将治疗药物直接递送至中枢神经系统是绕过血脑屏障的一种方法。本方案展示了脑室内注射技术,随后可采集脑脊液及体内器官组织,有助于在动物模型中研究药物的药代动力学和药效动力学,从而推动新疗法的开发。
将治疗药物直接递送至中枢神经系统是绕过血脑屏障的一种方法。本方案展示了脑室内注射技术,随后可采集脑脊液及体内器官组织,有助于在动物模型中研究药物的药代动力学和药效动力学,从而推动新疗法的开发。
尽管血脑屏障(BBB)可保护大脑免受外来物质侵入,但它同时也阻止了一些治疗药物进入中枢神经系统(CNS),从而难以改善疾病或感染。为绕过血脑屏障,可在动物和人类中将药物直接递送至中枢神经系统。本方案描述了一种通过脑室内给药治疗脑部感染的独特方法,即递送多粘菌素类抗生素——这类抗生素是治疗多重耐药革兰氏阴性菌的最后手段。本研究建立了一种简便的立体定位手术方案,用于在大鼠脑内植入导向套管,使其到达侧脑室。经过24小时恢复期后,可通过连接至导向套管的注射套管对大鼠进行清醒状态下的重复给药。注射可手动进行,以推注方式完成,也可使用微量注射泵实现缓慢且可控流速的输注。通过伊文思蓝染料成功验证了脑室内注射的准确性。可采集脑脊液(CSF),并收集脑组织及其他器官。该方法非常适用于中枢神经系统药物递送及相关药代动力学与药效学研究。
血脑屏障(BBB)是中枢神经系统(CNS)的关键保护机制。这一具有选择性通透性的解剖屏障将循环血液及其溶质与脑组织细胞外液分隔开来,从而阻止大多数分子进入脑组织1,2,3,4,具体是否通过取决于分子的大小、脂溶性5以及是否存在主动转运机制2。
这一保护屏障有利于有效调控复杂的大脑稳态及中枢神经系统健康4,6然而,这也使得向脑部或其他中枢神经系统疾病部位输送药物以治疗感染变得困难4,7. 除了使用多种方法破坏血脑屏障外8,9,绕过血脑屏障的主要方法是将药物直接递送至脑部,通过将其释放到脑脊液(CSF)中实现4尽管这是一种相对侵入性的操作,但已成功用于向患者和实验动物递送靶向治疗药物。在人体中,药物可被输送至脑室系统或脑脊液(CSF)中,并可通过欧马雅储液囊(Ommaya reservoir)进行采样;该储液囊位于头皮下,连接插入侧脑室的导管10,11. 类似的技术已在啮齿类等实验动物中建立,以实现相同的目标。将微型渗透泵植入小鼠体内12,13,14,15 和大鼠16,17 用于向脑室系统或脑实质进行持续药物递送。此外,在麻醉小鼠中采用一次性针头进行直接脑室内注射18,19 清醒的大鼠 通过 外科植入的导管20,21,22,23向中枢神经系统递送药物一直是增进多个领域认知的重要方法20,24,25,26,27,28.
中枢神经系统感染是迫切需要新疗法以及加深对现有抗感染治疗理解的领域之一。由多重耐药革兰阴性菌引起的中枢神经系统感染尤其令人担忧7。多粘菌素是一类日益被用作治疗这些“超级细菌”感染的最后防线抗生素29。根据当前给药指南静脉注射多粘菌素时30,其进入中枢神经系统的穿透能力非常低,而增加剂量则会提高肾毒性的风险。因此,静脉注射多粘菌素治疗中枢神经系统感染效果甚微7。建立安全有效的多粘菌素向中枢神经系统递送的给药方案是一项紧迫而尚未满足的医疗需求31,32,33。因此,本研究建立并描述了一种直接将抗生素注入大鼠脑脊液中的实验方案。然而,该方法也可用于递送任何非神经毒性药物,且能够在小体积(例如,大鼠中最多10 µL)内达到治疗浓度。所描述的技术还可进行调整,以靶向不同的脑区并实现多次注射。
本方案介绍了一种简单直接的手术与注射技术,可实现药物经脑室内(ICV)给药后的高效药代动力学及分布。该手术包括植入导向套管。由于其侵入性小于微渗透泵植入术12,13,14,15,16,17,因此适用于短期内将药物递送至脑脊液(CSF)的实验,是一种更为先进的选择。本方案经过简化,术后24小时可实现极高的存活率和稳定体重,较现有方法有所改进34。手术后,清醒大鼠接受手动推注式脑室内注射,或使用微量泵进行较缓慢的药物输注,以降低血浆峰浓度,同时动物可在笼内自由活动。为建立安全有效的药物剂量方案,随后采集脑脊液、脑组织、脊髓、肾脏、血浆等样本,用于研究药物经脑室内(ICV)给药后的药代动力学及分布情况。药物分布亦可通过可视化手段进行检测,例如免疫组织化学或基质辅助激光解吸/电离质谱成像(MALDI-MSI)。必要时可植入双侧套管,以便将原本单侧分布的药物同时注入两侧大脑半球。
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所有实验均遵循澳大利亚科学用途动物护理与使用的相关规定。 实验经墨尔本大学伦理委员会批准(申请编号 #1914890)。实验使用8至14周龄的雄性和雌性Sprague-Dawley大鼠。
1. 侧脑室插管的立体定位手术
2. 脑室内注射
3. 脑脊液和组织取样
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所介绍的手术方案非常成功,经过培训的外科医生能够达到 >99.8%的存活率,且术后第1天动物体重稳定,与术前第0天体重相比无显著变化(第0天平均体重 ± 标准差为 315.8 g ± 42.1 g,第1天为 314.1 g ± 43.0 g) 图3).
在采集脑脊液(CSF)之前,可通过植入的套管注射1.1%伊文思蓝染料,以确认注射液已送达目标位置。所采集的脑脊液将呈蓝色(图1),脑组织中的脑室系统也将呈蓝色(图2)。
该方法有助于全面研究药代动力学,可在术后不同时间点采集样本。
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研究人员和临床医生采用脑室内注射(ICV)来绕过血脑屏障(BBB)的保护机制,将药物直接递送至中枢神经系统12,18,19,21,24。本研究提供了一套完整的脑室内注射方案,用于高效地将药物递送至中枢神经系统,并采集脑脊液(CSF)以进行药代动力学分析。在实验初期、该方案首次在实验室建立时,可通过已植入的套管注射伊文思蓝染料来确认注射位点。如果使用不同品系或不同年龄的大鼠,此步骤尤为重要且必要,因为此时可能需要采用不同的定位坐标。在实验动物中另一种可选方法是注射血管紧张素II并观察动物随后的饮水行为;然而,该方法可靠性较低38。
药物引起的神经毒性可能是鞘内给药(ICV)的一个限制因素
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作者声明无利益冲突。
作者感谢墨尔本大学生物医学科学动物实验中心在实验动物提供与护理方面给予的支持。本研究获得了美国国立卫生研究院下属国家过敏与传染病研究所的研究资助(R01 AI146241,GR 和 TV)。JL 是澳大利亚国家健康与医学研究理事会(NHMRC)首席研究员。本内容仅由作者负责,不代表国家过敏与传染病研究所或美国国立卫生研究院的官方观点。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 丙酮 | Terumo, 日本 | SS+01T | |
| 5 mL 注射器 | Terumo, 日本 | SS+05S | |
| 丙酮 | Merck, 德国 | 67641 | |
| 实验台防护垫 | Halyard, 美国 | 2765-C | |
| 聚维酮碘(Betadine) | Mundipharma, 荷兰 | 1015695 | |
| 布托啡诺;Temgesic | Clifford Hallam Healthcare, 澳大利亚 | 1238366 | |
| 卡洛芬 | Zoetis, 澳大利亚 | 10001132 | |
| 氯己定 | Tasman Chemicals, 澳大利亚 | 890401 | |
| Chux 超级擦拭巾(或同等产品) | Chux, 澳大利亚 | n/a | 已高压灭菌 |
| 电动剪毛器 | n/a | n/a | |
| 棉签 | LP Italiana, 意大利 | 112191 | 已高压灭菌 |
| 牙科水泥粉末(Vertex 自固化粉末) | Henry Schein, 美国 | VX-SC500GVD5 | |
| 牙科水泥溶剂(Vertex 自固化液体) | Henry Schein, 美国 | VX-SC250MLLQ | |
| 一次性针头:18 G、26 G、30 G | Terumo, 日本 | NN+2525RL | |
| 一次性手术刀片 | Westlab, 澳大利亚 | 663-255 | |
| 解剖剪刀 | F.S.T. | 14082-09 | |
| 假性套管(Dummy cannulas) | Bio Scientific, 澳大利亚 | C313DC/SPC | 剪裁至 4.05 mm 以适配导向套管 |
| 80% 乙醇 | Merck, 澳大利亚 | 10107 | |
| 伊文思蓝染料 | Sigma | E2129 - 50G | |
| 眼用润滑膏 | Clifford Hallam Healthcare, 澳大利亚 | 2070491 | |
| 记号笔 | Sharpie, 美国 | D-4236 | |
| 光纤光源 | n/a | n/a | |
| 扁平针头(18 G)或类似工具用于涂抹速干胶 | n/a | n/a | |
| 拉制玻璃微量移液管 | Hirschmann Laborgeraete, 德国 | 9100175 | |
| 10 µL 玻璃注射器 | Hamilton, 美国 | 701 LT 和 1701 LT | |
| 导向套管 | Bio Scientific, 澳大利亚 | C313G/SPC | 22 G,成年 Sprague Dawley 大鼠侧脑室插管时,从基座下方剪短 4 mm |
| 止血钳 | |||
| 热珠灭菌器 | Inotech, 瑞士 | IS-250 | |
| 加热垫 | n/a | n/a | |
| 3% 过氧化氢 | Perrigo, 澳大利亚 | 11383 | |
| 诱导室(有机玻璃,300 mm × 200 mm) | n/a | n/a | |
| 注射套管 | Bio Scientific, 澳大利亚 | C313I/SPC | 剪裁至适配 4 mm 套管并延伸 0.5 mm |
| 异氟烷 | Clifford Hallam Healthcare, 澳大利亚 | 2093803 | |
| 异氟烷挥发罐及配套废气清除系统 | n/a | n/a | |
| 中号称量舟 | n/a | n/a | |
| 金属刮刀 | Met-App, 澳大利亚 | n/a | |
| 微量注射泵 | New Era, 美国 | NE-300 | |
| 微型钻机 | RWD Life Science Co, 中国 | 87001 | |
| 多粘菌素 B | Beta Pharma, 中国 | 86-40302 | |
| 蛋白低吸附管,0.5 mL | Eppendorf, 德国 | Z666491 | |
| 1% 罗哌卡因;Naropin | AstraZeneca, 英国 | PS09634 | |
| 大剪刀 | F.S.T. | 14511-15 | |
| 小剪刀 | F.S.T. | 14079-10 | |
| 螺丝刀 | n/a | n/a | |
| 螺钉 | Mr. Specs, 澳大利亚 | n/a | |
| 立体定位仪 | RWD Life Science Co, 中国 | n/a | 必要组件:大鼠耳杆、门齿固定杆、麻醉鼻罩、带数字显示(X、Y、Z)的机械臂及套管固定夹 |
| 无菌生理盐水 0.9% | Baxter, 美国 | AHB1323 | |
| Super etch(37% 磷酸)凝胶 | SDI Limited, 澳大利亚 | 8100045 | |
| 速干胶 | UHU, 德国 | n/a | |
| 带钩组织镊 | F.S.T. | 11027-12 | |
| PE-50 导管 | Bio Scientific, 澳大利亚 | C313CT |
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