Intratrachealadministration der Trockenpulverformulierung bei Mäusen
Summary
Trockenpulverformulierungen zur Inhalation haben ein großes Potenzial bei der Behandlung von Atemwegserkrankungen. Vor dem Eintritt in Studien am Menschen ist es notwendig, die Wirksamkeit der Trockenpulverformulierung in präklinischen Studien zu bewerten. Eine einfache und nichtinvasive Methode zur Verabreichung von Trockenpulver bei Mäusen über den intratrachealen Weg wird vorgestellt.
Abstract
Bei der Entwicklung von inhalierbaren Trockenpulverformulierungen ist es wichtig, ihre biologischen Aktivitäten in präklinischen Tiermodellen zu bewerten. Dieses Papier führt eine nichtinvasive Methode der intratrachealen Abgabe von Trockenpulverformulierung bei Mäusen ein. Präsentiert wird eine trockene Pulverladevorrichtung, die aus einer 200 l L Gel-Ladepipettenspitze besteht, die über einen Dreiwege-Stopphahn mit einer 1 ml Spritze verbunden ist. Eine kleine Menge Trockenpulver (1-2 mg) wird in die Pipettenspitze geladen und mit 0,6 ml Luft in der Spritze dispergiert. Da Pipettenspitzen Einweg- und Preisprodukte sind, können verschiedene Trockenpulverformulierungen im Voraus in verschiedene Spitzen geladen werden. Verschiedene Formulierungen können im selben Tierexperiment ohne Gerätereinigung und Dosisnachfüllen bewertet werden, wodurch Zeit gespart und das Risiko einer Kreuzkontamination durch Restpulver vermieden wird. Das Ausmaß der Pulverdispersion kann anhand der Inderintauchmenge in der Pipettenspitze untersucht werden. Ein Protokoll der Intubation in der Maus mit einer maßgeschneiderten Lichtquelle und einer Führungskanüle ist enthalten. Die richtige Intubation ist einer der Schlüsselfaktoren, die die intratracheale Abgabe von Trockenpulverformulierung entoltal entherin in den tiefen Lungenbereich der Maus beeinflussen.
Introduction
Der lungene Verabreichungsweg bietet verschiedene Vorteile bei der Bereitstellung von Therapeutika für lokale und systemische Maßnahmen. Für die Behandlung von Lungenerkrankungen kann eine hohe lokale Medikamentenkonzentration durch Lungenabgabe erreicht werden, wodurch die erforderliche Dosis reduziert und die Inzidenz systemischer Nebenwirkungen verringert wird. Darüber hinaus können die relativ geringen enzymatischen Aktivitäten in der Lunge den vorzeitigen Arzneimittelstoffwechsel reduzieren. Die Lunge ist auch effizient für die Arzneimittelabsorption für systemische Wirkung aufgrund der großen und gut durchfundierten Oberfläche, der extrem dünnen Epithelzellschicht und des hohen Blutvolumens in Lungenkapillaren1.
Inhalierte Trockenpulverformulierungen wurden umfassend für die Prävention und Behandlung von verschiedenen Krankheiten wie Asthma, chronisch obstruktiver Lungenerkrankung, Diabetes mellitus und Lungenimpfung2,3,4untersucht. Medikamente im festen Zustand sind in der Regel stabiler als in der flüssigen Form, und trockene Pulverinhalatoren sind tragbarer und benutzerfreundlicher als Vernebler5,6. Bei der Entwicklung von inhalierten Trockenpulverformulierungen müssen die Sicherheit, das pharmakokinetische Profil und die therapeutische Wirksamkeit in präklinischen Tiermodellen nach lungenerVerabreichung7 bewertet werden. Im Gegensatz zu Menschen, die trockenes Pulver aktiv einatmen können, ist die Lungenabgabe von trockenem Pulver an Kleintiere eine Herausforderung. Es ist notwendig, ein effizientes Protokoll für die Lieferung von trockenem Pulver an die Lunge von Tieren zu erstellen.
Mäuse sind weit verbreitet als Forschungstiermodelle verwendet, weil sie wirtschaftlich sind und sie gut brüten. Sie sind auch einfach zu handhaben und viele Krankheitsmodelle sind gut etabliert. Es gibt zwei Hauptansätze, um trockenes Pulver an die Lunge der Maus zu verabreichen: Inhalation und intratracheale Verabreichung. Zum Einatmen wird die Maus in eine Ganzkörper- oder Nasenkammer gelegt, in der trockenes Pulver aerosolisiert wird und die Tiere das Aerosol ohne Sedierung8,9einatmen. Teure Ausrüstung ist erforderlich und die Wirksamkeit der Medikamentenabgabe ist gering. Während die Ganzkörperkammer technisch weniger anspruchsvoll sein kann, könnte die Nasen-Expositionskammer die Exposition von Medikamenten an der Körperoberfläche minimieren. Unabhängig davon ist es immer noch schwierig, die an die Lunge abgegebene Dosis genau zu kontrollieren und zu bestimmen. Das trockene Pulver wird hauptsächlich in der Nasopharynx-Region abgelagert, wo die Mukociliaary Clearance prominentist 10. Darüber hinaus sind Mäuse in der Kammer während des Verabreichungsprozesses unter erheblichem Stress, weil sie eingeschränkt und der Nahrungs- und Wasserversorgung beraubt sind11. Für die intratracheale Verabreichung bezieht es sich in der Regel auf die Einführung des Stoffes direkt in die Luftröhre. Es gibt zwei verschiedene Techniken, um dies zu erreichen: Tracheotomie und orotracheale Intubation. Ersteres erfordert einen chirurgischen Eingriff, der einen Schnitt in der Luftröhre macht, die invasiv ist und selten für die Pulververabreichung verwendet wird. Hier wird nur die zweite Technik beschrieben. Im Vergleich zur Inhalationsmethode ist die intratracheale Verabreichung die am häufigsten verwendete Methode zur Lungenabgabe in der Maus wegen ihrer hohen Liefereffizienz bei minimalem Medikamentenverlust12,13. Es ist eine einfache und schnelle Methode, um eine kleine Menge Pulver innerhalb weniger Milligramm genau an die Maus zu liefern. Obwohl die Maus anatomisch und physiologisch für den Menschen unterscheidet und während des Intubationsprozesses eine Anästhesisierung erforderlich ist, umgeht die intratracheale Verabreichung die oberen Atemwege und bietet eine effektivere Möglichkeit, die biologischen Aktivitäten der Trockenpulverformulierung wie Lungenabsorption, Bioverfügbarkeit und therapeutische Wirkungen14,15zu bewerten.
Um trockenes Pulver intratracheal zu verabreichen, muss die Maus intubiert werden, was eine Herausforderung sein könnte. In diesem Papier wird die Herstellung eines maßgeschneiderten Trockenpulverinsufflators und einer Intubationsvorrichtung beschrieben. Die Verfahren der Intubation und Insufflation von trockenem Pulver in der Lunge der Maus werden demonstriert.
Protocol
Representative Results
Discussion
In diesem Papier werden maßgeschneiderte Geräte zur Trockenpulverinsufflation und intratrachealen Intubation vorgestellt. Im Pulverladeschritt wird Trockenpulver in eine 200-L-Gel-Ladepipettenspitze geladen. Es ist wichtig, vorsichtig auf die Spitze zu tippen, um die lose Verpackung von Pulver am schmalen Ende der Spitze zu ermöglichen. Wenn das Pulver jedoch zu fest verpackt ist, bleiben sie in der Spitze stecken und können nicht richtig dispergiert werden. Es wird empfohlen, die statischen Aufladungen des Pulvers u…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Herrn Ray Lee, Herrn HC Leung und Mr. Wallace So für ihre freundliche Unterstützung bei der Herstellung der Lichtquelle und des Pulverinsufflators; und die Fakultät senkernde Einrichtung für die Unterstützung bei der Tierbildgebung. Die Arbeit wurde vom Research Grant Council, Hong Kong (17300319) unterstützt.
Materials
| BALB/c mouse | Female; 7-9 weeks old; Body weight 20-25 g | ||
| CleanCap Firefly Luciferase mRNA | TriLink Biotechnology | L-7602 | |
| Dry Powder Insufflator | PennCentury | Model DP-4M | |
| Ketamine 10% | Alfasan International B.V. | NA | |
| Light emitting diode (LED) torch | Unilite Internation | PS-K1 | |
| Mannitol (Pearlitol 160C) | Roquette | 450001 | |
| Non-filter round gel loading pipette tip (200 µL) | Labcon | 1034-800-000 | |
| Nylon floss | Reach | 30017050 | |
| One milliliter syringe without needle | Terumo | SS-01T | |
| Optical fibre | Fibre Data | OMPF1000 | |
| PEG12KL4 peptide | EZ Biolab | (PEG12)-KLLLLKLLLLKLLLLKLLLLK-NH2 | |
| Plastic Pasteur fine tip pipette | Alpha Labotatories | LW4061 | |
| Three-way stopcock | Braun | D201 | |
| Xylazine 2% | Alfasan International B.V. | NA | |
| Zerostat 3 anti-static gun | MILTY | 5036694022153 |
References
- Newman, S. P. Drug delivery to the lungs: challenges and opportunities. Therapeutic Delivery. 8 (8), 647-661 (2017).
- Setter, S. M., et al. Inhaled dry powder insulin for the treatment of diabetes mellitus. Clinical Therapeutics. 29 (5), 795-813 (2007).
- Muralidharan, P., Hayes, D., Mansour, H. M. Dry powder inhalers in COPD, lung inflammation and pulmonary infections. Expert Opinion on Drug Delivery. 12 (6), 947-962 (2015).
- de Boer, A. H., et al. Dry powder inhalation: past, present and future. Expert Opinion on Drug Delivery. 14 (4), 499-512 (2017).
- Das, S., Tucker, I., Stewart, P. Inhaled dry powder formulations for treating tuberculosis. Current Drug Delivery. 12 (1), 26-39 (2015).
- Okamoto, H., et al. Stability of chitosan-pDNA complex powder prepared by supercritical carbon dioxide process. International Journal of Pharmaceutics. 290 (1-2), 73-81 (2005).
- He, J., et al. Evaluation of inhaled recombinant human insulin dry powders: pharmacokinetics, pharmacodynamics and 14-day inhalation. Journal of Pharmacy and Pharmacology. 71 (2), 176-184 (2019).
- Durham, P. G., Young, E. F., Braunstein, M. S., Welch, J. T., Hickey, A. J. A dry powder combination of pyrazinoic acid and its n-propyl ester for aerosol administration to animals. International Journal of Pharmaceutics. 514 (2), 384-391 (2016).
- Phillips, J. E., Zhang, X., Johnston, J. A. Dry powder and nebulized aerosol inhalation of pharmaceuticals delivered to mice using a nose-only exposure system. JoVE (Journal of Visualized Experiments). (122), e55454 (2017).
- Nahar, K., et al. In vitro, in vivo and ex vivo models for studying particle deposition and drug absorption of inhaled pharmaceuticals). European Journal of Pharmaceutical Sciences. 49 (5), 805-818 (2013).
- Price, D. N., Muttil, P. Delivery of Therapeutics to the Lung. Methods in Molecular Biology. 1809, 415-429 (2018).
- Chang, R. Y. K., et al. Proof-of-Principle Study in a Murine Lung Infection Model of Antipseudomonal Activity of Phage PEV20 in a Dry-Powder Formulation. Antimicrobial Agents and Chemotherapy. 62 (2), (2018).
- Ito, T., Okuda, T., Takayama, R., Okamoto, H. Establishment of an Evaluation Method for Gene Silencing by Serial Pulmonary Administration of siRNA and pDNA Powders: Naked siRNA Inhalation Powder Suppresses Luciferase Gene Expression in the Lung. Journal of pharmaceutical sciences. 108 (8), 2661-2667 (2019).
- Patil, J. S., Sarasija, S. Pulmonary drug delivery strategies: A concise, systematic review. Lung India. 29 (1), 44-49 (2012).
- Ihara, D., et al. Histological Quantification of Gene Silencing by Intratracheal Administration of Dry Powdered Small-Interfering RNA/Chitosan Complexes in the Murine Lung. Pharmaceutical Research. 32 (12), 3877-3885 (2015).
- Qiu, Y., et al. Effective mRNA pulmonary delivery by dry powder formulation of PEGylated synthetic KL4 peptide. Journal of Controlled Release. 314, 102-115 (2019).
- Pfeifer, C., et al. Dry powder aerosols of polyethylenimine (PEI)-based gene vectors mediate efficient gene delivery to the lung. Journal of Controlled Release. 154 (1), 69-76 (2011).
- Kim, I., et al. Doxorubicin-loaded highly porous large PLGA microparticles as a sustained- release inhalation system for the treatment of metastatic lung cancer. Biomaterials. 33 (22), 5574-5583 (2012).
- Tonnis, W. F., et al. A novel aerosol generator for homogenous distribution of powder over the lungs after pulmonary administration to small laboratory animals. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 88 (3), 1056-1063 (2014).
- Hoppentocht, M., Hoste, C., Hagedoorn, P., Frijlink, H. W., de Boer, A. H. In vitro evaluation of the DP-4M PennCentury insufflator. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 88 (1), 153-159 (2014).
- Liao, Q., et al. Porous and highly dispersible voriconazole dry powders produced by spray freeze drying for pulmonary delivery with efficient lung deposition. International Journal of Pharmaceutics. 560, 144-154 (2019).
- Ito, T., Okuda, T., Takashima, Y., Okamoto, H. Naked pDNA Inhalation Powder Composed of Hyaluronic Acid Exhibits High Gene Expression in the Lungs. Molecular Pharmaceutics. 16 (2), 489-497 (2019).
- Chaurasiya, B., Zhou, M., Tu, J., Sun, C. Design and validation of a simple device for insufflation of dry powders in a mice model. European Journal of Pharmaceutical Sciences. 123, 495-501 (2018).
