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Research Article
Su Yin Chaw1,2, Tina Tzee Ling Wong3,4, Subbu Venkatraman2,5, Ann-Marie Chacko1
1Laboratory for Translational and Molecular Imaging, Cancer and Stem Cell Biology Programme,Duke-NUS Medical School, 2School of Materials Science and Engineering,Nanyang Technological University, 3Singapore National Eye Centre, 4Singapore Eye Research Institute, 5Material Science & Engineering,National University of Singapore
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Erratum Notice
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Retraction Notice
The article Assisted Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology. View Retraction Notice
Nous présentons un protocole pour l’utilisation de la microendoscopie laser confocale à fibre optique (CLM) pour étudier de manière non invasive la distribution spatio-temporelle des liposomes dans l’œil après injection sous-conjonctivale.
L’injection sous-conjonctivale est une voie attrayante pour administrer des médicaments oculaires en raison de l’accès transscléral facile qui contourne les barrières oculaires antérieures, telles que la cornée et la conjonctive. Bien que les effets thérapeutiques et la pharmacocinétique des médicaments lors de l’injection sous-conjonctivale aient été décrits dans certaines études, très peu évaluent la distribution oculaire des médicaments ou des systèmes d’administration de médicaments (DDS). Ce dernier est essentiel pour l’optimisation de la conception du DDS intraoculaire et de la biodisponibilité du médicament afin d’obtenir la localisation oculaire souhaitée et la durée d’action (par exemple, aiguë ou prolongée). Cette étude établit l’utilisation de la microendoscopie laser confocale à fibre optique (CLM) pour étudier qualitativement la distribution oculaire des liposomes fluorescents en temps réel chez des souris vivantes après injection sous-conjonctivale. Conçu pour l’inspection visuelle in vivo des tissus au niveau microscopique, il s’agit également de la première description complète de la méthode d’imagerie CLM pour étudier la distribution spatio-temporelle des injectables dans l’œil après injection sous-conjonctivale.
La clairance sanguine, la distribution tissulaire et l’occupation cible des médicaments dans les systèmes vivants sont des piliers pour comprendre la disposition in vivo des médicaments. Dans les modèles animaux précliniques, ces paramètres sont généralement évalués par des prélèvements sanguins et tissulaires fréquents à des moments particuliers après l’administration du médicament. Cependant, ces procédures sont généralement invasives, incluent souvent des mesures de non-survie et nécessitent de grandes cohortes d’animaux pour l’alimentation statistique. Il peut y avoir des coûts et du temps supplémentaires, ainsi que des préoccupations éthiques pour l’utilisation excessive d’animaux. En conséquence, l’imagerie non invasive devient rapidement une étape essentielle dans les études sur les biodistributions. La microendoscopie laser confocale (CLM1,2) est bien adaptée aux applications oculaires pour imager de manière non invasive la distribution spatio-temporelle des produits thérapeutiques dans les yeux d’animaux vivants avec une sensibilité et une résolution élevées1,3,4.
Le CLM a le potentiel de faciliter le dépistage robuste des systèmes d’administration de médicaments oculaires (DDS), tels que les liposomes, avant la quantification complète du DDS et la biodisponibilité des médicaments. Les liposomes sont attrayants pour leur flexibilité dans le réglage de leurs propriétés physico-chimiques et biophysiques5,6,7,8,9,10,11 pour encapsuler une grande variété de cargaisons thérapeutiques et contrôler le site tissulaire de libération du médicament et la durée d’action. Les liposomes ont été utilisés dans des applications oculaires pour l’administration de grosses molécules, telles que l’anticorps monoclonal bevacizumab12, et de petites molécules comme la cyclosporine13 et le ganciclovir14. Les liposomes chargés de médicaments ont des demi-vies biologiques plus longues et des effets thérapeutiques prolongés par rapport aux formulations non liposomiques de « médicaments libres ». Cependant, la distribution des médicaments dans le tissu oculaire est généralement extrapolée à partir des concentrations de médicaments dans les composants fluides de l’œil (c.-à-d. le sang, l’humeur aqueuse et l’humeur vitrée15,16,17). Comme le devenir initial in vivo de la cargaison de médicament chargée est défini par les propriétés du nanotransporteur lui-même, l’imagerie CLM des liposomes fluorescents peut servir de substitut au médicament pour révéler le ciblage tissulaire et les temps de résidence tissulaire in situ. En outre, les preuves visuelles de l’administration avec CLM peuvent orienter la refonte du DDS, évaluer les avantages thérapeutiques du médicament et peut-être même prédire les événements biologiques indésirables (par exemple, la toxicité tissulaire due à la localisation indésirable du DDS pendant de longues périodes).
Ici, une procédure étape par étape est détaillée sur la façon d’étudier la biodistribution oculaire des liposomes chez les souris vivantes avec un système CLM à double bande. Ce système CLM spécifique peut détecter la fluorescence bicolore (avec des lasers d’excitation vert et rouge à 488 nm et 660 nm) en temps réel, avec une fréquence de 8 images / s. En plaçant physiquement la sonde de détection sur l’œil, le protocole démontre l’acquisition d’images et l’analyse de liposomes fluorescents verts lors de l’administration sous-conjonctivale chez des souris pré-injectées par voie intraveineuse (IV) avec un colorant Evans Blue (EB) à 2%. Le colorant EB aide à visualiser les structures vascularisées dans le canal de fluorescence rouge. Nous montrons les résultats représentatifs d’une étude évaluant des liposomes neutres de 100 nm composés du phospholipide POPC (c.-à-d. 1-palmitoyl-2-oléoyl-glycero-3-phosphocholine) et dopés avec du phospholipide Fl-DHPE marqué à la fluorescéine (c.-à-d. N-(fluorescein-5-thiocarbamoyl)-1,2-dihexa-decanoylsn-glycero-3-phosphoéthanolamine) à un rapport de 95 % POPC : 5 % Fl-DHPE (Figure 1B ). Le CLM est capable de capturer les liposomes verts marqués à la fluorescéine à une résolution axiale de 15 μm et latérale de 3,30 μm par délimitation des limites des tissus oculaires colorés par EB.
Toutes les méthodes décrites ici ont été approuvées par l’Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) de SingHealth (Singapour). Des souris femelles C57BL/6 J (âgées de 6 à 8 semaines; 18 à 20 g) ont été obtenues à InVivos, à Singapour, et logées dans un vivarium à température et à lumière contrôlées de la Duke-NUS Medical School, à Singapour. Les animaux ont été traités conformément aux lignes directrices de l’Association for Research in Vision and Ophthalmology (ARVO) pour l’utilisation des animaux dans la recherche ophtalmique et visuelle.
REMARQUE : Un organigramme mettant en évidence les principales procédures est illustré à la figure 2.
1. Préparation d’agents de contraste: Evans Blue (EB) et liposomes
2. Administration d’EB et de liposomes chez des souris vivantes
3. Configuration du CLM
4. Imagerie en direct des yeux de souris avec CLM et acquisition
5. Analyse d’images
6. Évaluation histologique
Le protocole démontre l’utilité de la CLM pour évaluer la distribution oculaire spatio-temporale des liposomes fluorescents verts administrés par injection sous-conjonctivale. Pour tirer parti de la capacité bicolore (longueurs d’onde d’excitation de 488 nm et 660 nm) du système CLM, des liposomes POPC neutres de 100 nm à injecter ont été dopés avec 5% de Fl-DHPE (les données de composition et de caractérisation sont montrées à la figure 1B), et EB a été injecté IV pour identifier les points de repère dans l’œil. La présence d’une fine couche d’épisclére et de la conjonctive, qui sont toutes deux très vascularisées, permet à la région de la sclérotique d’être colorée en rouge avec EB (Figure 4A, étiquetée comme S), tandis que la cornée qui ne contient aucun vascularisme (Figure 4A, étiquetée comme C), ne se tache pas et apparaît noire. Cela permet une différenciation distincte entre les deux régions lors de l’imagerie par fluorescence.
Les résultats représentatifs proviennent d’une étude de distribution couvrant plus de 7 jours (n = 4 souris). Comme les intensités de fluorescence dans les images des jours 1 et 3 étaient élevées (Figure 5B), les intensités en pixels ont été réduites pour une meilleure visualisation. Les valeurs réelles de l’intensité de fluorescence sont reflétées dans les graphiques (Figure 6). Pour s’assurer que les observations des images étaient dues à la fluorescence des liposomes et non à un colorant libre, qui aurait pu se déloger des liposomes, des souris témoins injectées avec du colorant fluorescéine (Fl) ont été incluses (Figure 5A).
Une réduction des liposomes (par procuration de la diminution du signal fluorescent vert) a été observée dans les régions des limbes et de la sclérotique au fil du temps. Comme les liposomes ont été injectés de la région temporale à la région supérieure de l’espace sous-conjonctival (Figure 3), ils ont été naturellement placés juste au-dessus de la sclérotique temporale et supérieure (Figure 4B) avant d’atteindre d’autres régions de l’espace sous-conjonctival. Le jour 1 après l’injection, la fluorescence détectée dans la sclérotique était jusqu’à 6 fois plus élevée que dans les limbes pour les régions temporales et supérieures (Figure 6). Au jour 3 et au jour 7, une réduction significative des liposomes a été observée dans la sclérotique (60% du jour 1 au jour 3 (jour 1→3) et 88% du jour 3 au jour 7 (jour3→7)) dans la région temporale, avec une réduction de 66% et 93% pour le jour 1→3 et le jour3→7 dans les régions supérieures, respectivement, p < 0,001) (figure 6). Cette réduction a été attribuée aux mécanismes de clairance oculaire à travers les vaisseaux sanguins et/ou lymphatiques présents au niveau de la conjonctive et de l’épisclére. Les liposomes pourraient également s’être diffusés à travers la sclérotique et être éliminés par la choroïde, qui est également très vascularisée.
Les liposomes se sont avérés s’être dégagés plus lentement dans les limbes. Pour les limbes temporaux et les limbes supérieurs, les changements dans les signaux de fluorescence du jour 1 au jour 3 après l’injection n’étaient pas significatifs, ce qui indique que les liposomes neutres ont une préférence pour la région des limbes, en particulier la périphérie cornéenne (Figure 5B). Les liposomes dans la région des limbes ont commencé à disparaître à partir du jour 3 (d3→7: -89% pour le temporal (p < 0,01) et -53% pour le supérieur (p < 0,05)). Au jour 7, plus de 90% des liposomes ont été éliminés de toutes les régions des limbes (p < 0,05) à l’exception des limbes supérieurs 1S, où 50% des liposomes pouvaient encore être détectés (p > 0,05). Cela indique que le temps de séjour des liposomes neutres est beaucoup plus élevé à la périphérie supérieure des limbes et de la cornée (figure 5 et figure 6) par rapport à d’autres régions. La plus faible quantité de fluorescence a été détectée dans les régions nasales et inférieures à tous les points temporels en raison de leur distance par rapport au site d’injection (Figure 6A, B).
Dans des études plus complètes sur la clairance des liposomes dans l’œil précédemment rapportées1, nous avons discuté de quelques voies dans lesquelles les liposomes pourraient être éliminés des tissus oculaires après une injection sous-conjonctivale. Alors que les liposomes peuvent être éliminés par la circulation systémique et la clairance lymphatique à travers la conjonctive, l’épisclére et la choroïde, qui sont très vascularisées, ils pourraient également atteindre les tissus intraoculaires plus profonds par diffusion passive à travers la sclérotique. L’écoulement de fluide pourrait également transporter les liposomes à travers le maillage trabéculaire ou l’écoulement de l’uvéosclére, ce qui peut ramener les liposomes à la sclérotique. L’élimination par les larmes est également possible, et des fuites mineures dans le site d’injection pourraient permettre la pénétration cornéenne par diffusion passive.

Figure 1 : Injection sous-conjonctivale de liposomes dans l’œil. (A) Représentation graphique des liposomes fluorescents verts et injection sous-conjonctivale. (B) Composition et propriétés de la formulation liposomale dopée au FL-DHPE pour l’imagerie CLM oculaire. (C) Liposomes fluorescents verts formant un bleb lors de l’injection sous-conjonctivale. Ce chiffre a été adapté avec la permission de Chaw S.Y. et al.1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : Chronologie de la procédure CLM oculaire. Veuillez cliquer ici pour afficher une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : Carte oculaire pour les scans CLM. La zone 1 fait référence à la région des limbes, tandis que la zone 2 fait référence à la région de la sclérotique. Les vidéos et les images ont été prises à partir de 1T dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, suivi de 2T dans un sens anti-horaire similaire. Comme l’aiguille a été insérée pour injection de 2T vers 2S, les zones d’intérêt sont principalement 1T, 1S, 2T et 2S. Insert indique la taille de la sonde par rapport à l’œil de la souris. Ce chiffre a été adapté avec la permission de Chaw S.Y. et al.1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4: Analyse d’image. (A) L’analyse ImageJ des liposomes marqués par fluorescence a été effectuée à l’aide de régions d’intérêt (ROI) définies pour les régions oculaires des limbes (L) et de la sclérotique (S) (B) quantifiées à la région des limbes pour la présence de liposomes. Les emplacements possibles des liposomes détectés dans les limbes sont 1) la périphérie cornéenne, 2) le limbe ou 3) la périphérie de la sclérotique. Ce chiffre a été adapté avec la permission de Chaw S.Y. et al.1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Distributions de contraste au niveau des limbes et de la sclérotique. Distribution du contraste au niveau des limbes (1S: Supérieur, 1N: Nasal, 1I: Inférieur, 1T: Temporal) et de la sclérotique (2S: Supérieur, 2N: Nasal, 2I: Inférieur, 2T: Temporal) d’une souris représentative de chaque cohorte (n = 4) sur 7 jours pour (A) contrôle de la fluorescéine (Fl), (B) liposomes neutres de 100 nm (POPC-100). La couleur rouge indique une coloration EB. Barre d’échelle = 50 μm. (C) Les images prises sont assemblées sur la carte des yeux pour une meilleure compréhension. Ce chiffre a été adapté avec la permission de Chaw S.Y. et al.1. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Cinétique de clairance des liposomes POPC neutres de 100 nm dans les régions de la sclérotique (A) et des limbes (B) sur 7 jours (n = 4 souris par groupe). L’intensité moyenne de fluorescence a été comparée par ANOVA à 2 voies avec des comparaisons multiples par rapport au point de temps précédent; d1→3 et d3→7; *p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 7 : Images histologiques représentatives de coupes transversales (5 μm) de l’œil de souris un jour après l’injection de liposomes Fl-DHPE. Les lignes pointillées indiquent où les liposomes peuvent être observés, indiqués par la couleur verte. Barre d’échelle = 500 μm. Veuillez cliquer ici pour afficher une version agrandie de cette figure.
Les auteurs n’ont rien à divulguer.
Nous présentons un protocole pour l’utilisation de la microendoscopie laser confocale à fibre optique (CLM) pour étudier de manière non invasive la distribution spatio-temporelle des liposomes dans l’œil après injection sous-conjonctivale.
Cette recherche a été financée par la subvention NTU-Northwestern Institute for Nanomedicine (NNIN) accordée (à SV) et en partie par la subvention AG/CIV/GC70-C/NRF/2013/2 et la subvention H18/01/01/01/01/01/018 de l’Agence pour la science, la technologie et la recherche (A*STAR) de Singapour (A*STAR) (à AMC). Merci aux membres du Duke-NUS Laboratory for Translational and Molecular Imaging (LTMI) d’avoir facilité la logistique et l’exécution des études et de la formation sur les équipements. Un merci spécial à Mme Wisna Novera pour son aide éditoriale.
| 0,08 et micro ; m filtre polycarbonate | Whatman, USA | 110604 | |
| 0.22 µ ; m filtre à seringue | Fisherbrand, Irlande | 09-720-3 | |
| 0,5 % Chlorhydrate de proxymétacaïne solution ophtalmique stérile | Alcon, Singapour | ||
| 10 µ ; L Seringue en verre | Hamilton, États-Unis | 65460-06 | |
| 1-Palmitoyl-2-oleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine (POPC) | Avanti, États-Unis | 850457 aiguille 32 | |
| G (Hamilton, 0,5" PT4) | Hamilton, USA | 7803-04 | |
| Régulateur de température animale avec plaque chauffante (15 cm x 20 cm) | WPI, USA | ATC 2000 & 61800 | |
| Cellvizio Dual Band, Sonde S1500 et Quantikit (Kit d’étalonnage à l’étape 3.5) | Mauna Kea Technologies, France | Diamètre de la pointe : 1,5 mm, champ de vision : 600 µ ; m x 500 et micro ; m, résolution axiale : 15 & micro ; m, résolution latérale : 3,3 & micro ; m | |
| Chloroform | Sigma Aldrich, États-Unis | 472476 | |
| Dumont Tweezers #5, Dumostar | WPI, États-Unis | 500233 | 11 cm, Droit, 0,1 mm x 0,06 mm Embouts |
| Evans Blue | Sigma Aldrich, États-Unis | E2129 | |
| Gouttes oculaires à l’acide fusidique | LEO Pharma, Danemark | ||
| ImageJ | National Institutes of Health, États-Unis | https://imagej.nih.gov/ij/ | |
| Isoflurane | Piramal, États-Unis | ||
| Malvern Zetasizer Nano ZS | Malvern Panalytical, Royaume-Uni | ||
| Méthanol | Sigma Aldrich, États-Unis | 179337 | |
| Mini extrudeuse | Avanti, États-Unis | 610020 | |
| N-(fluorescéine-5-thiocarbamoyl)-1,2-dihexadécanoylsn-glycéro-3-phosphoéthanolamine (sel de triéthylammonium) (FL-DHPE) | Invitrogen, USA | F362 | |
| Saline tamponnée au phosphate | Gibco, États-Unis | 10010023 | |
| Système de stéréomicroscope avec support de pince de table | Olympus, Tokyo, Japon | SZ51 & SZ2-STU3 |