Merkezi Sinir Sistemi Üzerine In Vivo Remiyelinasyon Araştırması için Ozmotik Pompa Bazlı İlaç Dağıtımı
Summary
Demiyelinasyon çoklu santral sinir sistemi hastalıklarında görülür. Remiyelinizan ilaç testi için güvenilir bir in vivo ilaç dağıtım tekniği gereklidir. Bu protokol, uzun süreli ilacın doğrudan beyin parankimine verilmesine izin veren ve remiyelinasyon araştırmalarında geniş bir uygulama ile ilaç biyoyararlanımını geliştiren ozmotik pompa bazlı bir yöntemi tanımlamaktadır.
Abstract
Demiyelinasyon sadece multipl sklerozda (MS) değil, Alzheimer hastalığı ve otizm gibi diğer merkezi sinir sistemi hastalıklarında da tanımlanmıştır. Kanıtlar, remiyelinasyonun hastalık semptomlarını etkili bir şekilde iyileştirebileceğini gösterdiğinden, miyelin rejenerasyon sürecini teşvik etmek için ilaç geliştirmeye artan bir odaklanma vardır. Bu nedenle, bu ilaçların in vivo etkinliğini ve özgüllüğünü test etmek için bölgesel olarak seçilebilir ve sonuç açısından güvenilir bir ilaç dağıtım tekniği gereklidir. Bu protokol, ozmotik pompa implantını, lizositinle indüklenen demiyelinasyon fare modelinde yeni bir ilaç dağıtım yaklaşımı olarak tanıtmaktadır. Ozmotik pompa, kan-beyin bariyerini (BBB) atlayabilen ve ilaçları fare beyninin belirli bölgelerine istikrarlı ve doğrudan verebilen küçük bir implante edilebilir cihazdır. Ayrıca, kısa bir yarı ömre sahip peptitler ve proteinler gibi ilaçların biyoyararlanımını etkili bir şekilde artırabilir. Bu nedenle, bu yöntem merkezi sinir sistemi miyelin rejenerasyonu araştırması alanında büyük bir değere sahiptir.
Introduction
Ozmotik pompa, implante edilebilir küçük bir çözelti salgılayıcı cihazdır. Deri altından veya karın boşluğuna implante edildiğinde sistemik doğum için kullanılabilir. Ozmotik pompanın yüzeyi yarı geçirgen bir membrandır ve iç tarafı geçirgen bir tabakadır. Ozmotik pompa, ozmotik tabaka ile pompanın implante edildiği doku ortamı arasındaki ozmotik basınç farkını kullanarak çalışır. Ozmotik tabakanın yüksek ozmolalitesi, dokudaki suyun pompa yüzeyindeki yarı geçirgen membrandan ozmotik tabakaya akmasını sağlar. Ozmotik tabaka, pompanın içindeki esnek rezervuarı genişletir ve sıkıştırır, böylece çözeltiyi esnek rezervuardan uzun süre belirli bir oranda yer değiştirir1. Pompa, 100 μL, 200 μL ve 2 mL olmak üzere üç farklı rezervuar hacmine sahiptir ve teslimat oranları 0,11 μL/h ile 10 μL/h arasında değişmektedir. Seçilen pompa tipine bağlı olarak, cihaz 1 günden 6 haftaya kadar çalışabilir2. Bu protokolde, 14 gün boyunca çalışabilen 0,25 μL/h transfer hızına sahip 100 μL ozmotik pompa kullanılmıştır.
1970’lerde, ozmotik pompa nörobilimaraştırmalarında 3,4 olarak kullanılmıştır. Örneğin, Wei ve ark. uyuşturucu bağımlılığı3 çalışmasında opioid peptitleri ventriküle enjekte etmek için ozmotik pompa yaklaşımını benimsemişlerdir. Sürekli iyileştirmeden sonra, ozmotik pompa şimdi peptitler, büyüme faktörleri, bağımlılık yapan ilaçlar, hormonlar, steroidler, antikorlar vb. dahil olmak üzere binlerce ilacın kontrollü olarak verilmesinin incelenmesinde kullanılmıştır. Ek olarak, özel kateterler (Beyin İnfüzyon Kitleri) takılıyken, omurilik, beyin, dalak ve karaciğerdahil olmak üzere belirli doku veya organlara hedefli infüzyon için kullanılabilir 5,6,7.
Remiyelinasyon çalışmasında, birçok ilacın in vitro miyelin rejenerasyonunu teşvik ettiği gösterilmiştir, ancak bunların çoğu, muhtemelen uygun bir uygulama yönteminin bulunmaması nedeniyle, in vivo olarak önemli etkiler elde etmemiştir. İntraperitoneal enjeksiyon, subkutan enjeksiyon ve intragastrik uygulama gibi geleneksel uygulama yöntemlerinin ilaçların biyoyararlanımında sınırlamaları vardır. Ek olarak, bazı ilaçlar zayıf kan-beyin bariyeri geçirgenliğine sahiptir ve bu da beyin parankimine erişimlerini zayıflatır. Birlikte, bu sınırlamalar yeni ve verimli bir teslimat yöntemi gerektirir. Beyin infüzyon kitleri ile kombinasyon halinde, ozmotik pompalar kan-beyin bariyerini atlayabilir ve ilaçları doğrudan korpus kallozuma iletebilir, bu da özellikle kısa bir yarı ömre sahip bazı polipeptit ve protein ilaçları için ilaçların biyoyararlanımını etkili bir şekilde geliştirir. Bu nedenle, yeni bir ilaç dağıtım tekniği olarak ozmotik pompa, merkezi sinir sistemi miyelin rejenerasyonu araştırması alanında büyük değer taşımaktadır. Bu tekniğin uygulanması aşağıda ayrıntılı olarak tanıtılacaktır.
Protocol
Representative Results
Discussion
Bu protokol, ozmotik pompayı, ilaçları doğrudan tedavi bölgesine ulaştırabilen ve uzun bir süre boyunca tutarlı ilaç dağıtımına izin veren, tüm deneysel süre boyunca merkezi sinir sisteminin mikro ortamında stabil bir ilaç konsantrasyonu yaratan, miyelin rejenerasyon araştırması için yeni bir ilaç dağıtım tekniği olarak tanımlamaktadır. Diğer ilaç dağıtım yöntemleriyle karşılaştırıldığında, ozmotik pompa demiyelinasyon lezyonunda ilaç konsantrasyonunu korumak için daha elveri?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Bu çalışma, Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı’ndan (NSFC 32070964, 31871045) J.N.’ye ve Shenzhen Temel Araştırma Vakfı’ndan (JCYJ20210324121214039) YS’ye yapılan hibelerle desteklenmiştir.
Materials
| Anesthesia Air Pump | RWD | R510-29 | E05818-006 |
| Brain Infusion kit 3 | ALZET | 0008851 | 1-3 mm |
| Carprofen | Macklin | C830557-1g | 5 mg/kg every 24 h |
| Erythromycin eye ointment | Along technology | YCKJ-RJ-024780 | Cover the surface of the eyeballs during anesthesia |
| Erythromycin ointment | pythonbio | RG180 | |
| Gas Evacuation Apparatus | RWD | R546W | E05518-002 |
| L-α-Lysophosphatidylcholine | Sigma | L0906 | Dissolve at 1% with sterile PBS |
| Microliter Syringe | Hamilton | 65460-05 | Syringe Series:1700, 10 µL, 33 gauge |
| Micro-smotic pump model 1002 | ALZET | 0004317 | 0.25 µL per hour, 14 days |
| PBS (pH = 7.3) | ORIGENE | ZLI-9061 | |
| Pentobarbital sodium | Shanghai Civi | CAS NO: 57-33-0 | 150-200 mg/kg intraperitoneal injection for euthanasia |
| Small Animal Anesthesia Machine | RWD | R520IE | E05807-006 M |
| Stereotaxic Equipment | RWD | E06382 | |
| STERI 250 sterilizer | Keller | 31101 | Rapid sterilization of surgical instruments |
| Surgical sutures | Shanghai jinhuan | F504 | 5-0 |
| Syringe needle (1 mL) | Shanghai KDL | 6930197811018 | 26 gauge (0.45 mm x 16 mm) |
| Testing drug and solvent | Experiment dependent | N/A | |
| ThermoStar Homeothermic Monitoring System | RWD | 69026 | Maintain body temperature during anesthesia |
| Vetbond Tissue adhesive | 3M | 1469SB | Secure the brain infusion cannula , Adhere the skin incision |
References
- Theeuwes, F., Yum, S. I. Principles of the design and operation of generic osmotic pumps for the delivery of semisolid or liquid drug formulations. Annals of Biomedical Engineering. 4 (4), 343-353 (1976).
- Herrlich, S., Spieth, S., Messner, S., Zengerle, R. Osmotic micropumps for drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews. 64 (14), 1617-1627 (2012).
- Wei, E., Loh, H. Physical dependence of opiate-like peptides. Science. 193 (4259), 1262-1263 (1976).
- Pettigrew, J. D., Kasamatsu, T. Local perfusion of noradrenaline maintains visual cortical plasticity. Nature. 271 (5647), 761-763 (1978).
- Wang, Y., et al. Reduced oligodendrocyte precursor cell impairs astrocytic development in early life stress. Advanced Science (Weinheim). 8 (16), 2101181 (2021).
- Tang, C., et al. Neural stem cells behave as a functional niche for the maturation of newborn neurons through the secretion of PTN. Neuron. 101 (1), 32-44 (2019).
- Watanabe, S., Komine, O., Endo, F., Wakasugi, K., Yamanaka, K. Intracerebroventricular administration of Cystatin C ameliorates disease in SOD1-linked amyotrophic lateral sclerosis mice. Journal of Neurochemistry. 145 (1), 80-89 (2018).
- DeVos, S. L., Miller, T. M. Direct intraventricular delivery of drugs to the rodent central nervous system. Journal of Visualized Experiments: JoVE. , e50326 (2013).
- Tang, C., Guo, W. Implantation of a mini-osmotic pump plus stereotactical injection of retrovirus to study newborn neuron development in adult mouse hippocampus. STAR Protocols. 2 (1), 100374 (2021).
- Niu, J., et al. Oligodendroglial ring finger protein Rnf43 is an essential injury-specific regulator of oligodendrocyte maturation. Neuron. 109 (19), 3104-3118 (2021).
- Breitschopf, H., Suchanek, G., Gould, R. M., Colman, D. R., Lassmann, H. In situ hybridization with digoxigenin-labeled probes: sensitive and reliable detection method applied to myelinating rat brain. Acta Neuropathologica. 84 (6), 581-587 (1992).
- Cree, B. A. C., et al. Clemastine rescues myelination defects and promotes functional recovery in hypoxic brain injury. Brain. 141 (1), 85-98 (2018).
- Eckenhoff, B., Yum, S. I. The osmotic pump: novel research tool for optimizing drug regimens. Biomaterials. 2 (2), 89-97 (1981).
- Thoenen, H., Sendtner, M. Neurotrophins: from enthusiastic expectations through sobering experiences to rational therapeutic approaches. Nature Neuroscience. 5, 1046-1050 (2002).
- Hagg, T. Intracerebral infusion of neurotrophic factors. Methods in Molecular Biology. 399, 167-180 (2007).
- Bittner, B., Thelly, T., Isel, H., Mountfield, R. J. The impact of co-solvents and the composition of experimental formulations on the pump rate of the ALZET osmotic pump. International Journal of Pharmaceutics. 205 (1-2), 195-198 (2000).
- Arnot, M. I., Bateson, A. N., Martin, I. L. Dimethyl sulfoxide/propylene glycol is a suitable solvent for the delivery of diazepam from osmotic minipumps. Journal of Pharmacological and Toxicological Methods. 36 (1), 29-31 (1996).
- Gullapalli, R., et al. Development of ALZET osmotic pump compatible solvent compositions to solubilize poorly soluble compounds for preclinical studies. Drug Delivery. 19 (5), 239-246 (2012).
- White, J. D., Schwartz, M. W. Using osmotic minipumps for intracranial delivery of amino acids and peptides. Methods in Neurosciences. 21, 187-200 (1994).
