Intratracheale toediening van droge poederformulering bij muizen
Summary
Droge poederformuleringen voor inhalatie hebben een groot potentieel bij de behandeling van luchtwegaandoeningen. Voordat men aan menselijke studies begint, is het noodzakelijk om de werkzaamheid van de droge poederformulering in preklinische studies te evalueren. Een eenvoudige en niet-invasieve methode voor de toediening van droog poeder bij muizen via de intratracheale route wordt gepresenteerd.
Abstract
Bij de ontwikkeling van inhaleerbare droge poederformuleringen is het essentieel om hun biologische activiteiten te evalueren in preklinische diermodellen. Dit artikel introduceert een niet-invasieve methode voor intratracheale toediening van droge poederformulering bij muizen. Een droog poederlaadapparaat dat bestaat uit een 200 μL gellaadpipettip die via een driewegkraan op een spuit van 1 ml is aangesloten, wordt gepresenteerd. Een kleine hoeveelheid droog poeder (1-2 mg) wordt in de pipetpunt geladen en door 0,6 ml lucht in de spuit verspreid. Omdat pipettips wegwerpbaar en goedkoop zijn, kunnen verschillende droge poederformuleringen van tevoren in verschillende tips worden geladen. Verschillende formuleringen kunnen in hetzelfde dierproef worden geëvalueerd zonder apparaatreiniging en dosisvulling, waardoor tijd wordt bespaard en het risico op kruisbesmetting door restpoeder wordt geëlimineerd. De mate van poederdispersie kan worden geïnspecteerd door de hoeveelheid poeder die in de pipetpunt achterblijven. Een protocol van intubatie in muis met een op maat gemaakte lichtbron en een geleide canule is inbegrepen. Een goede intubatie is een van de belangrijkste factoren die de intratracheale afgifte van droge poederformulering aan het diepe longgebied van de muis beïnvloedt.
Introduction
De longroute van toediening biedt verschillende voordelen bij het leveren van therapeutische voor zowel lokale als systemische acties. Voor de behandeling van longziekten kan een hoge lokale medicijnconcentratie worden bereikt door longafgifte, waardoor de vereiste dosis wordt verlaagd en de incidentie van systemische bijwerkingen wordt verlaagd. Bovendien kunnen de relatief lage enzymatische activiteiten in de long het voortijdige medicijnmetabolisme verminderen. De longen zijn ook efficiënt voor drugabsorptie voor systemische actie toe te schrijven aan het grote en goed-doordrenkte oppervlakte, de uiterst dunne epitheliale cellaag en het hoge bloedvolume in longcapillairen1.
Geïnhaleerde droge poederformuleringen zijn op grote schaal onderzocht voor de preventie en behandeling van verschillende ziekten zoals astma, chronische obstructieve longziekte, diabetes mellitus en longvaccinatie2,3,4. De drugs in de vaste staat zijn over het algemeen stabieler dan in de vloeibare vorm, en de droge poederinhalatoren zijn draagbaarder en gebruiksvriendelijker dan vernevelaars5,6. Bij de ontwikkeling van inhalatie droge poederformuleringen moeten de veiligheid, het farmacokinetische profiel en de therapeutische werkzaamheid worden geëvalueerd in preklinische diermodellen na longtoediening7. In tegenstelling tot mensen die droog poeder actief kunnen inademen, is longlevering van droog poeder aan kleine dieren een uitdaging. Het is noodzakelijk om een efficiënt protocol vast te stellen voor het leveren van droog poeder aan de longen van dieren.
Muizen worden veel gebruikt als onderzoeksdiermodellen omdat ze economisch zijn en ze goed fokken. Ze zijn ook gemakkelijk te hanteren en veel ziektemodellen zijn goed ingeburgerd. Er zijn twee belangrijke benaderingen om droog poeder toe te dienen aan de long van de muis: inhalatie en intratracheale toediening. Voor inademing wordt de muis in een kamer met alleen het hele lichaam of de neus geplaatst waar droog poeder wordt verneveld en de dieren de aerosol inademen zonder sedatie8,9. Dure apparatuur is vereist en de efficiëntie van de medicijnafgifte is laag. Hoewel de kamer voor het hele lichaam technisch minder uitdagend kan zijn, kan de blootstellingskamer alleen voor de neus de blootstelling van geneesmiddelen aan het lichaamsoppervlak minimaliseren. Hoe dan ook, het is nog steeds moeilijk om de dosis die aan de longen wordt geleverd nauwkeurig te controleren en te bepalen. Het droge poeder wordt voornamelijk afgezet in het nasopharynxgebied waar mucociliaire klaring prominent aanwezig is10. Bovendien staan muizen in de kamer tijdens het toedieningsproces onder aanzienlijke druk omdat ze beperkt zijn en geen voedsel- enwatervoorziening hebben 11. Voor intratracheale toediening verwijst het over het algemeen naar het rechtstreeks inbrengen van de stof in de luchtpijp. Er zijn twee verschillende technieken om dit te bereiken: tracheotomie en orotracheale intubatie. De eerste vereist een chirurgische procedure die een incisie in de luchtpijp maakt, die invasief is en zelden wordt gebruikt voor poedertoediening. Alleen de tweede techniek wordt hier beschreven. In vergelijking met de inhalatiemethode is intratracheale toediening de meest gebruikte methode voor longafgifte bij de muis vanwege de hoge afgifte-efficiëntie met minimaal medicijnverlies12,13. Het is een eenvoudige en snelle methode om precies een kleine hoeveelheid poeder binnen een paar milligram aan de muis te leveren. Hoewel de muis anatomisch en fysiologisch verschilt van de mens en anesthesie vereist is tijdens het intubatieproces, omzeilt intratracheale toediening de bovenste luchtwegen en biedt een effectievere manier om de biologische activiteiten van de droge poederformulering te beoordelen, zoals de longabsorptie, biologische beschikbaarheid en therapeutische effecten14,15.
Om droog poeder intratracheally toe te dienen, moet de muis worden geïntubeerd, wat een uitdaging kan zijn. In dit artikel wordt de fabricage van een op maat gemaakte droge poederinsufflator en een intubatieapparaat beschreven. De procedures van intubatie en insufflatie van droog poeder in de long van de muis worden gedemonstreerd.
Protocol
Representative Results
Discussion
In dit artikel worden op maat gemaakte apparaten voor droge poedersufflatie en intratracheale intubatie gepresenteerd. In de poederlaadstap wordt droog poeder in een pipetpunt van 200 μL gel geladen. Het is belangrijk om voorzichtig op de punt te tikken om de losse verpakking van poeder aan het smalle uiteinde van de punt mogelijk te maken. Als het poeder echter te strak is verpakt, komen ze vast te zitten in de punt en kunnen ze niet goed worden verspreid. Het wordt aanbevolen om de statische ladingen van het poeder en…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen de heer Ray Lee, de heer HC Leung en de heer Wallace So bedanken voor hun vriendelijke hulp bij het maken van de lichtbron en poederinsufflator; en de Facultaire Kernfaciliteit voor de hulp bij dierbeeldvorming. Het werk werd ondersteund door de Research Grant Council, Hong Kong (17300319).
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).
