Intrathecale afgifte van antisense oligonucleotiden in het centrale zenuwstelsel van de rat
Summary
Hier beschrijven we een methode voor het leveren van geneesmiddelen aan het centrale zenuwstelsel van de rat door het implanteren van een katheter in de lumbale intrathecale ruimte van de wervelkolom. We richten ons op de levering van antisense oligonucleotiden, hoewel deze methode ook geschikt is voor de levering van andere therapeutische modaliteiten.
Abstract
De bloed-hersen barrière (BBB) is een belangrijke verdediging tegen de ingang van potentieel toxische of pathogene agentia uit het bloed in het centrale zenuwstelsel (CNS). Echter, het bestaan ervan ook drastisch verlaagt de toegankelijkheid van systemisch toegediende therapeutische middelen naar het CZS. Een methode om dit te overwinnen, is om te injecteren die agenten rechtstreeks in de cerebrospinale vloeistof (CSF), dus het omzeilen van de BBB. Dit kan worden gedaan via implantatie van een katheter voor continue infusie met behulp van een osmotische pomp, of voor een enkele bolus afgifte. In dit artikel beschrijven we een chirurgisch protocol voor de levering van CNS-targeting antisense oligonucleotiden (ASOs) via een katheter die rechtstreeks in de Cauda equina-ruimte van de volwassen rat wervelkolom wordt geïmplanteerd. Als representatieve resultaten tonen we de werkzaamheid van een enkele bolus ASO intrathecale (IT) injectie via dit catheterisatie systeem bij het kloppen van het doelwit RNA in verschillende regio’s van de rat CNS. De procedure is veilig, effectief en vereist geen dure apparatuur of chirurgische hulpmiddelen. De hier beschreven techniek kan ook worden aangepast om geneesmiddelen in andere modaliteiten te leveren.
Introduction
Het vasculaire systeem van het centrale zenuwstelsel (CNS) heeft zich ontwikkeld als een kritische regulator van homeostase, beheersing van het verkeer van moleculen, leveren van voedingsstoffen en het wegwerken van afval. Dit systeem is ook de eerste verdedigingslinie tegen aanvallen van externe pathogenen, dankzij een dichte verdeling van krappe knooppunten langs de wanden van de endotheelcellen. Deze strakke knooppunten vormen één aspect van de bloed-hersen barrière (BBB). Terwijl de BBB toelaat het transport van moleculen die nodig zijn om te voldoen aan voedings-en energiebehoeften (bijv., ionen, glucose), het ook selectief beperkt de passage van pathogenen evenals giftige chemicaliën1,2,3.
Ironisch genoeg is dezelfde beschermende functie van de BBB die de passage van pathogenen en giftige chemicaliën beperkt, ook het belangrijkste obstakel voor ons vermogen om gemakkelijk toegang te krijgen tot het CZS met therapeutische behandelingen na systemische toediening aan het organisme2, 4,5. Deze rol van de BBB heeft de ontwikkeling van een overvloed aan nieuwe drug distributietechnologieën en benaderingen6.
Een manier om dit obstakel te overwinnen is om de drugs rechtstreeks in de cerebrospinale vloeistof (CSF) die voortdurend perfuses zowel de hersenen en het ruggenmerg7,8,9,10injecteren. In dit artikel beschrijven we een methode om met succes agenten in de lumbale intrathecale ruimte te leveren door het inwendige uiteinde van de katheter volledig in de Cauda equina-ruimte van de rat-wervelkolom te plaatsen. Een beschrijving van deze procedure werd eerder gepubliceerd door Mazur et al. elders11.
Het protocol is zeer effectief en produceert een groter dan 90% slagingspercentage van antisense oligonucleotide (ASO) levering aan het CZS bij beoordeling door kwantitatieve polymerase kettingreactie (qPCR) analyse van doel gen knockdown8. De procedure veroorzaakt een minimaal ongemak voor de dieren, aangezien 100% van de ratten de operatie overleeft en minimale zwelling rond de chirurgische wond vertoont en geen tekenen van nood (bijv. hyperactiviteit, uitdroging, cirkelen, verlies van balans, verminderde voedselinname, en Dehydratie) tijdens post-op observatie. Een ander voordeel van de hier beschreven methode is dat het geen dure apparatuur of speciale gereedschappen vereist.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het huidige artikel toont een krachtige methode om therapeutische agenten rechtstreeks in de rat CNS. In theorie kan een vergelijkbare techniek ook worden uitgevoerd bij muizen, maar vanwege de kleinere grootte kan de methode uitdagender zijn. Daarom, onze groep voert intracerebroventriculaire (ICV) injecties in muizen voor het CZS drug delivery, die dezelfde doelen bereiken via een andere toedieningsroute. Deze methode is beschreven in een andere studie16.
Het voordeel…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
We willen ionis Pharmaceuticals bedanken voor het leveren van de ASOs zoals beschreven in het artikel.
Materials
| 3M Steri-Drape Small Drape with Adhesive Aperture | 3M | 1020 | ||
| 70% ethanol | Decon Laboratories, Inc | 8416-160Z | ||
| Alcohol swab sticks | Dynarex | NO 1204 | ||
| BD General Use Syringes 1 mL Luer-Lok tip | BD | 1ml TB Luer-Lok tip | BD 302830 | |
| BD Intramedic PE Tubing | BD | Polyethylene tubing PE50 Diameter 0.023 in | BD 427400 (10ft, Fischer Scientific 22-204008) or 427401 (100ft, Fischer Scientific 14-170-12P) | |
| BD Intramedic PE Tubing | BD | Polyethylene tubing PE10 Diameter 0.011 in | BD 427410 (10ft, Fischer Scientific 14-170-11B) or 4274011 (100ft, Fischer Scientific 14-170-12B) | |
| BD Intramedic PE Tubing Adapters | BD | 23 gauge intramedic luer stub adaper | BD 427565 or Fisher Scientific 14-826-19E | 120V 1.2A |
| BD PrecisionGlide Single-use Needles 30G | BD | BD 305128 | ||
| Buprenorphine Sustained Release-lab | ZooPharm | Prescription required | ||
| Ethylene oxide sterilizer | Andersen Sterilizer INC. | AN 74i, gas sterilizer | AN 74i | |
| Guide cannula | BD | 19G x 1 WT (1.1 mm x 25mm) needle | BD 305186 | |
| Hamilton syringe 100ul | Hamilton company | Hamilton syringe 100ul | ||
| Hot bead Sterilizer | Fine Science Tools | STERILIZER MODELNO FST 250 | ||
| Ophthalmic ointment | Dechra veterranery product | 17033-211-38 | ||
| Pocket Pro Pet Trimmer | Braintree Scientific | CLP-9931 B | ||
| Povidone scrub | PDI | S48050 | ||
| Saline | Baxter | Sodium Chloride 0.9% Intravenous Infusion BP 50ml | FE1306G | |
| Scalpel | Feather | disposable scalpel | No. 10 | |
| Small animal heating pad | K&H Manufacturing | Model # 1060 | ||
| Stylet Wire | McMaster-Carr | 1749T14 | LH-36233780 | |
| Surgery Towel drape | Dynarex | 4410 | ||
| Surgical scissors and forceps | FST and Fisher Scientific | |||
| Sutures | Ethicon | 4-0 or 5-0 | ||
| Tool to make the Guide cannular | Grainger | Rotary tool (Dremel) | 14H446 (Mfr: EZ456) | 1.5” diameter, Pk5 |
| EZ lock cut off Wheel | 1PKX5 (Mfr: 3000-1/24) | 1.5”, Pk2 | ||
| Grinding Wheel, Aluminum Oxide | 38EY44 (Mfr: EZ541GR) | |||
| EZ lock Mandrel | 1PKX8 (Mfr: EZ402-01) | 1.5” diameter | ||
| Diamond wheel floor Tile | 3DRN4 (Mfr: EZ545) | |||
| Alternative source for pre-made and sterilized materials for this procedure | ||||
| Dosing catheter system | SAI Infusion Systems | RIDC-01 | ||
| Guide cannula | SAI Infusion Systems | RIDC-GCA | ||
| Internal Catheters | SAI Infusion Systems | RIDC-INC | ||
| Stylet Wire | SAI Infusion Systems | RIDC-STY |
References
- Abbott, N. J. Dynamics of CNS barriers: evolution, differentiation, and modulation. Cellular and Molecular Neurobiology. 25 (1), 5-23 (2005).
- Greene, C., Campbell, M. Tight junction modulation of the blood brain barrier: CNS delivery of small molecules. Tissue Barriers. 4 (1), e1138017 (2016).
- Daneman, R., Engelhardt, B. Brain barriers in health and disease. Neurobiology of Disease. 107, 1-3 (2017).
- Ballabh, P., Braun, A., Nedergaard, M. The blood-brain barrier: an overview: structure, regulation, and clinical implications. Neurobiology of Disease. 16 (1), 1-13 (2004).
- Cardoso, F. L., Brites, D., Brito, M. A. Looking at the blood-brain barrier: molecular anatomy and possible investigation approaches. Brain Research Reviews. 64 (2), 328-363 (2010).
- Larsen, J. M., Martin, D. R., Byrne, M. E. Recent advances in delivery through the blood-brain barrier. Current Topics in Medicinal Chemistry. 14 (9), 1148-1160 (2014).
- Brinker, T., Stopa, E., Morrison, J., Klinge, P. A new look at cerebrospinal fluid circulation. Fluids Barriers CNS. 11, 10 (2014).
- Standifer, K. M., Chien, C. C., Wahlestedt, C., Brown, G. P., Pasternak, G. W. Selective loss of delta opioid analgesia and binding by antisense oligodeoxynucleotides to a delta opioid receptor. Neuron. 12 (4), 805-810 (1994).
- Wahlestedt, C., et al. Antisense oligodeoxynucleotides to NMDA-R1 receptor channel protect cortical neurons from excitotoxicity and reduce focal ischaemic infarctions. Nature. 363 (6426), 260-263 (1993).
- Wahlestedt, C., Pich, E. M., Koob, G. F., Yee, F., Heilig, M. Modulation of anxiety and neuropeptide Y-Y1 receptors by antisense oligodeoxynucleotides. Science. 259 (5094), 528-531 (1993).
- Mazur, C., et al. Development of a simple, rapid, and robust intrathecal catheterization method in the rat. Journal of Neuroscience Methods. 280, 36-46 (2017).
- Wolf, D. A., et al. Dynamic dual-isotope molecular imaging elucidates principles for optimizing intrathecal drug delivery. Journal of Clinical Investigation Insight. 1 (2), e85311 (2016).
- Becker, L. A., et al. Therapeutic reduction of ataxin-2 extends lifespan and reduces pathology in TDP-43 mice. Nature. 544 (7650), 367-371 (2017).
- Zhang, X., Hamblin, M. H., Yin, K. J. The long noncoding RNA Malat1: Its physiological and pathophysiological functions. RNA Biology. 14 (12), 1705-1714 (2017).
- Crooke, S. T., Witztum, J. L., Bennett, C. F., Baker, B. F. RNA-Targeted Therapeutics. Cell Metabolism. 27 (4), 714-739 (2018).
- DeVos, S. L., Miller, T. M. Direct intraventricular delivery of drugs to the rodent central nervous system. Journal of Visualized Experiments. (75), e50326 (2013).
- McCampbell, A., et al. Antisense oligonucleotides extend survival and reverse decrement in muscle response in ALS models. Journal of Clinical Investigation. 128 (8), 3558-3567 (2018).
- Schoch, K. M., Miller, T. M. Antisense Oligonucleotides: Translation from Mouse Models to Human Neurodegenerative Diseases. Neuron. 94 (6), 1056-1070 (2017).
- Lane, R. M., et al. Translating Antisense Technology into a Treatment for Huntington’s Disease. Methods in Molecular Biology. 1780, 497-523 (2018).
- Wurster, C. D., Ludolph, A. C. Antisense oligonucleotides in neurological disorders. Therapeutic Advances in Neurological Disorders. 11, (2018).
- Haché, M., et al. Intrathecal Injections in Children With Spinal Muscular Atrophy: Nusinersen Clinical Trial Experience. Journal of Child Neurology. 31 (7), 899-906 (2016).
- Goodkey, K., Aslesh, T., Maruyama, R., Yokota, T. Nusinersen in the Treatment of Spinal Muscular Atrophy. Methods in Molecular Biology. 1828, 69-76 (2018).
- Wurster, C. D., Ludolph, A. C. Nusinersen for spinal muscular atrophy. Therapeutic Advances in Neurological Disorders. 11, (2018).
