Summary
Intubation-medieret intratracheal (IMIT) instillation af reagenser er en fremragende, ikke-invasiv metode til undersøgelse af respiratorisk sygdom, såvel som en metode til at vække terapeutiske reagenser direkte ind i lungen. Det er en hurtig og yderst reproducerbar metode, som er egnet til præklinisk testning.
Abstract
Sygdom undersøgelser respiratoriske involverer typisk anvendelse af murine modeller som surrogat-systemer. Der er imidlertid betydelige fysiologiske forskelle mellem murine og humane respiratoriske systemer, især i deres øvre luftveje (URT). I nogle modeller, kan disse forskelle i den murine næsehulen have en betydelig indvirkning på sygdomsudvikling og præsentation i de nedre luftveje (LRT), når du bruger intranasale instillationsperioder teknikker potentielt begrænser nytten af musemodel til at studere disse sygdomme. Af disse grunde ville det være fordelagtigt at udvikle en teknik til at indpode bakterier direkte ind i muselunger for at studere LRT sygdom i fravær af inddragelse af URT. Vi har kaldt denne lunge specifikke levering teknik intubation-medieret intratracheal (IMIT) instillation. Denne ikke-invasiv teknik minimerer potentialet til instillation i blodbanen, som kan forekomme under mere invasive traditiOnal kirurgiske intratracheale infektion tilgange, og begrænser muligheden for tilfældige fordøjelseskanalen levering. IMIT er en to-trins proces, hvor mus først intuberet med et mellemliggende trin for at sikre korrekt placering af kateter i luftrøret, efterfulgt af indføring af en stump kanyle ind i kateteret til at mediere direkte levering af bakterier i lungerne. Denne fremgangsmåde muliggør en> 98% effektivitet af afgivelse til lungerne med fremragende fordeling af reagens i hele lungen. Således IMIT udgør en ny tilgang til at studere LRT sygdom og terapeutisk levering direkte ind i lungerne, en forbedring af evnen til at anvende mus som surrogater til at studere human respiratorisk sygdom. Desuden gør også nøjagtighed og reproducerbarhed af denne leveringssystem det modtagelig for god laboratoriepraksis Standards (GLP'er), samt levering af en bred vifte af reagenser, som kræver høj effektivitet levering til lungen.
Introduction
Mus er blevet anvendt til at modellere mange sygdomsmanifestationer humane, herunder et utal af luftvejssygdomme. Surrogat sygdomsmodeller er ofte ude af stand til at rekapitulere alle aspekter af en modelleret sygdom, typisk som følge af vigtige fysiologisk eller immune forskelle i de to host-modeller. Således er en målsætning om at forbedre modelsystemer er at udvikle metoder, der giver erstatning til at tættere spejle en sygdom proces eller vært reaktion som observeret i den oprindelige vært system. Der er flere vigtige fysiologiske forskelle mellem mus og mennesker i den mekanisme, hvormed disse giver luft. Inkluderet i disse forskelle er betydelige ratiometriske forskelle i størrelse mellem URT og LRT. Det er blevet anslået, at mus besidder> 100 gange den URT overfladeareal i forhold til mennesker, normaliseret til total lungekapacitet 1,2. Således nasale turbinater musens give mulighed for mere omfattende filtrering af inspireret luft for at lette en meget større hastighed af breathing, som kan have en betydelig indvirkning på studier af lungebetændelse, hvis infektion i næsehulen spiller en væsentlig rolle i sygdomsudviklingen.
Adskillige forskellige fremgangsmåder er blevet anvendt til at indpode bakterier i lungerne af mus til at studere human-lignende luftvejssygdom. Den mest almindelige af disse fremgangsmåder er intranasal podning, hvor en flydende suspension påføres på den ene eller begge næsebor af en mus. Mens relativt enkel, forbehold såsom instillation omfanget og typen af anæstesi anvendes, kan påvirke effektiviteten af instillation i LRT via intranasal podning 3-5. Specifikt Miller et al. har vist, at intranasal inddrypning af Francisella tularensis i mængder mindre end 50 pi resulterede ikke i instillation af bakterier i LRT 6. De har endvidere observeret bedre LRT instillation, når du bruger inhaleret isofluran i modsætning til injiceret ketamin / xylazin til anæstesi. Men vores experience med Yersinia pestis intranasal podning viser mere ensartet podning kan opnås ved anvendelse af ketamin / xylazin sammenlignet med isofluran (MBL, upublicerede data). Disse forskelle kunne tilskrives patogen brugt eller variation i laboratorie- procedurer, men vigtigst at fremhæve den potentielle variabilitet i denne teknik. Endvidere lunger høstet kort efter intranasal instillation viser, at en relativt lav procentdel af den indledende bakterielle inokulum når lungerne (i tilfælde af Y. pestis, blev kun 10% genvundet 1 time efter inddrypning 7), tyder på, at et stort antal bakterier kan bevares i URT (eller sluges i mavetarmkanalen). I visse sygdomstilstande modeller, kan denne betydelige aflejring af bakterier på URT mucosa forvirre vores forståelse af sygdommens progression såfremt organismen er i stand til at kolonisere murine næsehulen i strid med den humane sygdom. For eksempel ved anvendelse af in vivo </ Em> billedbehandling, er det blevet observeret, at Burkholderia pseudomallei, som ikke kolonisere menneskets URT, forårsager en overvældende opportunistisk infektion i murine næsehulen, når den leveres ved intranasal instillation metode 8.
Andre fremgangsmåder til at indpode bakterier i lungerne af mus er også blevet anvendt i infektionssygdomme forskning. Men sammenlignet med intranasal instillation disse metoder tendens til at kræve mere teknisk ekspertise og / eller dyrt udstyr uden at eliminere risikoen for infektion initiering på flere steder (f.eks aerosol [URT og LRT] transoral [fordøjelseskanalen og LRT] og kirurgisk intratracheal [LRT og blodet]). I betragtning af de potentielle komplikationer, der kan være forbundet med sekundære steder med infektion, vi søgt at udvikle en intratrakeal tilgang, som omgår URT og leverer patogen direkte ind i lungerne på bedøvede mus, men også begrænser utilsigtet inoculation i blodet eller mavetarmkanalen. Mod herpå blev intubation-medieret intratracheal (IMIT) instillation udviklet som en kirurgisk procedure, som sikrer LRT instillation af inoculum ved at inkludere et mellemliggende skridt til at kontrollere korrekt placering af kateter før instillation. Denne metode er beskrevet ved hjælp af farvestof instillation visuelt vise bred fordeling af inoculum hele lungen, og P. aeruginosa instillation at påvise meget effektiv levering (> 98% af inoculum) af denne fremgangsmåde til lungen. Vigtigere er det, mens oprindeligt udviklet til bakteriel levering, IMIT tilbyder også et effektivt redskab til: i) indlæggelse af forskellige molekyler til studiet af andre respiratoriske sygdomsmodeller, ii) lunge-specifikke terapeutiske levering, og iii) grundlæggende lungefunktionen undersøgelser, herunder målrettede siRNA levering til lungen.
Protocol
BEMÆRK: Alle de her beskrevne procedurer blev gennemgået og godkendt af University of Louisville Institutional biosikkerhed Udvalg (protokol # 13-056) og Institutional Animal Care og brug Udvalg (protokol # 13-064).
1. Fremstilling af Dye
- Fortynd 0,1% (vægt / volumen) Coomassie Brilliant Blue i PBS og Filtersteriliser ved anvendelse af et 0,45 um sprøjtefilter.
2. Fremstilling af Pseudomonas aeruginosa Kultur
- 15 timer før instillation, inokulere 3 ml bouillonkultur med en enkelt bakteriekoloni.
- Dyrk kulturen i 15 timer ved 37 ° C på et rysteapparat (200 rpm).
- Centrifuge 1 ml af kulturen i et 1,5 ml mikrocentrifugerør 12.000 xg i 30 sek.
- Fjern mediet, og pellet resuspenderes i 1 ml PBS.
- Fortynde en portion af den bakterielle stamopløsning 1:10 i PBS og måling af OD 600 af den fortyndede bakteriesuspension at bestemmebakteriel koncentration.
- Den bakterielle stamopløsning i PBS fortyndes til den ønskede koncentration af bakterielle inokulum under anvendelse af et volumen på 50 pi til IMIT inokulering.
3. IMIT Instillation
- Placere en gruppe af mus i isoflurananæstesi induktion kammer og bedøver anvendelse af en 2 - isofluran / oxygenblanding 3%.
- I den indledende indtræden af sedation, harmoniske musen, holde musen oprejst, og administrere 10 pi af en 2% lidocain-opløsning ved tvangsfodring nål på bagsiden af halsen, og lad opløsningen løbe ned til epiglottis. Retur musen til anæstesi kammer.
- Tillad mindst 5 minutter for at tillade lidocain at drage fuld virkning som en lokalbedøvelse.
- Når mus har nået det ønskede niveau af sedation (vejrtrækning på ~ 60 bpm), reducere isofluran til 2% for at opretholde sedation.
- Preload farvestof eller bakteriel inokulum i en 250 pi gastætpræcision sprøjte udstyret med et 22 G lang stump nål.
- Først udarbejder 150 pi luft målt ved Teflon sprøjtens stempel. Dernæst udarbejder 50 pi inokulum ved at fremme Teflon stemplet fra 150 pi mærke til 200 pi-mærket på sprøjten krop.
BEMÆRK: Når prøven er skubbet ind i en intuberede mus, vil 50 gl suspension leveres først, efterfulgt af en 150 pi luftpude, som vil distribuere inokulum hele lungen.
- Først udarbejder 150 pi luft målt ved Teflon sprøjtens stempel. Dernæst udarbejder 50 pi inokulum ved at fremme Teflon stemplet fra 150 pi mærke til 200 pi-mærket på sprøjten krop.
- Tag en mus fra induktion kammer og lå på ryggen på en intubation platform. Fastgør musen til platformen ved at hægte sine fortænder med en O-ring fastgjort til velcrobånd, og sikring af Velcro til platformen. Hæv musen til en 45 ° hældning.
- Ved hjælp af en mikro bomuld applikator trække tungen med en rullende bevægelse ved hjælp af den dominerende hånd.
- Med den nondominant hånd, skal du bruge en driver otoskop pasform med en intubation specula til både maintain tunge tilbagetrækning og visualisere glottis.
- Med den dominerende hånd, skal du bruge en ledetråd gevind gennem en 20 G kateter intubationstid musen, siddepladser kateteret til en 10 mm dybde i musen luftrøret (kateter er fit med en silicium ærme med 10 mm blottet kateter). Fjern otoskop / specula.
- Bekræft, at musen er blevet intuberet korrekt ved at sikre kateteret med nondominant hånd, mens kortvarigt fastgøre en Luer tilsluttet længde på 1/16 "klar slange, der indeholder et farvestof.
BEMÆRK: Farvestoffet vil hurtigt migrere og tilbage som reaktion på vejrtrækningen. - Må ikke fortsætte med de efterfølgende trin, hvis der ikke er etableret en bekræftelse af intubation på dette punkt. Hvis intubation forsøgt mislykkedes, skal du nulstille kateteret og guidekablet for en ekstra forsøg på intubation.
BEMÆRK: Det er tilrådeligt at forsøge mere end to intubationer af en mus i en session uden at forårsage trauma til musen. - Fortsæt tilfastgøre kateter med nondominant hånd, mens indsætte præcision sprøjte / stump nål indeholder væsken suspension / luftpude.
- Dispensere væske / luft direkte ind i lungerne i en enkelt flydende bevægelse og straks fjernes kanylen / kateteret fra musen.
- Retur musen til et bur og tillade genvinding fra anæstesi.
4. Karakterisering af IMT Delivery
- Efter IMIT instillation, aflive musen ved CO 2 kvælning på et passende tidspunkt efter podning.
- Fastgør aflivet musen på en dissektion bord og suge brystet og maven med 70% EtOH ved hjælp af en sprøjteflaske.
- Hvis evaluere fordelingen af et imagografimiddel hele lungen, fjerne lungerne fra dyret ved hjælp af steril teknik og vise lungerne som passende til billeddannelse.
BEMÆRK:. Lungerne kan være forberedt på yderligere histologiske farvningsteknikker gennem passende fiksering eller kryopræservering </ Li> - Hvis evaluering af den bakterielle belastning i inficerede lungevæv, fjerne lungerne fra dyr under anvendelse af steril teknik. Placer lunger i en steril, forafvejet 1 ounce prøve taske. Veje og notere vægten af prøven taske + lungerne.
- Tilsæt 1 ml sterilt 1x PBS til hver prøve pose + væv. Reseal prøve taske.
- Homogenisere væv ved blid rullende en 25 ml serologisk pipette løbet prøve taske + vævet.
- Generere serielle fortyndinger af lungehomogenat i sterilt PBS og plade på agarplade (LB, eller som svarer til de bakteriearter blive undersøgt):
- Gennemføre en seks gange seriel fortynding i en U-bund plade med 96 brønde ved multikanalspipettor derefter plade tredobbelte prøver af multikanal på agar plade.
- Inkuber agarplader natten over ved 37 ° C og tælle kolonidannende enheder næste dag.
Representative Results
At visualisere fordelingen af indpodet materiale via IMIT metode blev 50 pi 0,1% Coomassie Brilliant Blue farvestof indpodet i lungerne på en bedøvet mus. Musen blev straks aflivet, og lungerne blev fjernet ved steril obduktion. Figur 1 viser, at farvestoffet blev leveret til alle lapper af lungen.
For at bestemme mængden af bakterier indgives til lungerne via IMIT metode, tre grupper af mus (n = 3) blev indpodet med tre forskellige koncentrationer af P. aeruginosa (1,21 x 10 8, 1.21x10 7 og 1.21 x 10 6 kolonidannende enheder [CFU] pr 50 pl). Umiddelbart efter IMIT instillation blev musene aflivet, lungerne fjernes, og antallet af bakterier blev optalt og sammenlignet med inoculums (figur 2). Levering af inokulum er højeffektive via denne metode, med> 98% af inokulum udvundet fra lungerne af indpodetdyr. Endvidere IMIT instillation var meget reproducerbar uanset koncentrationen af inoculum (R2 = 0,9951).
Figur 1: IMIT instillation distribuerer inokulum hele lungerne Lunger fra mus indpodet med 50 pi 0,1% Coomassie Brilliant Blue show blåt farvestof fordelt i alle lapper..
Figur 2:. IMIT instillation af bakterier i lungerne Mus blev indpodet med P. aeruginosa og antallet af bakterier indpodet i lungerne (Log 10 CFU - genvundet) blev sammenlignet med den anslåede inokulum (Log 10 CFU - leveret). Hver cirkel repræsenterer CFU / lunge af en individuel mus (n = 3 for hverbakteriel dosis).
Discussion
IMIT instillation har vigtige forbedringer af eksisterende respiratoriske sygdomsmodeller i evnen til på reproducerbar indpode reagenser direkte ind i lungen. Det er en hurtig tilgang, som er ideelt beliggende for et team af to forskere, hvoraf den ene forvalter logistikken i anæstesi og anbringelse i bur, og de andre, der udfører IMIT teknik. Store undersøgelser kan udføres ved anvendelse IMIT med en gennemsnitlig tid engagement af 2 - 3 min per mus. Fordi tilgang gør brug af isofluran som et bedøvelsesmiddel, mus inddrive hurtigt fra anæstesi, reducerer dyrehold tid overvåge dyr gennem opsving.
Den mest teknisk udfordrende aspekt af IMIT metode er den indledende trin intuberende mus. Enkeltpersoner lære at udføre IMIT er i stand til at fokusere på dette første trin af kateteranbringelse og sikre, at intubation er opnået gennem visuel bekræftelse af farvestof bevægelse. Fordelen ved denne tilgang er, at lunge-specSp ec ifik instillation er garanteret ved brug af bekræftelse af intubation, hvilket øger tilliden til både de nye såvel forskere som eksperten forsøger at intubere en vanskelig dyr. De vigtigste elementer i at optimere sandsynligheden for en vellykket intubation er: i) at opnå en dyb sedation at give tilstrækkelig arbejdstid, ii) korrekt placering af specula i munden for at tillade god visualisering af epiglottis, iii) god dybde placering af specula således at tungen forbliver tilbagetrukket hele proceduren, og iv) anvendelse af vippeplatformen at understøtte forskerens hænder, så proceduren gennemføres afslappet og med en stabil tilgang.
En af de begrænsninger af IMIT procedure er relateret til hyppigheden af IMIT instillationsperioder begivenheder. På grund af den potentielle traumer forbundet med en forpasset intubation, er det ikke anbefales, at mere end to intubation forsøg udføres i en enkelt session (op til to misser). IMIThar en fremragende potentiale i dens evne til at blive anvendt til at levere terapeutiske midler i den murine lunge, kan dog terapeutiske regimer, der gør brug af meget hyppig levering af reagens i lungen ikke være egnet til IMIT. Det kan være muligt at IMIT kan anvendes dagligt at afgive reagenser til en murin lunge uden at forårsage signifikant traume, men kun når den udføres af en højt kvalificeret forsker, da størstedelen af traumer forbundet med intubation menes at være forbundet med en savnet intubation begivenhed . Sådanne højfrekvente IMIT bør drøftes med de lokale dyrlæger og IACUC.
En yderligere potentiel begrænsning af IMIT er størrelsen af mus, som bliver intuberet. Den IMIT procedure beskrevet ovenfor, blev udviklet ved hjælp af mus på ca. 17-22 g, hvor en 20 G kateter blev fundet at være en passende størrelse til luftrøret af mus i dette størrelsesområde. Større katetre har været anvendt med succes i ældre mus; den indledende udvikling af IMIT made anvendelse af en 18 G kateter i BALB / c-mus, som er> 20 g. Vigtigt, hvis der anvendes alternative kateter størrelser, stumpe nåle bør fremskaffede som passer lumen af kateteret og er trimmet til en længde, der strækker sig lige 1 mm ud over kateterspidsen. Intubation af mus mindre end 17 g kan være muligt, men kan ikke anbefales på grund af den ekspertise, der kræves, og ville kræve brug af mindre katetre og specula end beskrevet ovenfor.
Vi har brugt IMIT til levering af flere respiratoriske patogener foruden P. aeruginosa, herunder B. pseudomallei 9 og Klebsiella pneumoniae 10. Den IMIT model har gjort store fremskridt på vores studier af B. pseudomallei luftvejssygdom have identificeret at intranasal podning forårsager en tidlig, URT-relateret sygelighed af mus snarere end systemisk sygdom endpoint observeret i human sygdom 9. B. pseudomallei er en Tier 1 select agent biodefense virkning, og som sådan, respiratoriske sygdomsmodeller udvikles til aerosoludsættelse hvilke modeller en potentiel biodefense relateret rute for overgang til biologiske kampstoffer patogener. Fordi de nuværende aerosol modeller resulterer i infektion af både URT og LRT, de samme potentielle tidlig sygelighed fænotyper vi har identificeret for intranasal model B. pseudomallei respiratorisk sygdom kan gælde for aerosol-modellen. En fremtidig tilpasning af IMIT model kunne være en intubation-medieret aerosollevering (IMAD), hvor mus at være intuberet for target aerosol levering kun ind i lungen. Mekaniske ventilatorer er i øjeblikket tilgængelige for at opretholde isoflurananæstesi, som kan tilpasses til at levere en aerosoliseret snarere end væske baseret patogen udfordring.
IMIT blev oprindeligt udviklet som en metode til at optimere leveringen af bakterier til lungen, men har også anvendelse til levering af andre reagenser i muselunge. Som disdrøftet ovenfor, intranasal levering af forbindelser i mus resulterer i en lav effektivitet, meget variabelt levering af reagenser i målorganet af lungen. Intranasal levering af Positron Emission Tomography (PET) til billeddannelse reagenser til den murine lunge gav en 40% levering effektivitet 11, hvorimod vi har vist, at IMIT tilbyder en fremragende alternativ til andre lunge levering tilgange med dens> 98% levering effektivitet og multilobar distribution. Denne forbedring i målrettet levering til lungen har potentiale til at øge reproducerbarheden af terapeutisk levering til behandling af lungesygdom. IMIT kunne ligeledes tilbyde fordele til undersøgelser af: i) virkningen af miljømæssige pulmonale irritanter, ii) lungekræft fænotypiske undersøgelser, iii) lunge-specifikke siRNA knock-down.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Rodent, Tilting WorkStand | Hallowell EMC | 000A3467 | Base should be detached when working in a BSC |
| Operating Otoscope Head | Welch Allyn | 21700 | |
| Otoscope 3.5 V Li Battery | Welch Allyn | 71900 | |
| Mouse Intubation Specula short, Autoclaveable | Hallowell EMC | 200A3589S | |
| Incisor Loops | Hallowell EMC | 210A3490A | |
| Cotton fine tip applicator | Puritan | 871-PC DBL | Used for tongue retraction |
| I.V. Catheter, 20 G | Exel Int | 26741 | Optional: fit a silicon sleeve with 10 mm exposed catheter surface |
| Gas tight syringe, 250 ul | Hamilton | 81120 | Used for delivery of liquid inoculum by IMIT |
| Blunt Needle, 22 G | Hamilton | 91022 | Trim to length to protrude 1 mm from 20 G catheter |
| Guide wire (Fiber optic wire, 0.5 mm) | TheFiberOpticStore.com | FOF .50 | Cut to 6" length: used as guide wire for intubation |
| Tuberculin syringe, 1 ml | Becton Dickinson | 309659 | Assemble with fiber optic wire as guide wire |
| Brilliant Blue R (Coomassie) | Sigma | B0149 | |
| Tygon tubing, 1/16" | Saint Gobain | ALC00002 | |
| Male Luer 1/16" barb | Cole Parmer | 45503-22 | |
| Female Luer 1/16" barb | Cole Parmer | 45500-00 | |
| Lidocaine, USP | Spectrum | LI102 | pH lidocaine into solution at 2%(w/v) pH7.0 |
| Sample bag, 1 oz | Whirl-Pak | B01067 | |
| U-bottom 96 well plate, sterile | Greiner | 650161 |
References
- Reznik, G. K. Comparative anatomy, physiology, and function of the upper respiratory tract. Environ Health Perspect. 85, 171-176 (1990).
- Hoyt, R. F. J., Hawkins, J. V., St. Clair, M. B., Kennet, M. B., et al. Chapter 2. The Mouse in Biomedical Research, Volume 2, Second Edition: Diseases (American College of Laboratory Animal Medicine). Fox, J. G. 2, Academic Press. 23-90 (2007).
- Visweswaraiah, A., Novotny, L. A., Hjemdahl-Monsen, E. J., Bakaletz, L. O., Thanavala, Y. Tracking the tissue distribution of marker dye following intranasal delivery in mice and chinchillas: a multifactorial analysis of parameters affecting nasal retention. Vaccine. 20, 3209-3220 (2002).
- Eyles, J. E., Spiers, I. D., Williamson, E. D., Alpar, H. O. Tissue distribution of radioactivity following intranasal administration of radioactive microspheres. J Pharm Pharmacol. 53, 601-607 (2001).
- Southam, D. S., Dolovich, M., O'Byrne, P. M., Inman, M. D. Distribution of intranasal instillations in mice: effects of volume, time, body position, and anesthesia. Am J Physiol Lung Cell Mol Physiol. 282, 833-839 (2002).
- Miller, M. A., et al. Visualization of murine intranasal dosing efficiency using luminescent Francisella tularensis: effect of instillation volume and form of anesthesia. PLoS ONE. 7, (2012).
- Lathem, W. W., Crosby, S. D., Miller, V. L., Goldman, W. E. Progression of primary pneumonic plague: a mouse model of infection, pathology, and bacterial transcriptional activity. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102, 17786-17791 (2005).
- Warawa, J. M., Long, D., Rosenke, R., Gardner, D., Gherardini, F. C. Bioluminescent diagnostic imaging to characterize altered respiratory tract colonization by the Burkholderia pseudomallei capsule mutant. Front Microbiol. 2, 133 (2011).
- Gutierrez, M., Pfeffer, T. L., Warawa, J. M. Type 3 Secretion System cluster 3 is a critical virulence determinant for lung-specific melioidosis. Submitted. , (2014).
- Fodah, R. A., et al. Correlation of Klebsiella pneumoniae comparative genetic analyses with virulence profiles in a murine respiratory disease model. PLoS ONE. In revision, (2014).
- Soto-Montenegro, M. L., et al. Assessment of airway distribution of transnasal solutions in mice by PET/CT imaging. Mol Imaging Biol. 11, 263-268 (2009).
