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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Selection of Biomarkers by Linear Discriminant Analysis Effect Size (LEfSe) in Microbiome Data (10.3791/61715) has been retracted by the journal upon the authors' request due to a conflict regarding the data and methodology.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
Presentiamo un protocollo per l'utilizzo della microscopia laser confocale a fibre ottiche (CLM) per studiare in modo non invasivo la distribuzione spazio-temporale dei liposomi nell'occhio dopo iniezione subcongiuntivale.
L'iniezione subcongiuntivale è una via interessante per somministrare farmaci oculari a causa del facile accesso trans-sclerale che bypassa le barriere oculari anteriori, come la cornea e la congiuntiva. Mentre gli effetti terapeutici e la farmacocinetica dei farmaci dopo iniezione subcongiuntivale sono stati descritti in alcuni studi, pochissimi valutano la distribuzione oculare dei farmaci o dei sistemi di somministrazione dei farmaci (DDS). Quest'ultimo è fondamentale per l'ottimizzazione della progettazione della DDS intraoculare e della biodisponibilità del farmaco per ottenere la localizzazione oculare desiderata e la durata dell'azione (ad esempio, acuta contro prolungata). Questo studio stabilisce l'uso della microscopia laser confocale a fibre ottiche (CLM) per studiare qualitativamente la distribuzione oculare dei liposomi fluorescenti in tempo reale in topi vivi dopo iniezione sub-congiuntivale. Essendo progettato per l'ispezione visiva in vivo dei tessuti a livello microscopico, questa è anche la prima descrizione completa del metodo di imaging CLM per studiare la distribuzione spazio-temporale degli iniettabili nell'occhio dopo iniezione subcongiuntivale.
La clearance del sangue, la distribuzione dei tessuti e l'occupazione target dei farmaci nei sistemi viventi sono pilastri per comprendere la disposizione dei farmaci in vivo. Nei modelli animali preclinici, questi parametri sono tipicamente valutati mediante frequenti campionamenti di sangue e tessuti in particolari momenti successivi alla somministrazione del farmaco. Tuttavia, queste procedure sono generalmente invasive, spesso includono misurazioni di non sopravvivenza e richiedono grandi coorti di animali per l'alimentazione statistica. Potrebbero esserci costi e tempi aggiuntivi sostenuti, insieme a preoccupazioni etiche per l'uso eccessivo di animali. Di conseguenza, l'imaging non invasivo sta rapidamente diventando un passo fondamentale negli studi di biodistribuzione. La microscopia laser confocale (CLM1,2) è adatta per applicazioni oculari per l'immagine non invasiva della distribuzione spazio-temporale delle terapie negli occhi di animali vivi ad alta sensibilità e alta risoluzione1,3,4.
Il CLM ha il potenziale per facilitare uno screening robusto dei sistemi di somministrazione oculare dei farmaci (DDS), come i liposomi, prima della quantificazione completa della DDS e della biodisponibilità dei farmaci. I liposomi sono attraenti per la loro flessibilità nel sintonizzare le loro proprietà fisico-chimiche e biofisiche5,6,7,8,9,10,11 per incapsulare una grande varietà di carico terapeutico e controllare il sito tissutale di rilascio del farmaco e la durata dell'azione. I liposomi sono stati utilizzati in applicazioni oculari per la somministrazione di grandi molecole, come l'anticorpo monoclonale bevacizumab12, e piccole molecole come la ciclosporina13 e il ganciclovir14. I liposomi caricati con farmaci hanno emivite biologiche più lunghe ed effetti terapeutici prolungati rispetto alle formulazioni "free drug" non liposomiali. Tuttavia, la distribuzione del farmaco nel tessuto oculare è tipicamente estrapolata dalle concentrazioni di farmaco nei componenti fluidi dell'occhio (cioè sangue, umore acqueo e umore vitreo15,16,17). Poiché il destino iniziale in vivo del carico di farmaci caricato è definito dalle proprietà del nanovettore stesso, l'imaging CLM dei liposomi fluorescenti può servire come surrogato del farmaco per rivelare il targeting dei tessuti e i tempi di permanenza dei tessuti in situ. Inoltre, l'evidenza visiva della somministrazione con CLM può guidare la riprogettazione della DDS, valutare i benefici terapeutici del farmaco e forse anche prevedere eventi biologici avversi (ad esempio, tossicità tissutale dovuta alla localizzazione indesiderata della DDS per periodi di tempo prolungati).
Qui, una procedura passo-passo è dettagliata su come studiare la biodistribuzione oculare dei liposomi in topi vivi con un sistema CLM a doppia banda. Questo specifico sistema CLM è in grado di rilevare la fluorescenza bicolore (con laser di eccitazione verde e rosso a 488 nm e 660 nm) in tempo reale, con una frequenza di 8 fotogrammi/s. Posizionando fisicamente la sonda di rilevamento sull'occhio, il protocollo dimostra l'acquisizione e l'analisi delle immagini dei liposomi verde-fluorescenti dopo somministrazione subcongiuntivale in topi pre-iniettati per via endovenosa (IV) con colorante Evans Blue (EB) al 2%. Il colorante EB aiuta a visualizzare le strutture vascolarizzate nel canale di fluorescenza rossa. Mostriamo risultati rappresentativi da uno studio che valuta i liposomi neutri a 100 nm composti dal fosfolipide POPC (cioè 1-palmitoil-2-oleoil-glicero-3-fosfocolina) e drogati con fosfolipide Fl-DHPE marcato con fluoresceina (cioè N-(fluoresceina-5-tiocarbamoil)-1,2-diesa-decanoil-glicero-glicero-3-fosfoetanolammina) con un rapporto del 95% POPC: 5% Fl-DHPE (Figura 1B ). CLM è in grado di catturare i liposomi verdi marcati con fluoresceina a 15 μm assiale e 3,30 μm di risoluzione laterale delineando i confini del tessuto oculare colorato con EB.
Tutti i metodi qui descritti sono stati approvati dall'Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) di SingHealth (Singapore). Topi femminili C57BL / 6 J (6- 8 settimane di età; 18-20 g) sono stati ottenuti da InVivos, Singapore, e alloggiati in un vivaio a temperatura e luce controllata della Duke-NUS Medical School, Singapore. Gli animali sono stati trattati in conformità con le linee guida della dichiarazione dell'Associazione per la ricerca in visione e oftalmologia (ARVO) per l'uso di animali nella ricerca oftalmica e visiva.
NOTA: nella Figura 2 è riportato un diagramma di flusso che evidenzia le procedure principali.
1. Preparazione di mezzi di contrasto: Evans Blue (EB) e liposomi
2. Somministrazione di EB e liposomi in topi vivi
3. Configurazione CLM
4. Imaging dal vivo degli occhi di topo con CLM e acquisizione
5. Analisi delle immagini
6. Valutazione istologica
Il protocollo dimostra l'utilità della LMC per valutare la distribuzione oculare spazio-temporale dei liposomi fluorescenti verdi somministrati attraverso l'iniezione subcongiuntivale. Per sfruttare la capacità a doppio colore (lunghezze d'onda di eccitazione di 488 nm e 660 nm) del sistema CLM, i liposomi POPC neutri da 100 nm da iniettare sono stati drogati con il 5% di Fl-DHPE (i dati di composizione e caratterizzazione sono mostrati nella Figura 1B) e EB è stato iniettato IV per identificare i punti di riferimento nell'occhio. La presenza di un sottile strato di episclera e della congiuntiva, entrambi altamente vascolarizzati, permette di colorare di rosso la regione della sclera con EB (Figura 4A, etichettata come S), mentre la cornea che non contiene alcuna vascolarizzazione (Figura 4A, etichettata come C), non si macchia e appare nera. Ciò consente una netta differenziazione tra le due regioni durante l'imaging a fluorescenza.
I risultati rappresentativi provengono da uno studio di distribuzione che si estende su 7 giorni (n = 4 topi). Poiché le intensità di fluorescenza nelle immagini per il giorno 1 e il giorno 3 erano elevate (Figura 5B), le intensità dei pixel sono state ridotte per una migliore visualizzazione. I valori effettivi dell'intensità di fluorescenza si riflettono nei grafici (Figura 6). Per garantire che le osservazioni delle immagini fossero dovute alla fluorescenza dei liposomi e al colorante non libero, che potrebbe essere stato rimosso dai liposomi, sono stati inclusi topi di controllo iniettati con colorante fluoresceina (Fl) (Figura 5A).
Una riduzione dei liposomi (per procura della diminuzione del segnale fluorescente verde) è stata osservata nel tempo sia nella regione del limbus che della sclera. Poiché i liposomi sono stati iniettati dalla regione temporale alla regione superiore dello spazio subcongiuntivale (Figura 3), sono stati naturalmente posizionati proprio sopra la sclera temporale e superiore (Figura 4B) prima di raggiungere altre regioni dello spazio subcongiuntivale. Il giorno 1 dopo l'iniezione, la fluorescenza rilevata nella sclera era fino a 6 volte superiore al limbus sia per le regioni temporali che per quelle superiori (Figura 6). Entro il giorno 3 e il giorno 7, è stata osservata una significativa riduzione dei liposomi nella sclera (60% dal giorno 1 al giorno 3 (giorno 1→3) e 88% dal giorno 3 al giorno 7 (giorno3→7)) nella regione temporale, con una riduzione del 66% e del 93% per il giorno1→3 e il giorno3→7 nelle regioni superiori, rispettivamente, p < 0,001) (Figura 6). Questa riduzione è stata attribuita ai meccanismi di clearance oculare attraverso i vasi sanguigni e/o linfatici presenti nella congiuntiva e nell'episclera. I liposomi potrebbero anche essersi diffusi attraverso la sclera ed essere eliminati dalla coroide, che è anche altamente vascolarizzata.
Si è scoperto che i liposomi si sono eliminati in modo più lento nel limbus. Per il limbus temporale e il limbus superiore, i cambiamenti nei segnali di fluorescenza dal giorno 1 al giorno 3 post-iniezione non sono stati significativi, indicando che i liposomi neutri hanno una preferenza per la regione del limbus, in particolare la periferia corneale (Figura 5B). I liposomi nella regione del limbus hanno iniziato a schiarirsi dal giorno 3 (d3→7: -89% per il temporale (p < 0,01) e -53% per superiore (p < 0,05)). Al giorno 7, oltre il 90% dei liposomi è stato eliminato da tutte le regioni del limbus (p < 0,05) ad eccezione del limbus superiore 1S, dove il 50% dei liposomi poteva ancora essere rilevato (p > 0,05). Questa è un'indicazione che il tempo di permanenza per i liposomi neutri è molto più alto alla periferia superiore del limbus / cornea (Figura 5 e Figura 6) rispetto ad altre regioni. La quantità più bassa di fluorescenza è stata rilevata nelle regioni nasali e inferiori in tutti i punti temporali a causa della loro distanza dal sito di iniezione (Figura 6A, B).
In studi più completi sulla clearance dei liposomi nell'occhio precedentemente riportati1, abbiamo discusso alcune vie in cui i liposomi potrebbero essere eliminati dai tessuti oculari dopo iniezione subcongiuntivale. Mentre i liposomi possono essere eliminati dalla circolazione sistemica e dalla clearance linfatica attraverso la congiuntiva, l'episclera e la coroide, che sono altamente vascolarizzate, potrebbero anche raggiungere i tessuti intraoculari più profondi mediante diffusione passiva attraverso la sclera. Il flusso di fluido potrebbe anche trasportare i liposomi attraverso la rete trabecolare o il deflusso dell'uveosclera, che può riportare i liposomi alla sclera. È anche possibile l'eliminazione attraverso le lacrime e piccole perdite nel sito di iniezione potrebbero consentire la penetrazione corneale attraverso la diffusione passiva.

Figura 1: Iniezione subcongiuntivale di liposomi nell'occhio. (A) Rappresentazione grafica di liposomi verde-fluorescenti e iniezione subcongiuntivale. (B) Composizione e proprietà della formulazione liposomiale drogata FL-DHPE per l'imaging CLM oculare. (C) Liposomi verde-fluorescenti che formano un bleb dopo iniezione subcongiuntivale. Questa figura è stata adattata con il permesso di Chaw S.Y. et al.1. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: Cronologia della procedura CLM oculare. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: Mappa oculare per le scansioni CLM. L'area 1 si riferisce alla regione del limbus, mentre l'area 2 si riferisce alla regione della sclera. Video e immagini sono stati ripresi da 1T in senso antiorario, seguito da 2T in una direzione antiorario simile. Poiché l'ago è stato inserito per iniezione da 2T a 2S, le aree di interesse sono principalmente 1T, 1S, 2T e 2S. Inserisci mostra la dimensione della sonda rispetto all'occhio del mouse. Questa figura è stata adattata con il permesso di Chaw S.Y. et al.1. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Analisi delle immagini. (A) L'analisi ImageJ dei liposomi con tag fluorescenti è stata effettuata utilizzando le regioni di interesse (ROI) definite per le regioni limbus (L) e sclera (S) (B) Ocular quantificate nella regione limbus per la presenza di liposomi. Le possibili posizioni dei liposomi rilevati nel limbus sono 1) periferia corneale, 2) limbus o 3) periferia sclera. Questa figura è stata adattata con il permesso di Chaw S.Y. et al.1. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Distribuzioni di contrasto al limbus e alla sclera. Distribuzione del contrasto al limbus (1S: Superior, 1N: Nasale, 1I: Inferiore, 1T: Temporale) e sclera (2S: Superior, 2N: Nasale, 2I: Inferiore, 2T: Temporale) regioni di un topo rappresentativo di ciascuna coorte (n = 4) per 7 giorni per (A) controllo della fluoresceina (Fl), (B) 100 nm liposomi neutri (POPC-100). Il colore rosso indica la colorazione EB. Barra della scala = 50 μm. (C) Le immagini scattate sono assemblate sulla mappa oculare per una migliore comprensione. Questa figura è stata adattata con il permesso di Chaw S.Y. et al.1. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Cinetica di clearance dei liposomi POPC neutri a 100 nm nelle regioni sclera (A) e limbus (B) nell'arco di 7 giorni (n=4 topi per gruppo). L'intensità media di fluorescenza è stata confrontata da ANOVA a 2 vie con confronti multipli rispetto al punto temporale precedente; d1→3 e d3→7; *p < 0,05, **p < 0,01, ***p < 0,001. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Immagini istologiche rappresentative di sezioni trasversali (5 μm) dell'occhio di topo un giorno dopo l'iniezione di liposomi Fl-DHPE. Le linee tratteggiate indicano dove si possono osservare i liposomi, indicati dal colore verde. Barra della scala = 500 μm. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Gli autori non hanno nulla da rivelare.
Presentiamo un protocollo per l'utilizzo della microscopia laser confocale a fibre ottiche (CLM) per studiare in modo non invasivo la distribuzione spazio-temporale dei liposomi nell'occhio dopo iniezione subcongiuntivale.
Questa ricerca è stata finanziata dalla sovvenzione NTU-Northwestern Institute for Nanomedicine (NNIN) assegnata (a SV) e in parte dalla sovvenzione della Singapore National Research Foundation Grant AG / CIV / GC70-C / NRF / 2013 / 2 e dalla sovvenzione Health and Biomedical Sciences (HBMS) Industry Alignment Fund Pre-Positioning (IAF-PP) di Singapore H18/01/a0/018 amministrata dall'Agenzia per la scienza, la tecnologia e la ricerca (A * STAR) (ad AMC). Grazie ai membri del Duke-NUS Laboratory for Translational and Molecular Imaging (LTMI) per aver facilitato la logistica e l'esecuzione degli studi e della formazione sulle attrezzature. Un ringraziamento speciale alla signora Wisna Novera per la sua assistenza editoriale.
| 0,08 µ m filtro in policarbonato | Whatman, USA | 110604 | |
| 0.22 µ m filtro per siringhe | Fisherbrand, Irlanda | 09-720-3 | |
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| Dumont Pinzetta #5, Dumostar | WPI, USA | 500233 | 11 cm, Dritto, 0,1 mm x 0,06 mm Punte |
| Evans Blue | Sigma Aldrich, USA | E2129 | |
| Collirio all'acido fusidico | LEO Pharma, Danimarca | ||
| ImageJ | National Institutes of Health, USA | https://imagej.nih.gov/ij/ | |
| Isoflurano | Piramal, USA | ||
| Malvern Zetasizer Nano ZS | Malvern Panalytical, UK | ||
| Metanolo | Sigma Aldrich, USA | 179337 | |
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| Gibco, USA | 10010023 | ||
| Sistema per stereomicroscopio con supporto a morsetto da tavolo | Olympus, Tokyo, Giappone | SZ51 & SZ2-STU3 |