Farelerde Kuru Toz Formülasyonunun Intratrakial Yönetimi
Summary
Soluma için kuru toz formülasyonları solunum yolu hastalıklarının tedavisinde büyük potansiyele sahiptir. İnsan çalışmalarına girmeden önce, preklinik çalışmalarda kuru toz formülasyonunun etkinliğini değerlendirmek gerekir. Farelerde intratrakiel yoldan kuru tozun yönetiminin basit ve invaziv bir yöntemi sunulmuştur.
Abstract
Solunabilir kuru toz formülasyonlarının geliştirilmesinde, biyolojik faaliyetlerini preklinik hayvan modellerinde değerlendirmek esastır. Bu makale, farelerde kuru toz formülasyonunun intratraskial teslimatının noninvaziv bir yöntemini tanıtmaktadır. Üç yönlü bir stopcock aracılığıyla 1 mL şırındıya bağlı 200 μL jel yükleme pipet ucundan oluşan kuru toz yükleme cihazı sunulur. Pipet ucuna az miktarda kuru toz (1-2 mg) yüklenir ve şırınnada 0,6 mL hava ile dağılır. Pipet uçları tek kullanımlık ve ucuz olduğundan, farklı kuru toz formülasyonları önceden farklı uçlara yüklenebilir. Çeşitli formülasyonlar, cihaz temizliği ve doz doldurma olmadan aynı hayvan deneyinde değerlendirilebilir, böylece zamandan tasarruf edilir ve artık tozdan çapraz bulaşma riski ortadan kalkar. Toz dağılımının kapsamı pipet ucunda kalan toz miktarına göre incelenebilir. Farede özel yapım ışık kaynağı ve yol gösterici bir canül içeren bir entübasyon protokolü dahildir. Uygun entübasyon, kuru toz formülasyonunun farenin derin akciğer bölgesine intratrakial olarak teslimini etkileyen önemli faktörlerden biridir.
Introduction
Pulmoner uygulama yolu, hem lokal hem de sistemik eylemler için terapötiklerin sağlanmasında çeşitli faydalar sunmaktadır. Akciğer hastalıklarının tedavisi için, pulmoner doğumla yüksek lokal ilaç konsantrasyonu elde edilebilir, böylece gerekli doz azaltılabilir ve sistemik yan etkilerin insidansı düşürülebilir. Ayrıca, akciğerdeki nispeten düşük enzimamatik aktiviteler erken ilaç metabolizmasını azaltabilir. Akciğerler ayrıca büyük ve iyi perfüzyonlu yüzey alanı, son derece ince epitel hücre tabakası ve pulmoner kılcal damarlardaki yüksek kan hacmi nedeniyle sistemik etki için ilaç emilimi için de etkilidir1.
Solunan kuru toz formülasyonları astım, kronik obstrüktif akciğer hastalığı, diabetes mellitus ve pulmoner aşılama 2,3 ,4gibi çeşitli hastalıkların önlenmesi ve tedavisi için yaygın olarak araştırılmıştır. Katı durumdaki ilaçlar genellikle sıvı formda olduğundan daha kararlıdır ve kuru toz inhalatörleri nebülizörlerden daha taşınabilir ve kullanıcı dostudur5,6. Solunan kuru toz formülasyonlarının geliştirilmesinde, pulmoner uygulamadan sonra preklinik hayvan modellerinde güvenlik, farmakokinetik profil ve terapötik etkinliğin değerlendirilmesi gerekir7. Kuru tozu aktif olarak soluyabilen insanların aksine, kuru tozun küçük hayvanlara pulmoner teslimatı zordur. Hayvanların akciğerlerine kuru toz teslim etmek için verimli bir protokol oluşturmak gerekir.
Fareler, ekonomik oldukları ve iyi üredikleri için araştırma hayvanı modelleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca kullanımı kolaydır ve birçok hastalık modeli iyi kurulmuştur. Kuru tozu farenin akciğerine uygulamak için iki ana yaklaşım vardır: soluma ve intratrakiyeal uygulama. Soluma için, fare kuru tozun aerosolleştirildiği ve hayvanların sakinleştirilmeden aerosolde nefes aldığı tüm vücut veya sadece burun odasına yerleştirilir8,9. Pahalı ekipman gereklidir ve ilaç dağıtım verimliliği düşüktür. Tüm vücut odası teknik olarak daha az zorlu olsa da, sadece burun maruziyet odası ilaçların vücut yüzeyine maruz kalmasını en aza indirebilir. Ne olursa olsun, akciğerlere teslim edilen dozu hassas bir şekilde kontrol etmek ve belirlemek hala zordur. Kuru toz esas olarak mukozal boşluğun belirgin olduğu nazofarenks bölgesinde biriktirilir10. Ayrıca, odanın içindeki fareler yönetim sürecinde önemli bir stres altındadır, çünkü kısıtlanmış ve yiyecek ve su temininden mahrumdurlar11. Intratraseral uygulama için, genellikle maddenin doğrudan nefes borusuna girmesini ifade eder. Bunu başarmak için iki farklı teknik vardır: trakeotomi ve orotrakeal entübasyon. Birincisi, trakeada bir kesi yapan cerrahi bir prosedür gerektirir, bu da invazivdir ve nadiren toz uygulama için kullanılır. Burada sadece ikinci teknik açıklanmıştır. Soluma yöntemi ile karşılaştırıldığında, intratrakiel uygulama, minimum ilaç kaybı ile yüksek teslimat verimliliği nedeniyle farede pulmoner doğum için daha yaygın kullanılan yöntemdir12,13. Fareye birkaç miligram içinde az miktarda toz teslim etmek basit ve hızlı bir yöntemdir. Fare anatomik ve fizyolojik olarak insanlara farklı olmasına ve entübasyon işlemi sırasında anestezi yapılması gerekmesine rağmen, intratrakimyasal uygulama üst solunum yollarını atlar ve pulmoner emilim, biyoyararlanım ve terapötik etkiler gibi kuru toz formülasyonunun biyolojik aktivitelerini değerlendirmek için daha etkili bir yol sunar14,15.
Kuru tozu intratrakisel olarak uygulamak için, farenin entübe edilmesi gerekir, bu da zor olabilir. Bu yazıda, özel yapım kuru toz insufflator ve entübasyon cihazının imalatı açıklanmıştır. Farenin akciğerinde kuru tozun entübasyon ve insufflation işlemleri gösterilmiştir.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu yazıda kuru toz insufflation ve intratrakial entübasyon için özel yapım cihazlar sunulmuştur. Toz yükleme adımında, kuru toz 200 μL jel yükleme pipet ucuna yüklenir. Ucun dar ucunda gevşek toz paketlemeye izin vermek için uca hafifçe dokunmak önemlidir. Bununla birlikte, toz çok sıkı paketlenirse, ucuna sıkışırlar ve düzgün bir şekilde dağılamazlar. Özellikle düşük yoğunluklu ve düşük bağıl nemde toz yüklemesini kolaylaştırmak için tozun ve pipet ucunun statik yüklerinin nöt…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar, bay Ray Lee, Bay HC Leung ve Bay Wallace So’ya ışık kaynağı ve toz oytucusu yapma konusundaki nazik yardımları için teşekkür etmek istiyor; ve hayvan görüntüleme yardımı için Fakülte Çekirdek Tesisi. Çalışma, Hong Kong Araştırma Hibe Konseyi (17300319) tarafından desteklendi.
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).
