Bouw en Implantatie van een Microinfusion systeem voor duurzame levering van neuroactive Agents.
17 maart 2008
Als neurowetenschappen onderzoek wordt meer geavanceerde, het onderzoek van de hersenen structuren en circuits vereist verbeterde niveaus van nauwkeurigheid en hogere resolutie. We hebben een methode ontwikkeld voor de voorbereiding en de implantatie van een chronische infusie-systeem in de hersenen met behulp van een borosilicate microcannula met een tip diameter van 50 micron.
Hallo, mijn naam is Miles Cunningham. Samen met Ryan O'Connor en Sydney Wong zullen we de constructie demonstreren van een micro-infusiesysteem voor de continue toediening van neuroactieve middelen. Dit werk is uitgevoerd in het laboratorium voor neuroreconstructie van het McLean Hospital, Harvard Medical School.
Wij willen de Sydney rbe Foundation en Narsad bedanken voor hun genereuze steun. We hebben vastgesteld dat neuroactieve middelen betrouwbaar kunnen worden toegediend op specifieke plaatsen in de hersenen via een getrokken Bo-silicaatglas microcannule met een tipdiameter die vijf tot 10 keer kleiner is dan die van conventionele toedieningscannules. In deze dia tonen we een veelgebruikte infusiecannule van roestvrij staal naast een microcannule die we hier in dit laboratorium hebben gefabriceerd.
Deze afname in de grootte van de toedieningscanule vertaalt zich in een dramatische vermindering van het trauma aan het hersengebied dat wordt bestudeerd. Veel conventionele methoden veroorzaken in feite een laesie in of binnen het gebied van belang, waardoor de validiteit van elk resultaat twijfelachtig wordt. In paneel A is de mate van verstoring van het lokale gebied te zien die wordt veroorzaakt door een 0,32 millimeter canule, vergeleken met een 50 micron canule in paneel B. Deze foto's bij lage vergroting zijn van natte preparaten van niet-gekleurde Vibram-coupes.
Dezezelfde secties werden vervolgens gekleurd met h&e en gefotografeerd bij een hogere vergroting. Om de vermindering van weefselschade met de microcannule verder te illustreren, zijn de componenten van het microinfusiesysteem een zet mini Osmo-pomp met de roestvrijstalen stroommodulator waarvan de flens is verwijderd. Twee tot drie centimeter polyethyleenslang, een op maat gemaakte BOA-silicaat microcannule en een 28 gauge geleidedraad; dit is het geassembleerde microinfusiesysteem, gereed voor implantatie.
Hier wordt een standaard verticale pipettrekker gebruikt om microcannules met de gewenste specificaties te maken. Horizontale trekkers zijn ook geschikt. De Bora-silicaatbuis wordt gepositioneerd en vastgezet door de temperatuur van het heating element en de spanning van de trekker te variëren.
U kunt microcannules met specifieke diameters en lange, taps toelopende schachtverbindingen betrouwbaar reproduceren. De Bora-silicabuis wordt verhit en er wordt een lichte druk uitgeoefend om de gewenste buiging in de buis aan te brengen. Deze buiging wordt aangebracht op een afstand van de punt van de microcannule die passend is voor de diepte van het betreffende hersendoel, waarbij rekening wordt gehouden met de benodigde ruimte boven de schedel.
De uiteindelijke lengte van dit distale buisje van de microcannule, de bocht, is ongeveer 9 tot 10 millimeter. Blijkbaar niet tevreden met zijn resultaat, herplaatst Ryan de microcannule om een fijne aanpassing te maken en de buighoek daar te perfectioneren.
Het gebruik van een diamantpotlood werkt veel beter. Sydney demonstreert een methode om de borosilicaatbuis ongeveer vijf millimeter proximaal van de knik door te snijden, waarbij de buis stevig op een hard oppervlak wordt vastgehouden en het distale deel van de microcannule vrij over de rand hangt. Ze kerft de buis in cirkelvorm in.
Vervolgens knapt ze, door zachte druk uit te oefenen, de buisjes schoon af bij de inkeping. De fijne transparante punt van de canule kan daarna met permanente inkt worden gekleurd om de visualisatie te vergemakkelijken. Tijdens de operatie onder vergroting wordt de punt van de microcanule met microdissectieschaartjes op de gewenste diameter geknipt.
De tipdiameter kan worden bevestigd met een oculair of een microscoop. Radiale uitlijningsdraden worden bereid van roestvrijstalen draad van 28 gauge, die in stukken van ongeveer drie centimeter wordt geknipt. Vervolgens worden pincetten gebruikt om aan het uiteinde van elke draad een klein haakje van ongeveer twee millimeter diameter te maken.
De uitlijningsdraden worden in een Petrischaal geplaatst, samen met stukken polyethyleenbuis van twee tot drie centimeter in de microcannules. Het microinfusiesysteem kan worden geconstrueerd met instrumenten die in de meeste laboratoria gebruikelijk zijn. Micro-pincetten, conventionele pincetten, chirurgische scharen en hemostaten worden in een steriele chirurgische doek geplaatst voor sterilisatie.
De instrumenten, de componenten van het microinfusiesysteem en verschillende vellen aluminiumfolie worden gesteriliseerd met een standaard autoclaaf. De stroommodulator wordt voorzichtig uit de verpakking gehaald en in een steriele Petrischaal geplaatst. Deze wordt stevig vastgehouden met hemostatische klemmen en de plastic flens wordt met een schaar van de roestvrijstalen modulatorbuis verwijderd.
De mini-osmotische pomp wordt ook uit de verpakking gehaald en in de steriele Petrischaal geplaatst. De roestvrijstalen buis wordt ongeveer twee tot drie millimeter in de polyethyleenbuis geschoven, waarna beide met lichtgeactiveerde epoxy worden verzegeld. Voor fijn werk gebruiken we Lummi bond uit mijn neurale lab; we vullen een spuit van 1 CC met Lummi bond en gebruiken een naald van 27 gauge als applicator; onder fel licht hardt Lumon in slechts enkele seconden uit.
De mini-osmotische pomp wordt gevuld door deze in een rechtopstaande positie te houden en zorgvuldig te injecteren met de vulnaald die door de fabrikant wordt geleverd. Wij raden aan om het geïnjecteerde vloeistofvolume in de pomp te controleren en/of de pomp vóór en na het vullen te wegen om er zeker van te zijn dat de pomp volledig is gevuld en niet defect is. Let op dat wij het hergebruiken van pompen niet aanbevelen.
De volledige modulator met de aangebrachte polyethyleenslang wordt vervolgens in de mini-osmotische pomp geplaatst. Vloeistof in de pomp zal in de polyethyleenslang worden geperst zodra de schuimmodulator wordt ingebracht. De initiële afstand van de met vloeistof gevulde polyethyleenslang wordt genoteerd en dient toe te nemen nadat de pomp is geactiveerd met incubatie en steriele zoutoplossing bij 39 °C na 12 uur incubatie.
De geactiveerde mini-osmotische pomp wordt ondergedompeld in steriele zoutoplossing, wat een lucht vrije omgeving biedt voor de laatste stappen bij de constructie van het microinfusiesysteem. Een spuit, voorzien van dunwandige plastic slang en gevuld met dezelfde oplossing als in de pomp, wordt gebruikt om de lucht uit het ongevulde gedeelte van de polyethyleenslang te verdrijven. Let erop dat ook de lucht in de microcannule moet worden verdreven.
Op dezelfde manier moet het distale uiteinde van de polyethyleenslang mogelijk worden gedilateerd met micro-pincetten, waarna het proximale uiteinde van de microcannule wordt ingebracht. Het gehele systeem is nu vrij van lucht of dode ruimte en kan uit het zoutoplossingsbad worden gehaald en met steriel gaas drooggedept worden. Luma bond wordt vervolgens aangebracht om de microcannule aan de polyethyleenslang te bevestigen. Om de stroomsnelheid van de mini-osmotische pomp met ongeveer de helft te verminderen, wordt steriele warme paraffine in een kleine Petrischaal gegoten en wordt de proximale helft van de mini-osmotische pomp kortstondig ondergedompeld.
Overtollige paraffine wordt weggedept en het micro-infusiesysteem wordt teruggeplaatst in steriele zoutoplossing en bewaard tot de operatie. Vlak voor de chirurgische implantatie wordt de geleidedraad bevestigd aan de knik in de microcannule.
De longitudinale as van de geleidedraad wordt uitgelijnd met het gedeelte van de microcannule dat in het hersenweefsel zal worden ingebracht en wordt met lumon gefixeerd. In deze positie kan het microinfusiesysteem vervolgens op een manipulator van een stereotaxisch instrument worden geplaatst.
De geleidingsdraad wordt vastgezet met een klem van een manipulatorarm en de pomp wordt van bovenaf vastgezet met een lus van steriele hechtdraad. Dit ondersteunt het gewicht en maakt het mogelijk om de microcannule perfect loodrecht op het schedeloppervlak uit te lijnen door de geleidingsdraad voorzichtig met een pincet te buigen; het microinfusiesysteem kan vervolgens worden geïmplanteerd volgens de standaard stereotaxische procedure. De boel-tubing wordt met lijm op het schedeloppervlak bevestigd.
We gebruiken een Jaron-vijl om een voetstuk met een laag profiel te vormen. Het overtollige geleidingsdraad dat boven de preparatie uitsteekt, wordt vervolgens vlak met het oppervlak van het voetstuk afgesneden. Met behulp van een snijschijf bevestigd aan een hogesnelheidsboor kan de mini-osmotische pomp vervolgens subcutaan tussen de schouderbladen van het dier worden geplaatst.
De huidige methode biedt een aantal voordelen ten opzichte van traditionele technieken. Deze kan op maat worden gebouwd om aan te sluiten bij de soort en leeftijd van het proefdier. De silica-buisjes kunnen zodanig worden gevormd dat ze aansluiten op het oppervlak van de schedel van het dier.
Hierdoor is een veilige fixatie met een laag profiel mogelijk en is een groot craniaal platform niet langer nodig, waardoor de chirurgische wond eenvoudig over het gestroomlijnde micro-infusieplatform kan worden gesloten. Dit vermindert zowel het risico op infecties als het ongemak voor het dier, en voor de bevestiging van het systeem aan de schedel is minder oppervlakte nodig. Bijgevolg kunnen aanvullende of opeenvolgende procedures worden uitgevoerd zonder hinder van een groter platform. Het belangrijkste is echter dat deze methode de invasiviteit en het trauma aan de lokale omgeving van de infusieplaats vermindert, waardoor het waarnemerseffect tot een minimum wordt beperkt.
Dat zijn de veranderingen die de actieve waarneming teweegbrengt in het waargenomen fenomeen.
Bekijk het volledige transcript en krijg toegang tot duizenden wetenschappelijke video's
Overzicht
Dit artikel presenteert een methode voor de preparatie en implantatie van een chronisch infusiesysteem in de hersenen. Door gebruik te maken van een borosilicaat microcannule met een tipdiameter van 50 microns, maakt deze techniek een verbeterde nauwkeurigheid mogelijk bij het toedienen van neuroactieve stoffen.
Belangrijkste studiecomponenten
Wetenschapsgebied
- Neurowetenschappen
- Neuroengineering
- Neurofarmacologie
Achtergrond
- Vooruitgang in de neurowetenschappen vereist nauwkeurige methoden voor het onderzoek naar hersenstructuren.
- Traditionele toedieningssystemen missen mogelijk de benodigde resolutie.
- Micro-infusiesystemen kunnen de toediening van neuroactieve stoffen verbeteren.
- Onderzoek uitgevoerd bij het McLean Hospital, Harvard Medical School.
Doel van de studie
- Om de constructie van een micro-infusiesysteem te demonstreren.
- Om de continue toediening van neuroactieve stoffen aan specifieke hersengebieden mogelijk te maken.
- Om de nauwkeurigheid van de toediening van neuroactieve stoffen te verbeteren.
Gebruikte methoden
- Fabricage van een borosilicaatglas microcannule.
- Vergelijking van de microcannule met conventionele infusiecannules van roestvrij staal.
- Chronische implantatietechnieken voor langdurige toediening.
- Ondersteuning van de Sydney rbe Foundation en Narsad.
Belangrijkste resultaten
- Microcannules hebben een tipdiameter die 5 tot 10 keer kleiner is dan die van conventionele canules.
- Betrouwbare toediening van neuroactieve stoffen op specifieke plaatsen in de hersenen is aangetoond.
- Verhoogde precisie bij de toediening van neuroactieve stoffen.
- Potentieel voor verbeterde resultaten in neurowetenschappelijk onderzoek.
Conclusies
- Het ontwikkelde micro-infusiesysteem vertegenwoordigt een aanzienlijke vooruitgang in de neurowetenschappelijke methodologieën.
- Verbeterde toedieningssystemen kunnen leiden tot nauwkeurigere onderzoeksresultaten.
- Toekomstige toepassingen kunnen het gebruik van micro-infusiesystemen uitbreiden naar diverse neurowetenschappelijke studies.
Veelgestelde vragen
Industriële Relevantie voor Managers
Precieze toediening van neuroactieve middelen aan specifieke locaties in de hersenen is van cruciaal belang voor targetvalidatie en mechanistische risicoreductie bij de ontdekking van geneesmiddelen in de neurowetenschappen. Dit microinfusiesysteem vermindert de invasiviteit en het weefseltrauma, waardoor de betrouwbaarheid van de gegevens en het translationele vertrouwen in preklinische modellen worden verbeterd. Het aanpasbare, low-profile ontwerp ondersteunt schaalbaar gebruik over verschillende soorten en studieontwerpen, wat de efficiëntie van de portfolio-triage verhoogt.
Strategische Toepassingen in Biopharma R&D
Vroege ontdekking & targetvalidatie
- Wetenschappelijke waarde: Maakt het toetsen van therapeutische hypothesen mogelijk met een minimaal observer-effect door chirurgisch trauma.
- Operationele waarde: Ondersteunt de reproduceerbare toediening van verbindingen om target engagement in vivo te valideren.
Screening & Assayontwikkeling
- Wetenschappelijke waarde: Biedt een gestandaardiseerd platform voor continue toediening van stoffen in dosis-responsstudies.
- Operationele waarde: Vergemakkelijkt de gereedheid van assays door consistente fabricage en implantatie van microcannules.
Translationeel & Preklinisch Onderzoek
- Wetenschappelijke waarde: Sluit aan bij ziekterelevante systemen door chronische toediening mogelijk te maken in anatomisch accurate modellen.
- Operationele waarde: Vermindert variabiliteit door ontstekingen en storende letsels, wat de preklinische voorspelbaarheid verbetert.
Integratie van Pipeline & Workflow
De methode integreert in de discovery biology via hypothesetesten, screening door middel van kwantitatieve aflevering en translationeel onderzoek door preklinische continuïteit te ondersteunen met verminderde biologische ruis.
- Discovery Biology: Maakt precieze targetvalidatie mogelijk door storende letsels in de hersengebieden van belang te minimaliseren.
- Screening: Levert middelen met een hoge reproduceerbaarheid, wat bijdraagt aan betrouwbare resultaten bij het screenen van verbindingen.
- Analytics: Produceert kwantificeerbare blootstelling aan neuroactieve middelen, wat helpt bij de vergelijkende analyse van condities.
- Translationeel Onderzoek: Ondersteunt de continuïteit naar preklinische validatie door chirurgische storende factoren te verminderen die biomarker-signalen maskeren.
- Enterprise Hergebruik: Vertegenwoordigt een herbruikbare capaciteit voor chronische infusie over meerdere neurofarmacologische projecten.
Operationele & Bedrijfsimpact
- Wetenschappelijke waarde: Voorspellende betrouwbaarheid door vermindering van mechanistische ambiguïteit als gevolg van chirurgisch trauma.
- Operationele waarde: Standaardisatie en schaalbaarheid via aanpasbare fabricage van microcannules.
- Strategische waarde: Verbeterde go/no-go-beslissingen door verhoging van de datavaliditeit in target-validatiestudies.
- Impact op portfolio: Risico-gecorrigeerde prioritering door verbeterde preklinische signaal-ruisverhoudingen.
Overwegingen voor de implementatie
- Vereist expertise in het trekken van glazen micropipetten en het vormen hiervan door verhitting.
- Toegang tot een microforge, stereotaxische instrumenten en aseptische technieken is noodzakelijk.
- Vereist standaardisatie tussen teams voor de afmetingen van de canule en de implantatieprotocollen.
- Omvat overwegingen voor aanpassing aan variërende schedelcontouren en doeldieptes tussen verschillende soorten.
- Beperkt door handmatige fabricatiestappen die de doorvoer kunnen beïnvloeden zonder video-ondersteunde training.
