本文介绍了一种微移液管引导的药物给药方法(MDA),作为口服灌胃的替代方案。该方法可促使实验动物主动摄入药物,显著减少应激与不适。
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本文介绍了一种微移液管引导的药物给药方法(MDA),作为口服灌胃的替代方案。该方法可促使实验动物主动摄入药物,显著减少应激与不适。
使用连接注射器的套管进行口服灌胃(OG)是将化合物精确剂量递送至实验动物胃部的常用方法之一。然而,该方法对操作者和实验动物均存在操作困难。研究表明,OG 可能导致食管炎、食管穿孔以及药物误入气管等并发症。此外,OG 还与血浆和粪便中皮质酮水平升高(由于应激)、血压改变以及心率加快相关,这些因素可能对研究结果产生负面影响或引入偏倚。此前开发的一种替代方法称为微量移液引导给药(MDA),可促使动物主动摄取治疗药物,实现微创给药。本文展示了 MDA 技术在不同溶剂中重构的治疗药物中的应用实例,并证实该方法可有效将多种治疗药物递送至不同品系的小鼠。我们进一步证明,MDA 是一种可缩短给药时间、降低侵入性的技术,且通过核心肠道微生物物种的定量分析评估,该方法不会影响肠道微生物组的组成。总体而言,MDA 可能是比 OG 更低应激且有效的替代方案。
在啮齿类动物模型中,药物给药通常通过口服灌胃(OG)实现,该方法使用连接在含有药液的注射器上的套管,将液体制剂直接送入动物胃内。该技术能够向动物提供稳定且精确的给药剂量,但也存在多种缺点。口服灌胃因无法充分模拟人类的膳食暴露方式而受到质疑1,2。此外,口服灌胃会增加上消化道意外损伤(如食管和胃穿孔)、药物误吸以及呼吸道病变的风险3。该方法还与动物不适4、血压和心率升高5,以及应激反应6,7相关,有时甚至因动物对灌胃耐受性降低而导致死亡8。这些生理变化可能干扰或混淆实验结果;因此,研究人员已探索新的给药方法以避免这些不良反应。已有研究采用多种替代口服灌胃的方法,例如使用明胶作为药物载体9、口服速溶膜(ODS)10、蔗糖包被的灌胃针11、柔性饲管、小麦饼干12、蜂蜜13和花生酱药丸14。然而,这些对口服灌胃技术的改良仍存在局限性,包括与水不溶性药物不相容、药物制备时间延长15、药物适口性和稳定性问题15,以及动物对食物载体产生习惯化。此外,当动物自由摄食时,可能存在给药剂量不够精确的风险。
Scarborough 等人7此前开发了一种小鼠的替代性口服给药方法,称为微量移液器引导给药法(micropipette-guided drug administration, MDA)。该给药方法以甜炼乳溶液作为药理物质的载体,通过单通道移液器和移液器吸头递送溶液,促使实验动物 readily 摄入配制好的载体和/或药物溶液。在实施该技术前,啮齿类动物需经历一个训练阶段(至少2天),以缩短操作时间,并使实验动物熟悉从移液器吸头中饮水的过程4。Scarborough 等人7和 Schalbetter 等人16的初步验证研究表明,MDA 操作简便、成本效益高、侵入性小,且相较于传统的口服灌胃(OG)方法,对动物造成的应激更小。Scarborough 等人首次将 MDA 技术应用于母体免疫激活(maternal immune activation, MIA)所致神经发育障碍的小鼠模型中7。该研究显示,采用 MDA 给予抗精神病药物利培酮的小鼠,其药代动力学特征与使用 OG 方法相当。此外,MDA 未引起小鼠皮质酮(一种应激激素)水平的升高,且通过 MDA 技术进行利培酮的慢性治疗,可剂量依赖性地改善 MIA 所致的社会交互缺陷和安非他明超敏反应7。其他研究也已在小鼠17和大鼠18模型中探讨了 MDA 与 OG 的疗效比较。MDA 还曾与腹腔注射进行对比,结果表明其在向小鼠递送氯氮平-N-氧化物(clozapine-N-oxide)方面具有同等有效性16。鉴于 MDA 在降低动物应激水平和治疗效果方面的已有成功报道,我们现拟进一步探索 MDA 技术作为药物递送有效手段在更多小鼠模型中的应用。本文中,我们描述了 MDA 方法在不同小鼠品系中的实施过程,包括免疫功能正常的 FVB/NJ 和 C57BL/6J 品系,以及免疫缺陷型 NOD.Cg-Prkdcscid Il2rgtm1Wjl/SzJ(NSG)品系,并采用多种口服处理方式,包括活菌、溶于水不溶性溶液(玉米油)中的实验化合物以及载体对照。我们检测了不同处理在血清和粪便中的活性与存在情况,并评估了 MDA 方法对核心肠道菌群组成的影响。
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所有动物实验均按照机构指南进行,并在约翰斯·霍普金斯大学机构动物护理和使用委员会(IACUC)批准的方案 M021M197 和 M023M195 下实施。所使用的实验小鼠品系(雄性小鼠,7 周龄)详见于下文 材料表使用雄性小鼠是因其在前列腺癌的持续研究中的应用。此前已有研究表明,MDA 方法在雌性小鼠中同样有效。7,17小鼠被随机分配至各自的笼具/处理组。小鼠在笼内接受处理,处理顺序无特定规律。实施处理的实验人员对处理分组情况设盲。分配给小鼠的编号代表其个体标识号,而非处理顺序。研究全程收集数据,并在研究结束时进行分析,以避免任何偏倚。在所有数据收集完成前,实验检测均对处理分组设盲。
注意:本方案已根据 Scarborough 等人的研究进行了修改7。
1. 处理液的制备
2. MDA 培训课程
注意:本节描述的是小鼠模型;然而,MDA 技术可根据需要使用更大体积/移液器吸头,以适用于更大的啮齿类动物模型。
3. 使用 MDA 方法对小鼠进行处理
4. 验证实验 #1 —— 使用 MDA 口服递送肠道细菌至小鼠
注意:本节介绍使用 MDA 方法将活菌经口递送,用于小鼠肠道定植研究。在此代表性预实验中,将革兰氏阳性菌 Clostridium scindens 递送至 C57BL/6J 小鼠。在通过 MDA 进行细菌接种前,小鼠在饮水中连续两天接受抗生素(头孢西丁)处理。
5. 验证实验 #2 — 使用 MDA 向小鼠递送实验性药物
注意:本节描述了使用微透析(MDA)方法向小鼠递送实验化合物的过程。在此具有代表性的初步实验中,大豆代谢物雌马酚(S-雌马酚)被递送至NSG和FVB/NJ小鼠体内。
6. 测定MDA治疗对核心肠道微生物群的影响
注意:本部分介绍使用qPCR检测MDA处理后核心肠道微生物群的水平。
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MDA 可用于在小鼠模型中口服递送细菌菌株。在开始 MDA 训练前,C57BL/6J 小鼠接受抗生素处理(饮水中添加头孢西丁)2 天,以清除共生微生物群。在给药前连续 3 天每天给予一次加糖炼乳/水溶液。在 MDA 处理期间,小鼠通过轻柔抓握颈部皮肤短暂固定。第 4 天,小鼠接受一次 PBS 处理(阴性对照,n = 4)或厌氧培养的 C. scindens(desA+ 细菌,n = 4),该菌株此前已重悬于加糖炼乳/水溶液中。所有小鼠通常在数秒内完成摄取,并饮尽全部剂量(100 µL)。为验证厌氧细菌的递送及定植情况,我们比较了抗生素处理后采集的粪便样本与 PBS 或 C. scindens 处理后 24 小时采集的粪便样本(图 1)。提取粪便 DNA,定量并归一化至 10 ng/µL,随后使用 C. scindens ATCC 35704 desA 基因特异性引物进行 qPCR 检测(Table 1)。我们观察到,经抗生素处理的小鼠粪便中 desA+ 细菌...
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口服给药(OG)可能对实验动物造成显著的应激反应,从而引入混杂变量,这一点已在多项研究中得到评估7,9,11,12,13,14,15,23。由于OG具有侵入性,研究人员已采用其他替代技术以尽量减少与OG相关的问题9,10,12,13,...
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我们感谢美国国防部前列腺癌研究计划(W81XWH-20-1-0274)和前列腺癌基金会挑战奖(16CHAL13)提供的研究支持。我们谨向约翰斯·霍普金斯大学分析药理学共享资源平台的 Michelle Rudek 博士、Noushin Rastkari 博士、Nicole Anders 博士以及 Linping Xu 致以诚挚谢意,感谢他们在槐黄素 LC/MS/MS 检测方面提供的协助。
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| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 200 µL 移液器吸头 | Mettler Toledo | 17005860 | |
| AB SCIEX Triple QTRAP 5500 质谱检测器 | Sciex | N/A | |
| Akkermansia muciniphila 菌株 muc 基因组 DNA | 美国模式培养物集存库 | BAA-835D-5 | |
| 乙酸铵 | Sigma–Aldrich | 5.43834 | |
| C57BL/6J 小鼠 | Jackson 实验室 | 品系# 000664 | |
| C. scindens 菌株 35704 | 美国模式培养物集存库 | 35704 | |
| 头孢西丁 | Sagent | NDC25021-109-10 | |
| 玉米油 | MedChemExpress | HY-Y1888 | |
| DMSO | Sigma-Aldrich | D2650 | |
| 乙醇 | 菲舍尔科技 | AC611050040 | |
| 甲酸 | Sigma–Aldrich | 5.33002 | |
| FVB/NJ 小鼠 | Jackson 实验室 | 品系# 001800 | |
| 甘油 | Sigma–Aldrich | G5516 | |
| 己烷 | 菲舍尔科技 | 02-002-996 | |
| LC-MS 级水 | 菲舍尔科技 | 14-650-357 | |
| 甲醇 | 菲舍尔科技 | 02-003-340 | |
| 微量采血管(含血清分离胶) | 贝克顿·迪金森 | 02-675-185 | |
| 分子生物学级水 | 康宁 | 46-000-CI | |
| NSG 小鼠 | Jackson 实验室 | 品系# 005557 | |
| PBS | 康宁 | 21-031-CV | |
| Qubit DNA HS 试剂盒 | Invitrogen | Q32851 | |
| 外消旋 equol-d4 | Santa Cruz 生物技术 | sc-219827 | |
| 强化梭菌琼脂 | Anaerobe Systems | AS-6061 | |
| 强化梭菌肉汤 | Anaerobe Systems | AS-606 | |
| S-equol | MedChemExpress | HY-100583 | |
| 用于 LC-MS 的 S-equol 参考标准品 | Cayman Chemical | 10010173 | |
| 单通道移液器 | Rainin | 17008652 | |
| 唾液链球菌基因组 DNA | 美国模式培养物集存库 | BAA-1024D-5 | |
| 加糖炼乳 | California Farms | B09TGQ7WV8 | |
| VSL#3 | VSL#3 | B07WX1LVHL | |
| β-葡萄糖醛酸酶(来源于 Helix pomatia) | Sigma–Aldrich | G7017 |
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