Bau-und Implantation eines Mikroinfusion System für Nachhaltige Lieferung von Neuroactive Agents.
17. März 2008
Als neurowissenschaftliche Untersuchung wird immer anspruchsvoller, die Untersuchung von Hirnstrukturen und-Schaltung erfordert eine verbesserte Genauigkeit und eine höhere Auflösung. Wir haben ein Verfahren zur Herstellung und Implantation einer chronischen Infusion System im Gehirn unter Verwendung einer Borosilikat Mikrokanüle mit einer Spitze Durchmesser von 50 Mikrometer entwickelt.
Hallo, mein Name ist Miles Cunningham. Gemeinsam mit Ryan O'Connor und Sydney Wong demonstrieren wir den Aufbau eines Mikroinfusionssystems zur kontinuierlichen Verabreichung von neuroaktiven Wirkstoffen. Diese Arbeit wurde im Labor für Neurorekonstruktion am McLean Hospital der Harvard Medical School durchgeführt.
Wir danken der Sydney rbe Foundation und Narsad für ihre großzügige Unterstützung. Wir haben festgestellt, dass neuroaktive Wirkstoffe durch eine gezogene Mikrokanüle aus Bo-Silikatglas mit einem Spitzendurchmesser, der fünf- bis zehnmal kleiner ist als bei herkömmlichen Einführkanülen, zuverlässig an diskrete Gehirnstellen abgegeben werden können. Auf dieser Folie zeigen wir eine häufig verwendete Infusionskanüle aus Edelstahl neben einer Mikrokanüle, die wir hier in diesem Labor hergestellt haben.
Diese Verkleinerung der Einführkanüle führt zu einer drastischen Verringerung des Traumas in der untersuchten Gehirnregion. Viele konventionelle Methoden führen in der Tat zu einer Läsion innerhalb des interessierenden Bereichs, was die Gültigkeit eines Ergebnisses in Frage stellt. Sie können hier in Panel A sehen, wie stark eine 0,32-Millimeter-Kanüle den lokalen Bereich im Vergleich zu einer 50-Mikron-Kanüle in Panel B stört. Diese Fotos mit geringer Vergrößerung zeigen nasse Halterungen von ungefärbten Vibram-Schnitten.
Dieselben Abschnitte wurden dann mit h und e gefärbt und mit höherer Vergrößerung abgebildet. Um die Reduzierung von Gewebeschäden mit der Mikrokanüle weiter zu verdeutlichen, besteht bei den Komponenten des Mikroinfusionssystems eine zet mini Osmo-Pumpe mit ihrem Durchflussmodulator aus Edelstahl, bei dem der Flansch entfernt wurde. Zwei bis drei Zentimeter Polyethylenschlauch, eine speziell angefertigte BOA-Silikat-Mikrokanüle und ein 28-Gauge-Führungsdraht, und das ist das montierte Mikroinfusionssystem, das zur Implantation bereit ist.
Hier wird eine Standard-Vertikalpipette polar verwendet, um Mikrokanülen mit den gewünschten Spezifikationen herzustellen. Auch horizontale Polungen sind geeignet. Der Bora-Silikatschlauch wird durch Variation der Temperatur des Heizelements und der Spannung des Mastes positioniert und gesichert.
Sie können Mikrokanülen mit spezifischen Durchmessern und langen, sich verjüngenden Schaftgliedern zuverlässig reproduzieren. Der Bora-Silica-Schlauch wird erhitzt und mit sanftem Druck die gewünschte Biegung des Schlauchs reduziert. Diese Biegung wird in einem Abstand von der Spitze der Mikrokanüle vorgenommen, der für die Tiefe des interessierenden Gehirnziels geeignet ist und einen Freiraum über dem Schädel ermöglicht.
Die endgültige Länge dieses distalen Mikrokanülenrohrs, die Biegung, beträgt etwa neun bis 10 Millimeter. Anscheinend nicht zufrieden mit seinem Ergebnis. Ryan setzt die Mikrokanüle wieder ein, um dort eine Feinjustierung vorzunehmen und den Biegewinkel zu perfektionieren.
Viel besser geht das mit einem Diamantstift. Sydney demonstriert ein Verfahren zum Schneiden des Borsilikatschlauchs etwa fünf Millimeter proximal der Biegung, wobei der Schlauch fest auf einer harten Oberfläche gehalten wird, wobei der distale Teil der Mikrokanüle frei über den Rand hängen kann. Sie ritzt den Schlauch umlaufend ein.
Dann rastet sie mit sanftem Druck den Schlauch sauber an der eingekerbten Schnittstelle ein. Die feine transparente Spitze der Kanüle kann dann mit permanenter Tinte eingefärbt werden, um die Visualisierung zu erleichtern. Bei der Operation unter Vergrößerung wird die Spitze der Mikrokanüle mit einer Mikrodissektionsschere auf den gewünschten Durchmesser geschnitten.
Der Spitzendurchmesser kann mit einem Okular oder einem Mikroskop bestätigt werden. Radikale Ausrichtungsdrähte werden aus 28 Gauge Edelstahldraht hergestellt, der in etwa drei Zentimeter Länge geschnitten wird. Mit einer Pinzette wird dann am Ende jedes Drahtes ein kleiner Haken mit einem Durchmesser von etwa zwei Millimetern hergestellt.
Die Justierdrähte werden zusammen mit zwei bis drei Zentimeter langen Polyethylenschläuchen in den Mikrokanülen in eine Petrischale gelegt. Das Mikroinfusionssystem kann mit Instrumenten aufgebaut werden, die in den meisten Laboratorien üblich sind. Mikrozangen, konventionelle Pinzetten, chirurgische Scheren und Hämostaten werden zur Sterilisation in ein chirurgisches Abdecktuch gelegt.
Die Instrumente, die Komponenten des Mikroinfusionssystems sowie mehrere Blätter Aluminiumfolie werden mit einem Standard-Autoklaven sterilisiert. Der Durchflussmodulator wird vorsichtig aus der Verpackung genommen und in eine sterile Petrischale gegeben. Er wird mit Hämostaten sicher gehalten und der Kunststoffflansch mit einer Schere vom Modulatorrohr aus Edelstahl entfernt.
Die Mini-Osmosepumpe wird ebenfalls aus der Verpackung genommen und in die sterile Petrischale gelegt. Der Edelstahlschlauch wird etwa zwei bis drei Millimeter in den Polyethylenschlauch eingeführt und mit lichtaktiviertem Epoxidharz miteinander abgedichtet. Wir verwenden Lummi bond aus meinem Neurallabor für filigrane Arbeiten, wir füllen eine Ein-CC-Spritze mit Lummi bond und verwenden eine 27-Gauge-Nadel als Applikator, die Lumon unter hellem Licht in nur wenigen Sekunden aushärtet.
Die Befüllung der Mini-Osmosepumpe erfolgt durch aufrechtes Halten und vorsichtiges Einspritzen mit der vom Hersteller bereitgestellten Füllnadel. Wir empfehlen, das Flüssigkeitsvolumen, das in die Pumpe eingespritzt wird, zu beobachten und/oder die Pumpe vor und nach dem Befüllen zu wiegen, um sicherzustellen, dass die Pumpe vollständig gefüllt und nicht defekt ist. Beachten Sie, dass wir die Wiederverwendung von Pumpen nicht empfehlen.
Der volle Modulator mit dem daran befestigten Polyethylenschlauch wird dann in die Mini-Osmosepumpe eingeführt. Die Flüssigkeit in der Pumpe wird beim Einsetzen des Schaummodulators in den Polyethylenschlauch gedrückt. Der anfängliche Abstand von Polyethylenschläuchen, die mit der Flüssigkeit gefüllt sind, wird notiert und sollte beobachtet werden, dass er sich nach Aktivierung der Pumpe mit Inkubation und steriler Kochsalzlösung bei 39 Grad Celsius nach 12-stündiger Inkubation erhöht.
Die aktivierte Mini-Osmosepumpe ist in sterile Kochsalzlösung getaucht, die eine luftfreie Umgebung für die letzten Schritte beim Bau des Mikroinfusionssystems bietet. Eine Spritze, die mit einem Kunststoffschlauch mit kleiner Stärke versehen und mit der gleichen Lösung gefüllt ist, die von der Pumpe enthalten ist, wird verwendet, um Luft aus dem ungefüllten Teil des Polyethylenschlauchs zu verdrängen. Beachten Sie, dass die Luft in der Mikrokanüle verdrängt werden sollte.
In ähnlicher Weise kann das distale Ende des Polyethylenschlauchs eine gewisse Dilatation mit einer Mikrozange erfordern, und das proximale Ende der Mikrokanüle wird dann eingeführt. Das gesamte System ist nun luft- und totraumfrei und kann aus dem Salzbad entnommen und mit steriler Ursache trocken gekauft werden. Die Luma-Bindung wird dann aufgebracht, um die Mikrokanüle an den Polyethylenschlauch zu befestigen Um die Durchflussrate der Mini-Osmosepumpe zu verringern Um etwa die Hälfte wird steriles heißes Paraffin in eine kleine Petrischale gegossen und die proximale Hälfte der Mini-Osmosepumpe kurz untergetaucht.
Überschüssiges Paraffin wird getupft und das Mikroinfusionssystem wird wieder in sterile Kochsalzlösung gelegt und bis zur Operation gelagert. Kurz vor der chirurgischen Implantation. Der Führungsdraht wird an der Biegung in der Mikrokanüle befestigt.
Die Längsachse des Führungsdrahtes ist auf den Teil der Mikrokanüle ausgerichtet, der in das Hirngewebe eintritt und mit Lumon fixiert wird. In dieser Position. Das Mikroinfusionssystem kann dann auf einem stereotaktischen Instrumentenmanipulator positioniert werden.
Der Führungsdraht wird mit einer Manipulatorarmklemme gesichert und die Pumpe von oben mit einer Schlaufe aus sterilem Naht angebunden. Dies stützt das Gewicht und ermöglicht es, die Mikrokanüle durch vorsichtiges Biegen des Führungsdrahts mit einer Pinzette perfekt senkrecht zur Schädeloberfläche auszurichten, das Mikroinfusionssystem kann dann mit einem stereotaktischen Standardverfahren implantiert werden. Der Boel-Schlauch wird mit Klebstoff an der Schädeloberfläche befestigt.
Wir verwenden die Matte Jaron, um einen flachen Sockel zu formen. Der überschüssige Führungsdraht, der über die Vorbereitung hinausragt, wird dann bündig mit der Oberfläche des Sockels geschnitten. Mit Hilfe einer Schneidscheibe, die an einem Hochgeschwindigkeitsbohrer befestigt ist, kann die Mini-Osmosepumpe dann subkutan zwischen dem Tierraum platziert werden.
Die derzeitige Methode bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen Techniken. Es kann individuell angefertigt werden, um der Art und dem Alter des Versuchstierens gerecht zu werden. Der Silica-Schlauch kann so geformt werden, dass er sich der Oberfläche des Tierschädels anpasst.
Da eine sichere Fixierung mit niedrigem Profil möglich ist und kein großer Schädelsockel erforderlich ist, kann die Operationswunde leicht über dem stromlinienförmigen Mikroinfusionssockel verschlossen werden, wodurch das Infektionsrisiko sowie die Unannehmlichkeiten für das Tier reduziert werden, und die Befestigung des Systems am Schädel erfordert weniger Oberfläche. Daher können zusätzliche oder nachfolgende Eingriffe ohne Beeinträchtigung von einem größeren Sockel aus durchgeführt werden. Am wichtigsten ist jedoch, dass diese Methode die Invasivität und das Trauma für die lokale Umgebung der Infusionsstelle reduziert und somit den Beobachtereffekt minimiert
.Das sind die Veränderungen, die das aktive Beobachten an dem beobachteten Phänomen vornehmen wird.
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Übersicht
In diesem Artikel wird eine Methode zur Herstellung und Implantation eines chronischen Infusionssystems im Gehirn vorgestellt. Mithilfe einer Mikrokannüle aus Borosilikat mit einem Nadelspitzen-Durchmesser von 50 Mikrometern ermöglicht diese Technik eine verbesserte Genauigkeit bei der Applikation neuroaktiver Substanzen.
Wesentliche Studienkomponenten
Bereich der Wissenschaft
- Neurowissenschaften
- Neuroengineering
- Neuropharmakologie
Hintergrund
- Fortschritte in der Neurowissenschaft erfordern präzise Methoden zur Untersuchung der Gehirnstruktur.
- Herkömmliche Abgabesysteme verfügen möglicherweise nicht über die notwendige Auflösung.
- Mikroinfusionssysteme können die Abgabe von neuroaktiven Substanzen verbessern.
- Die Forschung wurde am McLean Hospital, Harvard Medical School, durchgeführt.
Zweck der Studie
- Aufbau eines Mikroinfusionssystems demonstrieren.
- Kontinuierliche Zufuhr von neuroaktiven Substanzen zu spezifischen Hirnarealen ermöglichen.
- Genauigkeit der Applikation neuroaktiver Substanzen verbessern.
Verwendete Methoden
- Herstellung einer Mikrokanüle aus Borosilikatglas.
- Vergleich der Mikrokanüle mit herkömmlichen Infusionskanülen aus rostfreiem Stahl.
- Chronische Implantationstechniken zur dauerhaften Applikation.
- Unterstützung durch die Sydney rbe Foundation und Narsad.
Hauptergebnisse
- Microkanülen weisen einen Nadeldurchmesser auf, der 5 bis 10-mal kleiner ist als der herkömmlicher Kanülen.
- Zuverlässige Applikation neuroaktiver Substanzen an definierte Hirnareale wurde nachgewiesen.
- Erhöhte Präzision bei der Verabreichung neuroaktiver Substanzen.
- Möglichkeit verbesserte Ergebnisse in der Neurowissenschaftsforschung zu erzielen.
Schlussfolgerungen
- Das entwickelte Mikroinfusionssystem stellt einen bedeutenden Fortschritt in den Methoden der Neurowissenschaften dar.
- Verbesserte Abgabesysteme können genauere Forschungsergebnisse ermöglichen.
- Zukünftige Anwendungen könnten den Einsatz von Mikroinfusionssystemen in verschiedenen neurowissenschaftlichen Studien erweitern.
Häufig gestellte Fragen
Ausschlaggebende Bedeutung für die Industrie
Die gezielte Abgabe von neuroaktiven Substanzen an spezifische Gehirnareale ist entscheidend für die Zielstrukturnachweis und die mechanistische Ent-Risikobewertung in der neurowissenschaftlichen Arzneimittelentwicklung. Dieses Mikroinfusionssystem verringert die Invasivität und Gewebetraumatisierung und verbessert so die Datenzuverlässigkeit und die Übertragbarkeit der Ergebnisse in präklinischen Modellen. Das anpassbare, kompakte Design ermöglicht einen skalierbaren Einsatz über verschiedene Spezies und Studiendesigns hinweg und erhöht somit die Effizienz der Portfolio-Priorisierung.
Strategische Anwendungen in der Biopharma-Forschung und -Entwicklung
Frühe Entdeckung und Zielvalidierung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die Überprüfung therapeutischer Hypothesen mit minimalem Beobachtereffekt durch chirurgisches Trauma.
- Operativer Wert: Unterstützt die reproduzierbare Verabreichung von Wirkstoffen, um das Target-Engagement in vivo zu validieren.
Screening und Assay-Entwicklung
- Wissenschaftlicher Wert: Bietet eine standardisierte Plattform für die kontinuierliche Wirkstoffapplikation in Dosis-Wirkungs-Studien.
- Operativer Wert: Erleichtert die Versuchsbereitschaft durch eine einheitliche Herstellung und Implantation von Mikrokannülen.
Translationale und präklinische Forschung
- Wissenschaftlicher Wert: Ermöglicht die chronische Applikation in anatomisch präzisen Modellen und ist somit auf krankheitsrelevante Systeme ausgerichtet.
- Operativer Wert: Verringert die Variabilität durch entzündliche Reaktionen und Störgrößen durch Läsionen und verbessert dadurch die präklinische Vorhersagekraft.
Pipeline- und Workflow-Integration
Die Methode integriert sich in die Entdeckungsbiologie durch Hypothesenprüfung, Durchmusterung mittels quantitativer Applikation und translationale Forschung, indem sie die präklinische Kontinuität bei verringertem biologischen Rauschen unterstützt.
- Entdeckungsbiochemie: Ermöglicht eine präzise Zielvalidierung, indem störende Läsionen in den interessierenden Hirnregionen minimiert werden.
- Screening: Stellt Wirkstoffe mit hoher Reproduzierbarkeit bereit und unterstützt zuverlässige Ergebnisse bei der Verbindungsscreenings.
- Analytik: Erzeugt quantifizierbare Expositionen gegenüber neuroaktiven Wirkstoffen, was den Vergleich zwischen verschiedenen Bedingungen erleichtert.
- Translationale Forschung: Unterstützt die Kontinuität zur präklinischen Validierung, indem chirurgische Störfaktoren reduziert werden, die Biomarkersignale verschleiern könnten.
- Unternehmensweite Wiederverwendung: Stellt eine wiederverwendbare Kapazität für chronische Infusionen über mehrere neuropharmakologische Projekte hinweg dar.
Operative und unternehmerische Auswirkungen
- Wissenschaftlicher Wert: Vorhersagegenauigkeit durch verringerte mechanistische Mehrdeutigkeit infolge chirurgischer Traumata.
- Operationaler Wert: Standardisierung und Skalierbarkeit durch anpassbare Herstellung von Mikrokathetern.
- Strategischer Wert: Verbesserte Go/No-Go-Entscheidungen durch erhöhte Datenvalidität in Target-Validierungsstudien.
- Portfolio-Wirkung: Risikoadjustierte Priorisierung durch verbesserte präklinische Signal-Rausch-Verhältnisse.
Durchführungsaspekte
- Erfordert Fachkenntnisse im Ziehen von Glas-Mikropipetten und deren formgebender Bearbeitung mittels Wärme.
- Benötigt Zugang zu einem Mikroschleifer, stereotaktischen Instrumenten und aseptischen Techniken.
- Setzt eine standardisierte Vorgehensweise über mehrere Arbeitsgruppen hinweg hinsichtlich Kanülenabmessungen und Implantationsprotokollen voraus.
- Erfordert Anpassungen an unterschiedliche Schädelkonturen und Zieliefen je nach Spezies.
- Eingeschränkt durch manuelle Herstellungsschritte, die die Durchsatzkapazität beeinträchtigen können, sofern keine videounterstützte Schulung erfolgt.
