Canalostomy som en kirurgisk tilnærming til lokale stoffet levering indre ører voksne og Neonatal mus
Summary
Her beskriver vi canalostomy prosedyren som gir lokale stoffet levering indre ører voksne og neonatal musene gjennom halvsirkelformet kanalen med minimal skade til høring og vestibular funksjon. Denne metoden kan brukes til å vaksinere viral vektorer, farmasi og små molekyler i musen indre øret.
Abstract
Lokal leveranse av terapeutiske narkotika i det indre øret er en lovende terapi for indre øret sykdommer. Injeksjon gjennom halvsirkelformede kanalene (canalostomy) har vist seg å være en nyttig tilnærming til lokale narkotika-leveranser til det indre øret. Målet med denne artikkelen er å beskrive i detalj, kirurgiske teknikker involvert i canalostomy i både voksne og neonatal mus. Som indikert av fast-grønn farge og adeno-assosiert virus serotype 8 med grønne fluorescerende protein genet, canalostomy tilrettelagt bred distribusjon av injisert reagenser i cochlea og vestibular slutten-organer med minimal skade hørselen og Vestibular funksjon. Operasjonen ble implementert i både voksne og neonatal mus; flere operasjoner kan faktisk utføres hvis nødvendig. I konklusjonen, canalostomy er en effektiv og sikker tilnærming til narkotika-leveranser indre ører voksne og neonatal mus og kan brukes til å behandle menneskelige indre øret sykdommer i fremtiden.
Introduction
Sensorineural hørselen tap og vestibular dysfunksjon påvirker et betydelig antall pasienter og er nært knyttet til indre øret lidelser. Leveringen av terapeutiske narkotika inn i det indre øret viser løftet for behandling av indre øret lidelser. En systemisk eller lokale tilnærming kan brukes til å levere narkotika i det indre øret. Noen indre øret sykdommer er behandlet med systemisk narkotika administrasjonen, som idiopatisk plutselig hørselstap, som er vanligvis behandlet med systemisk steroid1. I tillegg viste Lentz et al. at systemisk administrasjon av antisense oligonucleotide klarte å forbedre hørselen og balansere funksjoner i Ush1c mutant mus modell2. Men en stor del av indre øret sykdommer ikke effektivt behandles av systemisk narkotika administrasjon på grunn av blod-labyrint barriere, som begrenser narkotika tilgang til indre øret3,4. I kontrast, kan lokale stoffet levering strategier behandle indre øret lidelser mer effektivt. Faktisk er det indre øret potensielt en ideal mål for lokale stoffet levering; Det er fylt med væske, som forenkler formidling av stoffet etter ett område diffusjon eller injeksjon, og det er relativt isolert fra nærliggende organer, som begrenser bivirkninger5,6.
Lokal levering narkotikastrategier inkluderer intratympanic og intralabyrinthine. Effektiviteten av intratympanic ruten er i stor grad avhengig av narkotika permeabilitet gjennom runde vinduet membranen (RWM) og oppholdstiden stoffet på RWM3,4,7,8. Således, det er ikke egnet for levering av narkotika eller reagensene som ikke kan trenge gjennom RWM. Intralabyrinthine metoder omfatter vaksinasjon av narkotika direkte inn i det indre øret, som resulterer i en høy dose og alminnelig utbredt distribusjon. Men intralabyrinthine metoder krever delikate operasjoner og er invasiv, fører til skade indre øret-funksjonen. Foreløpig brukes intralabyrinthine injeksjon av narkotika bare i dyrestudier som det ikke er blitt påvist for å være tilstrekkelig sikker for bruk i mennesker9. Derfor kirurgiske prosedyrer må være forenklet, og risikoen for skader redusert oversette intralabyrinthine tilnærminger i klinikken.
Flere intralabyrinthine tilnærminger har vurdert i dyr ved injeksjon gjennom RWM5,10,11 og inn i scala media12,13,14, scala Pauker 15 , 16, scala vestibylen17, halvsirkelformet kanaler16,18,19,20og endolymphatic sac21. Hver av disse metodene har fordeler og ulemper6. Levering gjennom RWM er atraumatiske i neonatal mus5,22. Men er en mild hørselstap observert i voksen mus etter RWM injeksjon23, muligens på grunn av mellomøret effusjon etter kirurgi24. Scala media injeksjon, noe som innebærer injeksjon av reagensen direkte inn i endolymphatic rommet inneholder sensoriske epitel, oppnår en høy reagens konsentrasjon i målet slutten-organer12,14, 25 , 26. men dette krever en komplisert prosedyre og resulterer i betydelig heving av hørselen terskel hvis utført senere enn postnatal dag 5 (P5)25,27, som begrenser anvendelsen.
Sammenlignet med de ovennevnte intralabyrinthine tilnærmingene, forårsaker canalostomy minimal skade det indre øret, spesielt i voksen mus16,18,28,29,30, som er viktig for vurdering av beskyttende effekter og translasjonsforskning aspekter. Videre i gnagere ligger halvsirkelformede kanaler utenfor bulla, som forenkler kirurgiske prosedyrer og unngår forstyrrelser av mellomøret under operasjonen. I klinikken brukes halvsirkelformet kanalen operasjoner for intractable godartet paroxysmal posisjonelle vertigo31,32,33, tyder klinisk muligheten for canalostomy. Siden den først ble beskrevet av Kawamoto et al. 16 i 2001 canalostomy er brukt til å levere ulike reagenser, som viral vektorer, siRNA, stamceller og aminoglycoside, i de murine indre øre18,19,28,29 ,34,35,36,37. Vaksinering av adeno-assosiert virus (AAV) vektorer av canalostomy aktiverer overuttrykte eksogene gener i Sensorisk epitel og primære neurons sneglehuset og vestibular slutten-organer18,28, 29,30. Whirlin gene terapi av canalostomy gjenoppretter balanse funksjonen og forbedrer høring i en musemodell av menneskelig Usher syndrom19, antyder at canalostomy er nyttig for studier av genterapi for genetiske cochleovestibular sykdommer. Transplantasjon av stamceller ved canalostomy resulterer i reorganiseringen av cochlea fibrocytes og høre gjenoppretting i en rotte modell av akutt sensorineural hørselen tap35. I tillegg canalostomy kan brukes til å introdusere aminoglycosides i det indre øret å etablere vestibular lesjoner18,34,38, og flere injeksjoner kan utføres ved behov18 , 34.
I denne artikkel beskriver vi, i detalj, canalostomy teknikker i voksne og neonatal mus. Vi inokulert ulike reagenser, inkludert fast-grønn farge og AAV serotype 8 (AAV8), sammen med grønne fluorescerende protein (GFP) genet (AAV8-GFP) og streptomycin, inn i musen indre øret å evaluere de umiddelbare og langsiktige resultatene etter canalostomy.
Protocol
Representative Results
Discussion
I denne studien viste vi at narkotika-leveranser av canalostomy resulterte i alminnelig utbredt distribusjon av reagensen i cochlea og vestibular slutten-organer. Som en indre øret genet leveringsmetode resulterte canalostomy i GFP uttrykk i indre ørene for voksne og neonatal mus med minimal skade til høring og vestibular funksjon. Videre kan flere injeksjoner enkelt utføres i samme dyret.
En av de største styrkene til canalostomy er at den forårsaker minimal skade indre øret funksjon, …
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dette arbeidet ble støttet av National Natural Science Foundation of China (grant tall 81570912, 81771016, 81100717).
Materials
| Polymide Tubing | A-M Systems | 823400 | |
| Polyethylene Tubing | Scientific Commodities Inc. | BB31695-PE/1 | |
| 10μl Microsyringe | Hamilton Company | 80001 | |
| Xylazine HCL | Sigma-Aldrich Co. Llc. | X-1251 | |
| Operating Miroscope | Carl Zeiss Optical LLC. | Pico | |
| Micro Forceps | Dumont Dumostar | 10576 | |
| Fast-green Dye | Sigma-Aldrich Co. Llc. | F7252 | |
| AAV8-GFP | BioMiao Biological Technology Co. Ltd (Beijing, China) | 20161101 | Titer: 2×10e12 vg/mL |
| Streptomycin Sulfate | Sigma-Aldrich Co. Llc. | S9137 | |
| Microinjection Pump | Stoelting Co. | 789100S | |
| Electric Pad | Pet Fun | 11072931136 | |
| 1 cc Syringe | Mishawa Medical Industries Ltd. (Shanghai, China) | 2011-3151258 | |
| Ketamine HCL | Gutian Pharmaceutical Co., Ltd. (Fujian, China) | H35020148 | |
| Electric Animal Clipper | Codos Electrical Appliances Co., Ltd. (Guangdong, China) | CP-8000 | |
| Cotton Pellet | Yatai Healthcare Ltd. (Henan, China) | Yu-2008-1640081 | |
| Suture | Shanghai Pudong Jinhuan Medical Products Co., Ltd. (Shanghai, China) | Hu-2013-2650207 | |
| Eye Ointment | Beijing Shuangji Pharmaceutical Ltd. (Beijng China) | H11021270 |
References
- Stachler, R. J., et al. Clinical practice guideline: sudden hearing loss. Otolaryngol Head Neck Surg. 146 (3 Suppl), S1-S35 (2012).
- Lentz, J. J., et al. Rescue of hearing and vestibular function by antisense oligonucleotides in a mouse model of human deafness. Nat Med. 19 (3), 345-350 (2013).
- Rivera, T., Sanz, L., Camarero, G., Varela-Nieto, I. Drug delivery to the inner ear: strategies and their therapeutic implications for sensorineural hearing loss. Curr Drug Deliv. 9 (3), 231-242 (2012).
- El Kechai, N., et al. Recent advances in local drug delivery to the inner ear. Int J Pharm. 494 (1), 83-101 (2015).
- Akil, O., Rouse, S. L., Chan, D. K., Lustig, L. R. Surgical method for virally mediated gene delivery to the mouse inner ear through the round window membrane. J Vis Exp. (97), e52187 (2015).
- Ahmed, H., Shubina-Oleinik, O., Holt, J. R. Emerging Gene Therapies for Genetic Hearing Loss. J Assoc Res Otolaryngol. 18 (5), 649-670 (2017).
- Murillo-Cuesta, S., et al. A Comparative Study of Drug Delivery Methods Targeted to the Mouse Inner Ear: Bullostomy Versus Transtympanic Injection. J Vis Exp. (121), e54951 (2017).
- Stevens, S. M., Brown, L. N., Ezell, P. C., Lang, H. The Mouse Round-window Approach for Ototoxic Agent Delivery: A Rapid and Reliable Technique for Inducing Cochlear Cell Degeneration. J Vis Exp. (105), e53131 (2015).
- Salt, A. N., Plontke, S. K. Principles of local drug delivery to the inner ear. Audiol Neurootol. 14 (6), 350-360 (2009).
- Akil, O., et al. Restoration of hearing in the VGLUT3 knockout mouse using virally mediated gene therapy. Neuron. 75 (2), 283-293 (2012).
- Pan, B., et al. Gene therapy restores auditory and vestibular function in a mouse model of Usher syndrome type 1c. Nat Biotechnol. 35 (3), 264-272 (2017).
- Kilpatrick, L. A., et al. Adeno-associated virus-mediated gene delivery into the scala media of the normal and deafened adult mouse ear. Gene Ther. 18 (6), 569-578 (2011).
- Izumikawa, M., et al. Auditory hair cell replacement and hearing improvement by Atoh1 gene therapy in deaf mammals. Nat Med. 11 (3), 271-276 (2005).
- Chang, Q., et al. Virally mediated Kcnq1 gene replacement therapy in the immature scala media restores hearing in a mouse model of human Jervell and Lange-Nielsen deafness syndrome. EMBO Mol Med. 7 (8), 1077-1086 (2015).
- Chen, Z., Mikulec, A. A., McKenna, M. J., Sewell, W. F., Kujawa, S. G. A method for intracochlear drug delivery in the mouse. J Neurosci Methods. 150 (1), 67-73 (2006).
- Kawamoto, K., Oh, S. H., Kanzaki, S., Brown, N., Raphael, Y. The functional and structural outcome of inner ear gene transfer via the vestibular and cochlear fluids in mice. Mol Ther. 4 (6), 575-585 (2001).
- Bowers, W. J., et al. Neurotrophin-3 transduction attenuates cisplatin spiral ganglion neuron ototoxicity in the cochlea. Mol Ther. 6 (1), 12-18 (2002).
- Wang, G. P., et al. Adeno-associated virus-mediated gene transfer targeting normal and traumatized mouse utricle. Gene Ther. 21 (11), 958-966 (2014).
- Isgrig, K., et al. Therapy Restores Balance and Auditory Functions in a Mouse Model of Usher Syndrome. Mol Ther. 25 (3), 780-791 (2017).
- Gassner, D., Durham, D., Pfannenstiel, S. C., Brough, D. E., Staecker, H. Canalostomy as a surgical approach for cochlear gene therapy in the rat. Anat Rec (Hoboken). 295 (11), 1830-1836 (2012).
- Yamasoba, T., Yagi, M., Roessler, B. J., Miller, J. M., Raphael, Y. Inner ear transgene expression after adenoviral vector inoculation in the endolymphatic sac. Hum Gene Ther. 10 (5), 769-774 (1999).
- Xia, L., Yin, S., Wang, J. Inner ear gene transfection in neonatal mice using adeno-associated viral vector: a comparison of two approaches. PLoS One. 7 (8), e43218 (2012).
- Chien, W. W., McDougald, D. S., Roy, S., Fitzgerald, T. S., Cunningham, L. L. Cochlear gene transfer mediated by adeno-associated virus: Comparison of two surgical approaches. Laryngoscope. 125 (11), 2557-2564 (2015).
- Zhu, B. Z., Saleh, J., Isgrig, K. T., Cunningham, L. L., Chien, W. W. Hearing Loss after Round Window Surgery in Mice Is due to Middle Ear Effusion. Audiol Neurootol. 21 (6), 356-364 (2017).
- Wang, Y., et al. Early postnatal virus inoculation into the scala media achieved extensive expression of exogenous green fluorescent protein in the inner ear and preserved auditory brainstem response thresholds. J Gene Med. 15 (3-4), 123-133 (2013).
- Lee, M. Y., et al. Survival of human embryonic stem cells implanted in the guinea pig auditory epithelium. Sci Rep. 7, 46058 (2017).
- Ishimoto, S., Kawamoto, K., Kanzaki, S., Raphael, Y. Gene transfer into supporting cells of the organ of Corti. Hear Res. 173 (1-2), 187-197 (2002).
- Okada, H., et al. Gene transfer targeting mouse vestibule using adenovirus and adeno-associated virus vectors. Otol Neurotol. 33 (4), 655-659 (2012).
- Suzuki, J., Hashimoto, K., Xiao, R., Vandenberghe, L. H., Liberman, M. C. Cochlear gene therapy with ancestral AAV in adult mice: complete transduction of inner hair cells without cochlear dysfunction. Sci Rep. 7, 45524 (2017).
- Guo, J. Y., et al. Cochleovestibular gene transfer in neonatal mice by canalostomy. Neuroreport. 28 (11), 682-688 (2017).
- Beyea, J. A., Agrawal, S. K., Parnes, L. S. Transmastoid semicircular canal occlusion: a safe and highly effective treatment for benign paroxysmal positional vertigo and superior canal dehiscence. Laryngoscope. 122 (8), 1862-1866 (2012).
- Naples, J. G., Eisen, M. D. The History and Evolution of Surgery on the Vestibular Labyrinth. Otolaryngol Head Neck Surg. 155 (5), 816-819 (2016).
- Hamilton, L., Keh, S., Spielmann, P. M., Hussain, S. S. How we do it: locating the posterior semicircular canal in occlusion surgery for refractory benign paroxysmal positional vertigo: a cadaveric temporal bone study. Clinical Otolaryngology. 41 (2), 190-193 (2016).
- Jung, J. Y., et al. siRNA targeting Hes5 augments hair cell regeneration in aminoglycoside-damaged mouse utricle. Mol Ther. 21 (4), 834-841 (2013).
- Kamiya, K., et al. Mesenchymal stem cell transplantation accelerates hearing recovery through the repair of injured cochlear fibrocytes. Am J Pathol. 171 (1), 214-226 (2007).
- Pfannenstiel, S. C., Praetorius, M., Plinkert, P. K., Brough, D. E., Staecker, H. Bcl-2 gene therapy prevents aminoglycoside-induced degeneration of auditory and vestibular hair cells. Audiol Neurootol. 14 (4), 254-266 (2009).
- Kawamoto, K., Izumikawa, M., Beyer, L. A., Atkin, G. M., Raphael, Y. Spontaneous hair cell regeneration in the mouse utricle following gentamicin ototoxicity. Hear Res. 247 (1), 17-26 (2009).
- Wang, G. P., et al. Notch signaling and Atoh1 expression during hair cell regeneration in the mouse utricle. Hear Res. 267 (1-2), 61-70 (2010).
- Pietola, L., et al. HOX-GFP and WOX-GFP lentivirus vectors for inner ear gene transfer. Acta Otolaryngol. 128 (6), 613-620 (2008).
- Han, J. J., et al. Transgene expression in the guinea pig cochlea mediated by a lentivirus-derived gene transfer vector. Hum Gene Ther. 10 (11), 1867-1873 (1999).
