Levering van antilichamen in de Muriene hersenen via convectie-verbeterde levering
Summary
Convectie-verbeterde levering (CED) is een methode die een effectieve levering van Therapeutics in de hersenen mogelijk maakt door directe perfusie van grote weefsel volumes. De procedure vereist het gebruik van katheters en een geoptimaliseerde injectieprocedure. Dit protocol beschrijft een methodologie voor CED van een antilichaam in een muis hersenen.
Abstract
Convectie-verbeterde levering (CED) is een neurochirurgische techniek die een effectieve perfusie van grote hersen volumes mogelijk maakt met behulp van een katheter systeem. Een dergelijke aanpak biedt een veilige leveringsmethode door het passeren van de bloed-hersen barrière (BBB), waardoor behandeling met therapieën met slechte BBB-permeabiliteit of die waarvoor systemische blootstelling niet gewenst is, bijvoorbeeld, als gevolg van toxiciteit. CED vereist optimalisatie van het ontwerp van de katheter, injectie protocol en eigenschappen van het infusaat. Met dit protocol beschrijven we hoe u CED uitvoeren van een oplossing die maximaal 20 μg van een antilichaam bevat in het caudaat Putamen van muizen. Het beschrijft de voorbereiding van stap katheters, het testen in vitro en het uitvoeren van het CED in muizen met behulp van een hellend frezen injectie programma. Het protocol kan gemakkelijk worden aangepast voor andere infusievolumes en kan worden gebruikt voor het injecteren van verschillende tracers of farmacologisch actieve of inactieve stoffen, waaronder chemotherapeutica, cytokines, virale deeltjes en liposomen.
Introduction
De bloed-hersen barrière (BBB) vormt een semipermeabele grens die het centrale zenuwstelsel (CZS) scheidt van de bloedsomloop. Het CZS bereiken met Therapeutics is echter noodzakelijk in de context van verschillende ziekten, zoals hersentumoren, de ziekte van Alzheimer (AD) of de ziekte van Parkinson (PD) onder andere1. Dit wordt belangrijk bij de ontwikkeling van nieuwe therapieën, vooral als de geteste drug slechte BBB permeabiliteit vertoont of de systemische blootstelling kan leiden tot gevaarlijke toxiciteit1,2. Sommige van de klinisch gebruikte antilichamen geven beide functies weer. Een oplossing voor dit probleem zou zijn om de Therapeutics direct achter de BBB te leveren.
Convectie-verbeterde levering (CED) is een neurochirurgische techniek die een effectieve perfusie van grote hersen volumes mogelijk maakt. Dit wordt bereikt door operatief een of meer katheters in het doelgebied te installeren. Tijdens de toepassing van de drug, een drukgradiënt wordt gevormd bij de opening van de katheter, die wordt de drijvende kracht van de infusaat dispersie in het weefsel3,4. Het is dus de duur van de infusie en niet de diffusie coëfficiënten die het perfusie bereik2,4,5bepalen. Dit biedt uniforme afgifte van het infusaat over een veel groter hersenvolume in vergelijking met conventionele, diffusie gebaseerde intracerebrale injectie methoden2,6. Op hetzelfde moment, deze levering modaliteit heeft een lager risico op weefselschade2. Dienovereenkomstig kan CED een veilige en doeltreffende toediening van conventionele chemotherapeutica mogelijk maken voor de behandeling van CZS-tumoren, evenals de levering van immunomodulerende middelen of Agonistische en antagonistische antilichamen in een veelheid aan andere CZS-aandoeningen2 ,7,8,9. CED is momenteel getest in therapieën voor de ziekte van Parkinson, de ziekte van Alzheimer, evenals hoogwaardig glioom2,7,8,10,11.
Het ontwerp van de katheter en het injectie regime behoren tot de belangrijkste factoren die van invloed zijn op de uitkomst van CED 10,12,13,14,15,16. Bovendien vereist het specifieke fysisch-chemische eigenschappen van het infusaat, waaronder matige grootte van de deeltjes, een anionische lading en een laag weefsel affiniteit 10,17. Elk van deze parameters moet mogelijk worden aangepast op basis van de histologische kenmerken van de hersenregio om te worden gericht2,10,17.
Hier beschrijven we de methodologie voor het uitvoeren van een antilichaam oplossing in het caudaat Putamen (striatum) van muizen. Bovendien omvat het protocol voorbereiding van stap katheters in een laboratoriumopstelling, het testen ervan in vitro en het uitvoeren van het gdb.
Er zijn meerdere catheter ontwerpen beschikbaar in de literatuur, verschillend door de vorm van de canule, de gebruikte materialen en het aantal katheter openingen12,15,18,19,20 ,21,22. We gebruiken een stap katheter gemaakt van een gesmolten silica capillaire uitsteekt 1 mm van een Blunt end metalen naald. Dit ontwerp van de katheter kan gemakkelijk worden vervaardigd in een onderzoek laboratorium en reproduceerbare geeft goede resultaten bij het testen in vitro met agarose blokken met fysieke parameters die lijkt op hersenen parenchym in vivo23.
Bovendien implementeren we een hellend frezen-regime voor het leveren van 5 μL infusaat in vivo. In een dergelijk protocol wordt de injectiesnelheid verhoogd van 0,2 μL/min tot een maximum van 0,8 μL/min, waardoor de kans op terugvloeiing van infusaten langs de katheter en het risico op weefselbeschadiging wordt geminimaliseerd16. Met dit protocol hebben we met succes muizen met maximaal 20 μg antilichaam toegediend in 5 μL PBS in de loop van 11 min 30 s.
Het protocol kan gemakkelijk worden aangepast voor andere infusievolumes of voor het injecteren van verschillende andere stoffen, bijvoorbeeld chemotherapeutica, cytokines, virale deeltjes of liposomen2,10,14,18 ,22. In het geval van het gebruik van infusaat met drastisch verschillende fysisch-chemische eigenschappen in vergelijking met een fosfaatgebufferde zoutoplossing (PBS) of kunstmatige cerebrospinale vloeistof (aCSF) antilichamen, extra validatiestappen worden aanbevolen. Voor de katheter assemblage, validatie en CED, beschrijven we alle stappen met behulp van een stereotactische robot met een boor en injectie eenheid gemonteerd op een normale stereotactische frame. Deze procedure kan ook worden uitgevoerd met een handmatig Stereotactisch frame dat is aangesloten op een programmeerbare microinfusion-pomp die de beschreven glazen micro spuiten kan rijden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Convectie-verbeterde levering, of druk-gemedieerde drug infusie in de hersenen, werd voor het eerst voorgesteld in de vroege 19903. Deze aanpak belooft perfusie van grote hersen volumes achter de bloed-hersen barrière op een gecontroleerde manier2. Echter, tot nu toe, slechts een paar klinische proeven zijn uitgevoerd met behulp van deze aanpak, deels omdat CED in een klinische Setup is gebleken technisch veeleisend zijn24,<sup class="xre…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Dit werk werd gesteund door subsidies van de Universiteit van Zürich (FK-15-057), de Novartis Foundation voor medisch-biologisch onderzoek (16C231) en Zwitsers kankeronderzoek (KFS-3852-02-2016, KFS-4146-02-2017) aan Johannes vom berg en brug proof of concept (20B1-1 _177300) naar Linda Schellhammer.
Materials
| 10 μL syringe | Hamilton | 7635-01 | |
| 27 G blunt end needle | Hamilton | 7762-01 | |
| Agarose | Promega | V3121 | |
| Atipamezol | Janssen | ||
| Bone wax | Braun | 1029754 | |
| Buprenorphine | Indivior Schweiz AG | ||
| Carprofen | Pfizer AG | ||
| Dental drill bits, steel, size ISO 009 | Hager & Meisinger | 1RF009 | |
| Ethanol 100% | Reuss-Chemie AG | 179-VL03K-/1 | |
| Fentanyl | Helvepharm AG | ||
| FITC-Dextran, 2000 kDa | Sigma Aldrich | FD2000S | |
| Flumazenil | Labatec Pharma AG | ||
| Formaldehyde | Sigma Aldrich | F8775-500ML | |
| High viscosity cyanoacrylate glue | Migros | ||
| Iodine solution | Mundipharma | ||
| Medetomidin | Orion Pharma AG | ||
| Microforge | Narishige | MF-900 | |
| Midazolam | Roche Pharma AG | ||
| Ophthalmic ointment | Bausch + Lomb | Vitamin A Blache | |
| PBS | ThermoFischer Scientific | 10010023 | |
| Polyclonal goat anti-rat IgG (H+L) antibody coupled with Alexa Fluor 647 | Jackson Immuno | ||
| Scalpels | Braun | BB518 | |
| Silica tubing internal diameter 0.1 mm, wall thickness of 0.0325 mm | Postnova | Z-FSS-100165 | |
| Stereotactic frame for mice | Stoelting | 51615 | |
| Stereotactic robot | Neurostar | Drill and Injection Robot | |
| Succrose | Sigma Aldrich | S0389-500G | |
| Topical tissue adhesive | Zoetis | GLUture | |
| Trypan blue | ThermoFischer Scientific | 15250061 | |
| Water | Bichsel | 1000004 |
References
- Scherrmann, J. M. Drug delivery via the blood-brain barrier. Vascular Pharmacology. 38 (6), 349-354 (2002).
- Barua, N. U., Gill, S. S. Convection-enhanced drug delivery: prospects for glioblastoma treatment. CNS Oncology. 3 (5), 313-316 (2014).
- Bobo, R. H., et al. Convection-enhanced delivery of macromolecules in the brain. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 91 (6), 2076-2080 (1994).
- Morrison, P. F., Laske, D. W., Bobo, H., Oldfield, E. H., Dedrick, R. L. High-flow microinfusion: tissue penetration and pharmacodynamics. American Journal of Physiology. 266 (1 Pt 2), R292-R305 (1994).
- Zhou, Z., Singh, R., Souweidane, M. M. Convection-Enhanced Delivery for diffuse intrinsic pontine glioma treatment. Current Neuropharmacology. 15 (1), 116-128 (2017).
- Barua, N. U., et al. Intrastriatal convection-enhanced delivery results in widespread perivascular distribution in a pre-clinical model. Fluids and Barriers of the CNS. 9 (1), 2 (2012).
- Shoji, T., et al. Local convection-enhanced delivery of an anti-CD40 agonistic monoclonal antibody induces antitumor effects in mouse glioma models. Neuro-Oncology. 18 (8), 1120-1128 (2016).
- Souweidane, M. M., et al. Convection-enhanced delivery for diffuse intrinsic pontine glioma: a single-centre, dose-escalation, phase 1 trial. The Lancet Oncology. , (2018).
- Zhang, X., et al. Targeting immune checkpoints in malignant glioma. Oncotarget. 8 (4), 7157-7174 (2017).
- Barua, N. U., Gill, S. S., Love, S. Convection-enhanced drug delivery to the brain: therapeutic potential and neuropathological considerations. Brain Pathology. 24 (2), 117-127 (2014).
- Mehta, A. M., Sonabend, A. M., Bruce, J. N. Convection-Enhanced Delivery. Neurotherapeutics. 14 (2), 358-371 (2017).
- Krauze, M. T., et al. Reflux-free cannula for convection-enhanced high-speed delivery of therapeutic agents. Journal of Neurosurgery. 103 (5), 923-929 (2005).
- Nash, K. R., Gordon, M. N. Convection Enhanced Delivery of Recombinant Adeno-associated Virus into the Mouse Brain. Methods in Molecular Biology. 1382, 285-295 (2016).
- Ohlfest, J. R., et al. Combinatorial antiangiogenic gene therapy by nonviral gene transfer using the sleeping beauty transposon causes tumor regression and improves survival in mice bearing intracranial human glioblastoma. Molecular Therapy. 12 (5), 778-788 (2005).
- Yin, D., Forsayeth, J., Bankiewicz, K. S. Optimized cannula design and placement for convection-enhanced delivery in rat striatum. Journal of Neuroscience Methods. 187 (1), 46-51 (2010).
- Mamot, C., et al. Extensive distribution of liposomes in rodent brains and brain tumors following convection-enhanced delivery. Journal of Neuro-Oncology. 68 (1), 1-9 (2004).
- Saito, R., et al. Tissue affinity of the infusate affects the distribution volume during convection-enhanced delivery into rodent brains: implications for local drug delivery. Journal of Neuroscience Methods. 154 (1-2), 225-232 (2006).
- Oh, S., et al. Improved distribution of small molecules and viral vectors in the murine brain using a hollow fiber catheter. Journal of Neurosurgery. 107 (3), 568-577 (2007).
- Barua, N. U., et al. A novel implantable catheter system with transcutaneous port for intermittent convection-enhanced delivery of carboplatin for recurrent glioblastoma. Drug Delivery. 23 (1), 167-173 (2016).
- Rosenbluth, K. H., et al. Design of an in-dwelling cannula for convection-enhanced delivery. Journal of Neuroscience Methods. 196 (1), 118-123 (2011).
- Debinski, W., Tatter, S. B. Convection-enhanced delivery for the treatment of brain tumors. Expert Review of Neurotherapeutics. 9 (10), 1519-1527 (2009).
- MacKay, J. A., Deen, D. F., Szoka, F. C. Distribution in brain of liposomes after convection enhanced delivery; modulation by particle charge, particle diameter, and presence of steric coating. Brain Research. 1035 (2), 139-153 (2005).
- Chen, Z. J., et al. A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. Journal of Neurosurgery. 101 (2), 314-322 (2004).
- Sampson, J. H., et al. Poor drug distribution as a possible explanation for the results of the PRECISE trial. Journal of Neurosurgery. 113 (2), 301-309 (2010).
- Wick, W., Weller, M., et al. Trabedersen to target transforming growth factor-beta: when the journey is not the reward, in reference to Bogdahn et al. (Neuro-Oncology 2011;13:132-142). Neuro-Oncology. 13 (5), 559-560 (2011).
- Saito, R., Tominaga, T. Convection-enhanced delivery of therapeutics for malignant gliomas. Neurologia Medico-Chirurgica. 57 (1), 8-16 (2017).
- Bedussi, B., et al. Clearance from the mouse brain by convection of interstitial fluid towards the ventricular system. Fluids Barriers CNS. 12, 23 (2015).
- Noroxe, D. S., Poulsen, H. S., Lassen, U. Hallmarks of glioblastoma: a systematic review. ESMO Open. 1 (6), e000144 (2016).
- Boucher, Y., Salehi, H., Witwer, B., Harsh, G. R. t., Jain, R. K. Interstitial fluid pressure in intracranial tumours in patients and in rodents. British Journal of Cancer. 75 (6), 829-836 (1997).
- Glushakova, O. Y., et al. Prospective clinical biomarkers of caspase-mediated apoptosis associated with neuronal and neurovascular damage following stroke and other severe brain injuries: Implications for chronic neurodegeneration. Brain Circulation. 3 (2), 87-108 (2017).
- Vom Berg, J., et al. Inhibition of IL-12/IL-23 signaling reduces Alzheimer’s disease-like pathology and cognitive decline. Nature Medicine. 18 (12), 1812-1819 (2012).
- Vom Berg, J., et al. Intratumoral IL-12 combined with CTLA-4 blockade elicits T cell-mediated glioma rejection. Journal of Experimental Medicine. 210 (13), 2803-2811 (2013).
- Kurdi, A., et al. Continuous administration of the mTORC1 inhibitor everolimus induces tolerance and decreases autophagy in mice. British Journal of Pharmacology. 173 (23), 3359-3371 (2016).
