通过对流增强的传递将抗体输送到毛里脑
2019年7月18日
对流增强输送(CED)是一种通过直接灌注大量组织,使治疗药物有效输送到大脑的方法。该过程需要使用导管和优化的注射程序。该协议描述了一种将抗体送入小鼠大脑的CED方法。
该协议可用于使用步进导管系统对小啮齿动物进行对流增强传递，用于可调节的目标大脑区域的可调均匀灌注。对流增强的输送的优点是，它允许物质在绕过血脑屏障时进入感兴趣区域，而几乎没有组织损伤或回流。这种技术主要用于将抗体等治疗性物质输送到大脑。
因此，可用于针对许多神经系统疾病。演示这个程序将是米哈尔·贝芬格，一个来自我实验室的博士后。首先切割一块内径为 0.1 毫米、壁厚为 0.325 毫米的熔融石英毛细管，长度为 30 毫米。
检查管材有无裂纹后，使用微叉加热抛光两端，以确保管开口表面光滑。接下来，将 27 量针安装到 10 微升注射器上，将注射器放在立体定向机器人中。使用机器人将注射器移动到坚硬的表面上，然后用针尖触摸表面。
注意到此位置后，提升针头，使融合的石英毛细管放置在针头内，使 20 毫米的毛细管从针头伸出。使用移液器将两个微升高粘度氰丙烯酸酯粘合剂均匀地铺在毛细管上，从金属针开始，在毛细管下端上方完成十毫米。使用立体定向机器人降低金属针，直到针尖在参考表面上一毫米，以固定金属针中熔融的石英毛细管，形成从金属针尖一毫米步。
去除金属针端形成的任何多余的胶水，以避免插入导管步骤。在显微镜下检查尖端，确认所有多余的胶水都已去除。然后等待 15 分钟，让胶水硬化，然后用导管从机器人上取出注射器。
对于步进导管测试，将凝固的0.6%的阿加罗斯凝胶切成20微20毫米块，并手动填充步进导管注射器与10微升过滤的0.4%trypan蓝色溶液。使用立体定向机器人，以每分钟 0.2 微升的速度分配一微升染料，以评估导管在固定过程中步骤的密封性。尝试蓝色溶液应仅在导管尖端可见。
用纸纸巾擦去染料，在立体定向机器人中放置一个阿加罗斯块。校准机器人说，导管的尖端被引用在阿加罗斯块的表面。根据具体的实验计划设置注射量的比例序列。
要将溶液注入 murine caudate putamen 中，请将注射设置为 1 毫米正面和 3.5 毫米深度的布雷格玛位置的 1 毫米到 2 毫米的横向。当针头就位时，启动对流增强的输送程序，将五微升的 trypan 蓝色溶液注入阿加罗斯块。评估红油中锥形蓝云的形状以及导管区域的潜在泄漏。
金属针尖上没有大回流应可见。注射后，将导管留在到位两分钟，然后以每分钟一毫米的速度收回针头，以确保液体适当分散到大脑中，并在去除过程中密封注射区。将新的 agarose 块放入机器人中，然后以每分钟 0.2 微升的速度开始第二次喷射一微升，以评估 agarose 内导管的堵塞情况。
注射开始后，锥形蓝色应立即从导管尖端再次形成云。然后评估注射器中的剩余体积是否对应于 3 微升，因为任何变化可能表明液体通过导管安装或注射器柱塞泄漏。用于将抗体注射到鼠皮线状体中确认对麻醉小鼠的皮肤捏合缺乏反应，并用修剪器剃光头部。
用浸在碘溶液中的棉签消毒皮肤。使用手术刀在眼睛水平上沿着颅中线精加工 10 毫米的皮肤切口。使用鼻夹和耳杆将鼠标固定在立体形图框架中，注意头骨表面水平且安全。
将注射器放在立体定向机器人中，并在参考点上将钻头与导管尖端同步。使用钳子缩回皮肤，并在头骨表面进行局部化。使用钻头在软件中参考啤酒，将钻头移动到一毫米正面和两毫米横向从钻头位置。
钻一个毛刺孔，注意不要损坏杜拉母体，然后将注射器移过毛刺孔。从注射器中分配 0.5 至一微升，以确保导管中没有气泡。如所证明，开始对流增强传递，观察头骨表面是否有来自注射点的任何液体回流痕迹。
在输送和导管拆卸结束时，以每分钟 0.2 微升的速度启动喷射泵，以检查喷射过程中导管堵塞的证据。如果未出现堵塞，应立即观察到来自导管尖端的注射液滴。在这张图像中，使用对流增强导管以每分钟 0.5 微升的速度注入一微升染料后形成的锥形蓝色云，在导管步骤开始时看不到沿针道的回流。
分散的云形成了所需的球形。然而，在这张照片中，使用钝端针，可以观察到显著的回流。值得注意的是，与传统注射相比，对流增强的输送能够以统一和更少的组织损伤方式将大量体积灌入穆林脑中。
在这两种类型的输送中，抗体和二分位粒子在语料库上都有典型的分布特征。然而，注射抗体的分散性特征比在对流增强传递后观察到的高分子量二分量更分散，这体现了不同不解物之间分布的差异。由于导管在脑输液过程中可能会堵塞，因此在缓慢分配少量灌注液后立即检查导管非常重要。
这个过程可以作为一种向大脑提供药理活性化合物的方法，随后应密切监测疾病症状和预期的副作用。该技术能够注入精确的大脑区域与治疗，包括抗体，为中枢神经系统靶向疗法的发展开辟了新的可能性。
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概述
本研究调查了对脑内有效治疗物质递送的对流增强递送（CED），特别是在小鼠模型中利用抗体递送。该方法可以绕过血脑屏障，同时最大程度地减少组织损伤。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 治疗物质递送
- 神经技术
背景
- 对流增强递送允许直接灌注到目标脑区。
- 这种技术对于递送抗体等治疗物质有优势。
- 绕过血脑屏障可以增强神经系统疾病的靶向治疗。
- 需要导管系统和优化的注射方案。
研究目的
- 优化针对小鼠脑的抗体CED方法。
- 展示这种先进递送技术的执行。
- 评估潜在泄漏并确认成功递送。
使用的方法
- 在小型啮齿动物中使用步进导管系统。
- 用于研究治疗物质对流增强递送的小鼠模型。
- 关键步骤包括导管准备、定位和注射技术。
- 使用特拉蓝评估递送效率，并监测回流和堵塞情况。
主要结果
- 该方法确保了靶向递送，最小化回流并在脑中获得最佳分散。
- 通过特拉蓝云的形状直观地确认了注射效果。
- 未观察到明显泄漏，验证了手术过程中导管密封的保存。
结论
- 该研究展示了一种用于神经学研究中治疗物质递送的有效CED方法。
- 这种技术可以增强各种神经系统疾病的治疗干预。
- 其含义包括有针对性的药物递送方法的进展。
常见问题
Executive Industry Relevance
Convection-enhanced delivery (CED) enables targeted perfusion of therapeutic antibodies into the murine brain by bypassing the blood-brain barrier, addressing a critical challenge in CNS drug development. This technique supports mechanistic de-risking by allowing precise regional delivery with minimal tissue damage, facilitating evaluation of target engagement and pharmacological activity in disease-relevant brain regions. CED provides a reproducible platform for preclinical assessment of biologics, improving predictive confidence in lead identification and portfolio prioritization for neurological indications.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by delivering antibodies directly to defined brain regions such as the caudate putamen.
- Operational Value: Supports functional target validation through controlled infusion of therapeutic agents with measurable dispersion patterns.
- Predictive Value: Reduces mechanistic ambiguity in target engagement studies by confirming delivery to sites of action.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates quantitative readouts via visual assessment of infusate dispersion (e.g., trypan blue cloud shape) to evaluate catheter performance and sealing integrity.
- Operational Value: Standardizes delivery parameters through step catheter design and ramping injection protocols, enhancing reproducibility across experiments.
- Assay Readiness: Enables preparation of validated biological systems for downstream evaluation of antibody distribution and potential off-target effects.
Translational & Preclinical Research
- Disease Relevance: Models delivery of antibodies to striatum-associated circuits, supporting preclinical evaluation for neurological conditions involving motor or cognitive dysfunction.
- Translational Continuity: Bridges discovery and preclinical stages by providing a scalable method for regional brain perfusion applicable to various therapeutic modalities.
- Risk-Adjusted Advancement: Informs go/no-go decisions by confirming delivery fidelity and identifying risks such as catheter clogging or backflow prior to efficacy studies.
Pipeline & Workflow Integration
CED integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification to preclinical evaluation, enabling consistent delivery of antibodies and other biologics to the brain.
- Discovery Biology: Facilitates hypothesis testing by allowing controlled delivery of antibodies to interrogate pathway modulation in specific brain nuclei.
- Screening: Delivers assay-ready biological systems with uniform perfusion, supporting reliable compound or antibody evaluation in vivo.
- Analytics: Provides quantitative and qualitative outputs including dispersion profiles, backflow assessment, and catheter patency checks to compare delivery conditions.
- Translational Research: Supports continuity to preclinical validation by enabling repeated, standardized delivery of therapeutics to disease-relevant brain regions.
- Enterprise Reuse: Establishes a reusable catheter-based platform adaptable to various infusates (antibodies, chemotherapeutics, viral particles) and infusion volumes.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in target validation by confirming delivery of therapeutics to the brain parenchyma with minimal reflux.
- Operational Value: Improves standardization and scalability through defined catheter preparation, stereotactic positioning, and programmable infusion protocols.
- Strategic Value: Supports better go/no-go decisions by reducing late-stage biological risk associated with inadequate CNS exposure.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of antibody candidates based on demonstrated delivery capability to target brain regions.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microsurgery, stereotactic navigation, and catheter fabrication using fused silica and adhesive bonding techniques.
- Depends on precision instrumentation including stereotactic robots, microforges, and programmable infusion pumps for consistent catheter placement and flow control.
- Necessitates cross-team standardization of catheter testing procedures (e.g., trypan blue dispersion in agarose) to ensure sealing integrity and prevent clogging.
- Involves adaptation considerations across model systems, including adjustments to catheter length, infusion volume, and target coordinates based on brain size and anatomy.
- Includes practical limitations such as potential catheter clogging during infusion, requiring post-delivery patency checks via slow infusate dispensing.
