugar en múltiples enfermedades del sistema nervioso central. Es necesaria una técnica confiable de administración de medicamentos in vivo para remielinizar las pruebas de drogas. Este protocolo describe un método basado en bomba osmótica que permite la administración de fármacos a largo plazo directamente en el parénquima cerebral y mejora la biodisponibilidad del fármaco, con una amplia aplicación en la investigación de la remielinización.
Abstract
La desmielinización se ha identificado no solo en la esclerosis múltiple (EM), sino también en otras enfermedades del sistema nervioso central como la enfermedad de Alzheimer y el autismo. Como la evidencia sugiere que la remielinización puede mejorar eficazmente los síntomas de la enfermedad, hay un enfoque creciente en el desarrollo de fármacos para promover el proceso de regeneración de la mielina. Por lo tanto, se requiere una técnica de administración de medicamentos seleccionable por región y confiable en los resultados para probar la eficiencia y la especificidad de estos medicamentos in vivo. Este protocolo introduce el implante de bomba osmótica como un nuevo enfoque de administración de fármacos en el modelo de ratón de desmielinización inducida por lisolecitina. La bomba osmótica es un pequeño dispositivo implantable que puede eludir la barrera hematoencefálica (BBB) y administrar medicamentos de manera constante y directa a áreas específicas del cerebro del ratón. También puede mejorar eficazmente la biodisponibilidad de medicamentos como péptidos y proteínas con una vida media corta. Por lo tanto, este método es de gran valor para el campo de la investigación de la regeneración de mielina del sistema nervioso central.
Introduction
La bomba osmótica es un pequeño dispositivo implantable de liberación de soluciones. Se puede utilizar para el parto sistémico cuando se implanta por vía subcutánea o en la cavidad abdominal. La superficie de la bomba osmótica es una membrana semipermeable, y su lado interno es una capa permeable. La bomba osmótica funciona utilizando la diferencia de presión osmótica entre la capa osmótica y el entorno del tejido donde se implanta la bomba. La alta osmolalidad de la capa osmótica hace que el agua en el tejido fluya hacia la capa osmótica a través de la membrana semipermeable en la superficie de la bomba. La capa osmótica se expande y comprime el depósito flexible dentro de la bomba, desplazando así la solución del depósito flexible a una cierta velocidad durante una larga duración1. La bomba tiene tres volúmenes de depósito diferentes, 100 μL, 200 μL y 2 mL, con sus tasas de entrega que varían de 0,11 μL/h a 10 μL/h. Dependiendo del tipo de bomba seleccionado, el dispositivo puede funcionar desde 1 día hasta 6 semanas2. En este protocolo, se utiliza una bomba osmótica de 100 μL con una velocidad de transferencia de 0,25 μL/h que puede funcionar durante 14 días.
En la década de 1970, la bomba osmótica se había utilizado en la investigación de la neurociencia 3,4. Por ejemplo, Wei et al. adoptaron el enfoque de bomba osmótica para inyectar péptidos opioides en el ventrículo en un estudio de adicción a las drogas3. Después de la mejora continua, la bomba osmótica ahora se ha utilizado en el estudio de la administración controlada de miles de medicamentos, incluidos péptidos, factores de crecimiento, drogas adictivas, hormonas, esteroides, anticuerpos, etc. Además, con catéteres especiales (brain infusion kits) conectados, se puede usar para la infusión dirigida a tejidos u órganos específicos, incluyendo la médula espinal, el cerebro, el bazo y el hígado 5,6,7.
En el estudio de la remielinización, se ha demostrado que muchos fármacos promueven la regeneración de mielina in vitro, pero la mayoría de ellos no han logrado efectos significativos in vivo, posiblemente debido a la falta de un método de administración adecuado. Los métodos de administración tradicionales como la inyección intraperitoneal, la inyección subcutánea y la administración intragástrica tienen limitaciones en la biodisponibilidad de los medicamentos. Además, algunos medicamentos tienen una permeabilidad deficiente de la barrera hematoencefálica, lo que socava su acceso al parénquima cerebral. Juntas, estas limitaciones requieren un nuevo método de entrega eficiente. En combinación con los kits de infusión cerebral, las bombas osmóticas pueden eludir la barrera hematoencefálica y administrar medicamentos directamente al cuerpo calloso, lo que mejora efectivamente la biodisponibilidad de los medicamentos, especialmente para algunos medicamentos polipeptídicos y proteicos con una vida media corta. Por lo tanto, la bomba osmótica como una nueva técnica de administración de fármacos es de gran valor para el campo de la investigación de la regeneración de mielina del sistema nervioso central. La aplicación de esta técnica se presentará en detalle a continuación.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este protocolo describe la bomba osmótica como una nueva técnica de administración de fármacos para la investigación de la regeneración de mielina, que puede administrar medicamentos directamente al sitio de tratamiento y permitir la administración constante de fármacos durante un período prolongado, creando una concentración estable de fármacos en el microambiente del sistema nervioso central en toda la duración experimental. En comparación con otros métodos de administración de fármacos, la bomba osmót…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este trabajo fue apoyado por subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias de la Naturaleza de China (NSFC 32070964, 31871045) a J.N. y la Fundación de Investigación Básica de Shenzhen (JCYJ20210324121214039) a 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 |
Riferimenti
- 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).
