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Method Article
治療薬を中枢神経系に直接送達することは、血液脳関門を回避する1つの方法です。現在のプロトコルは、脳脊髄液および身体器官のその後の収集のための脳室内注射を示しています。これにより、新しい治療法を開発するための動物モデルにおける薬物動態と薬力学の研究が容易になります。
血液脳関門(BBB)は、脳を異物から保護しますが、一部の治療薬が中枢神経系(CNS)に渡って病気や感染症を改善するのを防ぎます。薬物は、BBBを回避するために、動物や人間の中枢神経系に直接投与されます。本プロトコルは、抗生物質、すなわちポリミキシン、多剤耐性グラム陰性菌を治療するための最終選択の抗生物質の脳室内送達を通じて脳感染症を治療するユニークな方法を説明しています。ラットの側脳室に到達するガイドカニューレを埋め込むために、簡単な定位固定術プロトコルが開発されました。24時間の回復期間の後、ラットはガイドに取り付けられたカニューレを介して意識的に繰り返し注射することができます。注入は、ボーラスとして手動で送達するか、マイクロインジェクションポンプを使用して注入して、ゆっくりと制御された流量を得ることができます。脳室内注射は、Evans Blue色素で成功裏に確認されました。脳脊髄液(CSF)を排出し、脳や他の臓器を採取することができます。このアプローチは、CNSへの薬物送達とその後の薬物動態活性および薬力学的活性の評価を含む研究に非常に適しています。
血液脳関門(BBB)は、中枢神経系(CNS)の重要な保護メカニズムです。選択的に透過性のある解剖学的バリアは、循環する血液とその溶質を脳の細胞外液から分離し、したがって、ほとんどの分子が脳1,2,3,4に入るのを防ぎます。これは、そのサイズ、親油性5、および能動的輸送メカニズム2の利用可能性によって異なります。
この保護バリアは、複雑な脳の恒常性と中枢神経系の健康の効果的な調節に有益です4,6。しかし、脳内の感染症や他の中枢神経系疾患を治療するための薬剤を送達することも困難にします4,7。さまざまな方法8,9を使用してBBBを破壊することとは別に、BBBを回避するための主要なアプローチは、薬物を脳脊髄液(CSF)4に放出することにより、薬物を直接脳に送達することです。比較的侵襲的な手法ですが、患者や実験動物に標的治療薬を届けるために成功裏に使用されています。ヒトでは、薬物を脳室内システムまたはCSFに送達し、続いて、側脳室10,11に挿入されたカテーテルに取り付けられた頭皮の下にあるリザーバーであるOmmyaリザーバーを使用してサンプリングすることができる。同様の技術は、同等の目標を達成するために、げっ歯類などの実験動物でも確立されています。微小浸透圧ポンプをマウス12、13、14、15およびラット16、17に移植し、心室系または脳実質への連続的な薬物送達を行った。さらに、麻酔をかけたマウスでは使い捨て針18,19を用いて、意識のあるラットでは外科的に移植されたカニューレ20,21,22,23を用いて、直接脳室内注射を行った。CNSへの薬物送達は、さまざまな分野での理解を深めるための非常に貴重な方法である20,24,25,26,27,28。
中枢神経系感染症は、新しい治療法と既存の抗感染症療法の理解を深めることが緊急に必要とされている分野の1つです。多剤耐性グラム陰性菌によって引き起こされるCNS感染症は特に懸念されます7。ポリミキシンは、これらの「スーパーバグ」29による感染症の治療にますます使用される最終選択の抗生物質です。ポリミキシンが現在の投与ガイドライン30に従って静脈内投与される場合、CNSへの浸透は非常に低く、高用量は腎毒性のリスクを高めます。したがって、ポリミキシンの静脈内療法は、CNS感染症の治療にはほとんど役に立ちません7。ポリミキシンを中枢神経系に送達するための安全で効果的な投与計画を確立することは、緊急のアンメットメディカルニーズである31,32,33。したがって、本プロトコルが確立され、ラットのCSFに直接抗生物質を注射することに焦点を当てて説明されています。ただし、神経毒性がなく、治療濃度を少量(例:ラットで最大10μL)投与できる任意の薬物の投与に使用できます。記載されている技術は、異なる脳領域を標的とし、複数回の注射を送達するように変更することもできます。
現在のプロトコルは、効率的な薬物動態と薬物のICV投与後の分布を可能にする簡単な手術と注射技術を提示します。手術には、ガイドカニューレの埋め込みが含まれます。これは、微小浸透圧ポンプ12,13,14,15,16,17の移植よりも侵襲性の低い手順であるため、これはCSFへの薬物の短期投与に適した高度なオプションである。このプロトコルは簡素化されており、手術後24時間で非常に高い生存率と安定した体重を生み出すことができ、これは既存の方法と比較して改善されています34。手術後、意識のあるラットは、手動ボーラスICV注射を受けたか、マイクロポンプを使用してピーク血漿濃度を下げるためのゆっくりとした送達を受けました。同時に、彼らはケージの中で自由に動くことができました。安全で効果的な薬物投与計画を確立するために、CSF、脳、脊髄、腎臓、血漿などのサンプルを使用して、脳室内(ICV)投与後の薬物動態と薬物分布を研究しました。薬物分布は、免疫組織化学やマトリックス支援レーザー脱離イオン化質量分析イメージング(MALDI-MSI)などを使用して、視覚的に調査することもできます。必要に応じて、両側カニューレを埋め込むことができ、例えば、そうでなければ両半球に一方的に分布する薬物を注射することができます。
すべての実験は、科学目的での動物の世話と使用に関するオーストラリアの規則に従って行われました。 実験はメルボルン大学の倫理委員会によって承認されました(アプリケーション#1914890)。実験には、8〜14週齢の雄と雌のSprague-Dawleyラットを使用しました。
1. 側方脳室カニューレ挿入のための脳定位固定術
2. ICV注射
3. CSFおよびティッシュ サンプリング
提示された外科的プロトコルは非常に成功しており、訓練を受けた外科医は>99.8%の生存率に達し、動物は0日目の手術前の体重と比較して、1日目に手術後の安定した体重を示しました(0日目の平均±SDは315.8g±42.1g、1日目±314.1g43.0g)、 図3)。
CSFを採取する前に、埋め込まれたカニューレに1.1%のEvans Blue染料を注入すると、注射?...
研究者や臨床医は、ICV注射を使用してBBBの保護メカニズムを回避し、薬物を直接CNSに送達します12,18,19,21,24。本研究は、薬物を効率的にCNSに送達し、薬物動態分析のためにCSFを抽出するための完全なICVプロトコルです。実験の開始時に、このプ?...
著者には、開示すべき利益相反はありません。
著者らは、動物の提供と世話をしてくれたメルボルン大学の生物医学科学動物施設に感謝しています。本研究は、国立衛生研究所アレルギー・感染症研究所(R01 AI146241、GR、TV)の研究助成を受けて行われました。JLは、オーストラリア国立保健医療研究評議会(NHMRC)の主任研究員です。内容は著者の責任であり、必ずしも国立アレルギー感染症研究所または国立衛生研究所の公式見解を表すものではありません。
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Acetone | Terumo, Japan | SS+01T | |
5 mL syringes | Terumo, Japan | SS+05S | |
Acetone | Merck, Germany | 67641 | |
Bench protector sheets | Halyard, USA | 2765-C | |
Betadine | Mundipharma, Netherlands | 1015695 | |
Buprenorphine; Temgesic | Clifford Hallam Healthcare, Australia | 1238366 | |
Carprofen | Zoetis, Australia | 10001132 | |
Chlorhexidine | Tasman Chemicals, Australia | 890401 | |
Chux superwipes (or equivalent) | Chux, Australia | n/a | autoclaved |
Clippers | n/a | n/a | |
Cotton swabs | LP Italiana, Italy | 112191 | autoclaved |
Dental cement powder (Vertex Self cure powder) | Henry Schein, USA | VX-SC500GVD5 | |
Dental cement solvent (Vertex Self cure liquid) | Henry Schein, USA | VX-SC250MLLQ | |
Disposable needles: 18 G, 26 G, 30 G | Terumo, Japan | NN+2525RL | |
Disposable surgical blades | Westlab, Australia | 663-255 | |
Dissector scissors | F.S.T. | 14082-09 | |
Dummy cannulas | Bio Scientific, Australia | C313DC/SPC | cut to 4.05 to fit the guide cannula |
Ethanol 80% | Merck, Australia | 10107 | |
Evan's blue dye | Sigma | E2129 - 50G | |
Eye lube | Clifford Hallam Healthcare, Australia | 2070491 | |
Felt tip pen | Sharpie, USA | D-4236 | |
Fibre optic light source | n/a | n/a | |
Flattened needle (18 G) or similar to apply superglue | n/a | n/a | |
Glass pipettes, pulled | Hirschmann Laborgeraete, Germany | 9100175 | |
Glass syringe 10 uL | Hamilton, USA | 701 LT and 1701 LT | |
Guide cannulas | Bio Scientific, Australia | C313G/SPC | 22 G, cut 4 mm below the pedestal for lateral ventricle cannulation in adult Sprague Dawley rats |
Haemostat | |||
Heat bead steriliser | Inotech, Switzerland | IS-250 | |
Heat pad | n/a | n/a | |
Hydrogen peroxide 3% | Perrigo, Australia | 11383 | |
Induction chamber (Perspex 300 mm x 200 mm) | n/a | n/a | |
Injector cannula | Bio Scientific, Australia | C313I/SPC | cut to fit the 4 mm cannula + 0.5 mm projection |
Isoflurane | Clifford Hallam Healthcare, Australia | 2093803 | |
Isoflurane vaporiser and appropriate scavenging system | n/a | n/a | |
Medium size weighing boats | n/a | n/a | |
Metal spatula | Met-App, Australia | n/a | |
Micro syringe pump | New Era, USA | NE-300 | |
Microdrill | RWD Life Science Co, China | 87001 | |
Polymyxin B | Beta Pharma, China | 86-40302 | |
Protein LoBind tubes, 0.5 mL | Eppendorf, Germany | Z666491 | |
Ropivacaine 1%; Naropin | AstraZeneca, UK | PS09634 | |
Scissors, large | F.S.T. | 14511-15 | |
Scissors, small | F.S.T. | 14079-10 | |
Screwdriver | n/a | n/a | |
Screws | Mr. Specs, Australia | n/a | |
Stereotaxic frame | RWD Life Science Co, China | n/a | Necessary components: rat ear bars, tooth bar, anaesthesia nose cone, arm with digital readout (X, Y, Z) and cannula holder |
Sterile saline 0.9% | Baxter, USA | AHB1323 | |
Super etch (37% phosphoric acid) gel | SDI Limited, Australia | 8100045 | |
Superglue | UHU, Germany | n/a | |
Tissue forceps with hooks | F.S.T. | 11027-12 | |
Tubing, PE-50 | Bio Scientific, Australia | C313CT |
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