Intravitreala injektioner i fårögat
Summary
Intravitreala injektioner utfördes i fårögat i syfte att leverera virusmedierad genterapi till näthinnan.
Abstract
Det finns flera metoder för leverans av terapeutiska medel till näthinnan, inklusive intravitreal (IVT), subretinal, suprachoroidal, periokulär eller topisk administrering. IVT-läkemedelsleverans innebär en injektion i ögats glasögonhumor, en gelatinös substans som fyller ögats bakre kammare och bibehåller ögonglobens form. Även om IVT-vägen är mindre specifikt riktad än subretinal leverans, är den mycket mindre invasiv och används ofta i kliniska miljöer för en rad okulära sjukdomar.
Vi har tidigare visat effekten av intravitreal leverans av en adenoassocierad virusprodukt (AAV)-medierad genterapiprodukt (AAV9. CLN5) hos får med en naturligt förekommande CLN5-form av neuronal ceroid lipofuscinos (NCL). Drabbade får fick IVT-genterapi på ena ögat, medan det andra obehandlade ögat fungerade som en intern kontroll. Retinal struktur och funktion bibehölls i det behandlade ögat upp till 15 månader efter behandlingen, medan det obehandlade ögat uppvisade gradvis minskande funktion och svår atrofi under postmortemundersökning. Baserat på fårstudierna godkändes CLN5-genterapiprodukten som en kandidat för prövningsläkemedel (IND) av United States Food and Drug Administration i september 2021. Detta dokument beskriver det kirurgiska protokollet för IVT-leverans av en terapeutisk viral vektor till fårögat.
Introduction
Flera metoder kan användas för att leverera terapeutiska medel till näthinnan, inklusive intravitreal (IVT), subretinal, suprachoroidal, periokulär eller topisk administrering. Varje administreringsväg innebär att man övervinner barriärer som blod-näthinnebarriären eller de inre och yttre begränsande membranen och har varierande effekthastigheter beroende på läkemedlet som levereras och det specifika näthinnemålet 1,2.
IVT drug delivery innebär en injektion i ögats glasögonhumor, en gelatinös substans som upptar ögats bakre kammare. Den primära funktionen hos glaskroppen är att bibehålla formen på ögongloben och hålla okulära vävnader, såsom linsen och näthinnan, på plats. Glaskroppen består till stor del av vatten, med små mängder kollagen, hyaluronsyra och andra icke-kollagena proteiner3. IVT-injektion är ett enkelt och vanligt förfarande som används rutinmässigt för att behandla ett brett spektrum av okulära tillstånd, inklusive åldersrelaterad makuladegeneration, diabetiskt makulaödem, diabetisk retinopati, retinal venocklusion och flera ärftliga retinala dystrofier 4,5.
Neuronala ceroid lipofuscinoser (NCL; Batten sjukdom) är en grupp dödliga lysosomala lagringssjukdomar som orsakar allvarlig degenerering av hjärnan och näthinnan. Det finns för närvarande 13 kända varianter av NCL som härrör från mutationer i olika gener (CLN1-8, CLN10-14) som främst drabbar barn men har varierande debutålder och sjukdomens svårighetsgrad6. NCL delar gemensamma progressiva symtom, inklusive kognitiv och motorisk nedgång, anfall och synförlust. Det finns inget botemedel mot NCL; hjärnriktad enzymersättningsterapi är dock för närvarande i kliniska prövningar för CLN2-sjukdom7,8, och AAV-medierad genterapi har visat stort löfte i prekliniska studier, med en klinisk prövning för CLN5-genterapi som förväntas börja 2022 9,10.
Många andra arter utvecklar naturligt förekommande former av NCL, inklusive katter, hundar, får och kor. Två fårmodeller av NCL är för närvarande under aktiv studie i Nya Zeeland: en CLN5-sjukdomsmodell i Borderdale-får och en CLN6-sjukdomsmodell i South Hampshire-får. Drabbade får uppvisar många av de kliniska och patologiska egenskaperna hos den mänskliga sjukdomen, inklusive retinalatrofi och synförlust10,11. Även om hjärnriktad CLN5-genterapi hos får med CLN5-sjukdom kan förhindra eller stoppa hjärnatrofi och klinisk nedgång, förlorar de behandlade fåren fortfarande sin syn9. Detta belyste behovet av att behandla näthinnan för att bevara synen och upprätthålla en bättre livskvalitet, vilket ledde till upprättandet av ett protokoll för okulär genterapi hos får.
Fårögat representerar en bra modell av det mänskliga ögat på grund av dess likhet i ögonglobdimensioner, glaskroppsvolym och retinal struktur10,12,13. Detta dokument beskriver det kirurgiska protokollet för IVT-leverans av en liten volym (≤100 μL) terapeutisk virusvektor till fårögat.
Protocol
Representative Results
Discussion
Intravitreala injektioner är ett av de vanligaste kirurgiska ingreppen inom human oftalmologi och har visat sig vara effektiva för att leverera AAV-medierade genterapier till fårens näthinna. Vi hade tidigare visat effekten av AAV9. CLN5-genterapi som levereras intravitret för att dämpa retinal dysfunktion och degeneration hos får med CLN5 NCL15. Förhoppningen är att översättningen av denna administreringsväg till humana NCL-patienter också kommer att visa sig vara till nytta.
<p …Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna vill erkänna Dr. Steve Heap (BVSc, CertVOphthal) för hans hjälp med att upprätta detta protokoll och utföra de injektioner som beskrivs av Murray et al.15. Författarna erkänner också finansiering från CureKids Nya Zeeland, Canterbury Medical Research Foundation, Neurogene Inc och Batten Disease Support and Research Association.
Materials
| 1 mL low dead-space safety syringe with permanently attached 0.5 inch needle | Fisher Scientific, Auckland, New Zealand | 05-561-28 | Covidien Monoject Tuberculin Safety syringe or similar |
| 1.5 mL microcentrifuge tube | Sigma Aldrich | HS4323 | Autoclave tubes to sterilise prior to use |
| Anesthesia machine with gas bench and monitor | Hyvet Anesthesia, Christchurch, New Zealand | ||
| Antibiotic eye drops | Teva Pharma Ltd, Auckland, New Zealand | Commercial name: Chlorafast (0.5% chloramphenicol) | |
| BrightMount plus anti-fade mounting medium | Abcam, Cambridge, United Kingdom | ab103748 | |
| DAPI (4′ ,6-diamidino-2-phenylindole dihydrochloride) | Sigma Aldrich, St. Louis, Missouri, United States | 10236276001 | |
| Diazepam sedative | Ilium, Troy Laboratories Pty Ltd, Tauranga, New Zealand | 5 mg/mL | |
| Endotracheal tubes | Flexicare Medical Ltd, Mountain Ash, United Kingdom | Standard, cuffed. Sizes 7, 7.5, or 8 depending on sheep size | |
| Eye speculum | Capes Medical Ltd, Tauranga, New Zealand | KP151/14 | Nopa Barraquer-Colibri (10 mm) |
| Fenestrated surgical drape | Amtech Medical Ltd, Whanganui, New Zealand | DI583 | Or similar |
| Filter Tips | Interlab, Auckland, New Zealand | 10, 200, and 1,000 µL | |
| Formaldehyde solution (37%) | Fisher Scientific, Auckland, New Zealand | AJA809-2.5PL | Make up to 10% in distilled water with 0.9% NaCl |
| Goat anti-rabbit Alexa Fluor 594 | Invitrogen Carlsbad, CA, USA | A-11012 | Use at a dilution of 1:500 |
| Isoflurane anesthetic | Attane, Bayer Animal Health, Auckland, New Zealand | ||
| Ketamine HCl anesthetic/analgesic | PhoenixPharm Distributors Ltd, Auckland, New Zealand | 100 mg/mL | |
| Laryngoscope (veterinary) | KaWe Medical, Denmark | Miller C blade, size 2 | |
| Needles | Capes Medical Ltd, Tauranga, New Zealand | 302025 | BD Hypodermic Needles, or similar |
| Non-steroidal anti-inflammatory | Boehringer Ingelheim (NZ) Ltd, Auckland, New Zealand | 49402/008 | Commercial name: Metacam 20 (20 mg/mL meloxicam) |
| Non-toothed forceps | Capes Medical Ltd, Tauranga, New Zealand | AB864/16 | Or similar |
| Non-toothed hemostat | Capes Medical Ltd, Tauranga, New Zealand | AA150/12 | Or similar |
| Normal goat serum | Thermo Fisher Scientific, Christchurch, New Zealand | 16210072 | |
| Oxygen (medical) | BOC Gas, Christchurch, New Zealand | D2 cylinder, gas code 180 | |
| Phosphate buffered saline | Thermo Fisher Scientific, Christchurch, New Zealand | 10010023 | Sterile, filtered |
| Povidone-Iodine solution | Capes Medical Ltd, Tauranga, New Zealand | 005835 | Commercial name: Betadine (10% povidone-iodine) |
| Rabbit anti-cow glial fibrillary acidic protein (GFAP) | Dako, Glostrup, Denmark | Z0334 | Use at a dilution of 1:2,500 |
| Self-complementary adeno-associated virus serotype 9, containing the chicken beta action (CBh) promoter and codon-optimized ovine CLN5 | University of North Carolina Vector Core, NC, USA. | scAAV9/CBh-oCLN5opt | |
| Sodium Chloride 0.9% IV Solution | Capes Medical Ltd, Tauranga, New Zealand | AHB1322 | Commercial name: Saline solution |
| Subcutaneous antibiotics | Intervet Schering Plough Animal Health Ltd, Wellington, New Zealand | Commercial name: Duplocillin LA (150,000 IU/mL procaine penicillin and 115,000 IU/mL benzathine penicillin) | |
| Surgical sharp blunt curved scissors | Capes Medical Ltd, Tauranga, New Zealand | SSSHBLC130 | |
| Terumo Syringe Luer Lock | Amtech Medical Ltd, Whanganui, New Zealand | SH159/SH160 | Sterile syringes; 10 mL for drawing up induction drugs, 20 mL for drawing up saline |
| Virkon Disinfectant Powder | EBOS Group Ltd, Christchurch, NZ | 28461115 |
References
- Himawan, E., et al. Drug delivery to retinal photoreceptors. Drug Discovery Today. 24 (8), 1637-1643 (2019).
- Murray, S. J., Mitchell, N. L. Ocular therapies for neuronal ceroid lipofuscinoses: More than meets the eye. Neural Regeneration Research. 17 (8), 1755-1756 (2022).
- Bishop, P. N. Structural macromolecules and supramolecular organisation of the vitreous gel. Progress in Retinal and Eye Research. 19 (3), 323-344 (2000).
- Grzybowski, A., et al. update on intravitreal injections: Euretina expert consensus recommendations. Ophthalmologica. 239 (4), 181-193 (2018).
- Pavlou, M., et al. Novel AAV capsids for intravitreal gene therapy of photoreceptor disorders. EMBO Molecular Medicine. 13 (4), 13392 (2021).
- Kousi, M., Lehesjoki, A. -. E., Mole, S. E. Update of the mutation spectrum and clinical correlations of over 360 mutations in eight genes that underlie the neuronal ceroid lipofuscinoses. Human Mutation. 33 (1), 42-63 (2012).
- Wibbeler, E., et al. Cerliponase alfa for the treatment of atypical phenotypes of CLN2 disease: A retrospective case series. Journal of Child Neurology. 36 (6), 468-474 (2021).
- Schulz, A., et al. Study of intraventricular cerliponase alfa for CLN2 disease. The New England Journal of Medicine. 378 (20), 1898-1907 (2018).
- Mitchell, N. L., et al. Longitudinal in vivo monitoring of the CNS demonstrates the efficacy of gene therapy in a sheep model of CLN5 Batten disease. Molecular Therapy. 26 (10), 2366-2378 (2018).
- Murray, S. J., Mitchell, N. L. Natural history of retinal degeneration in ovine models of CLN5 and CLN6 neuronal ceroid lipofuscinoses. Scientific Reports. 12 (1), 3670 (2022).
- Russell, K. N., Mitchell, N. L., Wellby, M. P., Barrell, G. K., Palmer, D. N. Electroretinography data from ovine models of CLN5 and CLN6 neuronal ceroid lipofuscinoses. Data in Brief. 37, 107188 (2021).
- Shafiee, A., McIntire, G. L., Sidebotham, L. C., Ward, K. W. Experimental determination and allometric prediction of vitreous volume, and retina and lens weights in Göttingen minipigs. Veterinary Ophthalmology. 11 (3), 193-196 (2008).
- Shinozaki, A., Hosaka, Y., Imagawa, T., Uehara, M. Topography of ganglion cells and photoreceptors in the sheep retina. The Journal of Comparative Neurology. 518 (12), 2305-2315 (2010).
- Frugier, T., et al. A new large animal model of CLN5 neuronal ceroid lipofuscinosis in Borderdale sheep is caused by a nucleotide substitution at a consensus splice site (c.571+1G>A) leading to excision of exon 3. Neurobiology of Disease. 29 (2), 306-315 (2008).
- Murray, S. J., et al. Intravitreal gene therapy protects against retinal dysfunction and degeneration in sheep with CLN5 Batten disease. Experimental Eye Research. 207, 108600 (2021).
- Ross, M., et al. Outer retinal transduction by AAV2-7m8 following intravitreal injection in a sheep model of CNGA3 achromatopsia. Gene Therapy. , (2021).
- Boyd, R. F., et al. Photoreceptor-targeted gene delivery using intravitreally administered AAV vectors in dogs. Gene Therapy. 23 (2), 223-230 (2016).
- Dalkara, D., et al. In vivo-directed evolution of a new adeno-associated virus for therapeutic outer retinal gene delivery from the vitreous. Science Translational Medicine. 5 (189), (2013).
- Gearhart, P. M., Gearhart, C., Thompson, D. A., Petersen-Jones, S. M. Improvement of visual performance with intravitreal administration of 9-cis-retinal in Rpe65-mutant dogs. Archives of Ophthalmology. 128 (11), 1442-1448 (2010).
- Ross, M., et al. Evaluation of photoreceptor transduction efficacy of capsid-modified adeno-associated viral vectors following intravitreal and subretinal delivery in sheep. Human Gene Therapy. 31 (13-14), 719-729 (2020).
- Kotterman, M. A., et al. Antibody neutralization poses a barrier to intravitreal adeno-associated viral vector gene delivery to non-human primates. Gene Therapy. 22 (2), 116-126 (2015).
- Whitehead, M., Osborne, A., Yu-Wai-Man, P., Martin, K. Humoral immune responses to AAV gene therapy in the ocular compartment. Biological Reviews. 96 (4), 1616-1644 (2021).
- Yun, C., Oh, J., Hwang, S. -. Y., Kim, S. -. W., Huh, K. Subconjunctival hemorrhage after intravitreal injection of anti-vascular endothelial growth factor. Graefe’s Archive for Clinical and Experimental Ophthalmology. 253 (9), 1465-1470 (2015).
- Christensen, L., Cerda, A., Olson, J. L. Real-time measurement of needle forces and acute pressure changes during intravitreal injections. Clinical & Experimental Ophthalmology. 45 (8), 820-827 (2017).
- Allmendinger, A., Butt, Y. L., Mueller, C. Intraocular pressure and injection forces during intravitreal injection into enucleated porcine eyes. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 166, 87-93 (2021).
- Ross, M., Ofri, R. The future of retinal gene therapy: Evolving from subretinal to intravitreal vector delivery. Neural Regeneration Research. 16 (9), 1751-1759 (2021).
- Henein, C., et al. Hydrodynamics of intravitreal injections into liquid vitreous substitutes. Pharmaceutics. 11 (8), 371 (2019).
- Park, I., Park, H. S., Kim, H. K., Chung, W. K., Kim, K. Real-time measurement of intraocular pressure variation during automatic intravitreal injections: An ex-vivo experimental study using porcine eyes. PloS One. 16 (8), 0256344 (2021).
- Willekens, K., et al. Intravitreally injected fluid dispersion: Importance of injection technique. Investigative Ophthalmology & Visual Science. 58 (3), 1434-1441 (2017).
- Peynshaert, K., Devoldere, J., De Smedt, S. C., Remaut, K. In vitro and ex vivo models to study drug delivery barriers in the posterior segment of the eye. Advanced Drug Delivery Reviews. 126, 44-57 (2018).
- Kiss, S. Vector Considerations for Ocular Gene Therapy. Adeno-associated virus vectors offer a safe and effective tool for gene delivery. Retinal Physician. 17, 40-45 (2020).
- Kleine Holthaus, S. -. M., et al. Gene therapy targeting the inner retina rescues the retinal phenotype in a mouse model of CLN3 Batten disease. Human Gene Therapy. 31 (13-14), 709-718 (2020).
- Kleine Holthaus, S. -. M., et al. Neonatal brain-directed gene therapy rescues a mouse model of neurodegenerative CLN6 Batten disease. Human Molecular Genetics. 28 (23), 3867-3879 (2019).
