近红外标记剂对大鼠尾静脉注射的新的最佳验证

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Summary

在这里, 我们提出了一种方法来验证尾巴静脉注射在大鼠利用近红外荧光成像数据从染料纳入剂或生物探针。对注射前后的尾巴进行成像, 对荧光信号进行量化, 并对注射质量进行评估。

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Saleem, M., Stevens, A. M., Deal, B., Liu, L., Janjic, J., Pollock, J. A. A New Best Practice for Validating Tail Vein Injections in Rat with Near-infrared-Labeled Agents. J. Vis. Exp. (146), e59295, doi:10.3791/59295 (2019).

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Abstract

静脉 (IV) 给药到大鼠的尾静脉可能是困难的和不一致的。优化尾静脉注射是许多实验过程的关键部分, 在这些实验过程中, 试剂需要直接引入血液。在不知不觉中, 注射可以是皮下注射, 可能会改变科学结果。该方法利用一种基于纳米乳液的生物探针和集成的近红外荧光 (NIRF) 染料, 提供了在体内成功的尾部静脉注射成像能力.通过使用 NIRF 成像仪, 在注入制剂之前和之后拍摄图像。然后根据注入部位 NIRF 信号的强度, 定性或定量地确定可接受的 IV 注入。

Introduction

将药物管理到小动物中的途径是许多实验的关键点。它确定代理的交付位置, 以及随后代理随后将发生的情况。虽然其他路线可用于代理管理 1, 但静脉注射路线是某些制剂的首选路线。IV 注射允许直接注射到血液中的药物, 绕过一通组织的影响和需要外来溶质吸收1。这也允许针对血液23 中的细胞, 并直接传递到循环系统内的所有组织。在啮齿类动物中, 可以考虑几个静脉, 包括颈静脉、隐静脉和尾静脉。

在这种方法中, 一种含有生物探针的 nirf 染料--在这种情况下, 是一种纳米乳液 (图 1a)3456--被注射到大鼠的侧尾静脉中。这种特殊的含有 nirf 的纳米乳剂以前曾被用来成像和跟踪体内和体内的神经炎症 7, 8 在一个大鼠模型 9的神经病理性疼痛2,3,4, 5,10,11。在注射前后使用临床前近红外荧光成像仪进行成像 (见材料表)。这可用作验证代理管理质量的工具。在尾巴静脉注射之前进行成像可作为获得基线图像的基础。

在动物研究中, 静脉注射的纳米乳液越来越多地被用作生物探针和靶向剂 12131415。通过 16,17 的尾静脉给药是一个行之有效的挑战--无论是药物、病毒载体还是其他探针--并确保注射的全部内容已成功进入血液, 而不是周围的组织17。因此, 一种可视化和评估成功注射质量的方法是有益的。

通常情况下, 热灯或温水用于加热尾巴, 这会导致静脉扩张, 允许其在注射前的可视化。虽然这确保了更容易进入静脉, 但没有一个定量的方法来判断化合物是否已全部进入血液18,19, 20,21。这在动物株中变得更加困难, 因为在这些动物中, 静脉与皮肤的对比程度与皮肤有微弱的对比, 例如在黑鼠身上。通常情况下, 调查人员可以通过在注射过程中遇到阻力来测量注射失败, 在某些情况下, 还可以看到尾巴的隆起, 表明药物 22,23的皮下泄漏。

在本研究中, 在小动物 NIRF 成像系统上对注入活鼠侧向尾静脉的纳米乳状液进行 NIRF 成像 (见材料表)。喂大鼠一种特殊的纯化饮食 (见材料表), 以减少非特异性肠道荧光。利用 NIRF 成像仪和相关软件捕获白光和800纳米荧光的同步图像采集。在注射前和注射后的状态下, 在尾巴上测量相对荧光强度。注射部位感兴趣区域 (ROI) 的荧光强度记录并除以 ROI 的区域。可以对哪些注射是可以接受的进行定性评估。(可选) 通过设置可接受注射的阈值并将 ROI 测量值分配到组来进行进一步的定量分析, 在这一点上可以计算统计意义。

通过利用这种在尾静脉注射后的验证策略, 由于增加了代理管理的一致性, 研究的标准得到了提高。这种评估尾静脉注射质量的方法可以很容易地针对不同的注射剂进行定制, 以包括由几家公司商业提供的红外荧光探针。

Protocol

所有协议都是按照杜克斯纳大学国立卫生研究院和机构动物护理和使用委员会 (IACUC) 《实验动物护理和使用指南》中的准则执行的。

1. 准备和麻醉

请注意:无菌技术用于整个过程。只使用新的无菌材料和蒸压无菌仪器。需要佩戴个人防护设备 (无菌手套、发帽、外科口罩、擦洗), 以避免污染。

  1. 本协议中使用了体重250-300 克的成年雄性 Sprague-Dawley 大鼠。使老鼠生活在标准的生活条件下, 保持12小时的黑暗周期, 并提供食物和水。将动物放在社交场合, 将它们放在纸质床上用品上, 并提供特殊的饮食 (见材料表), 以避免成像过程中的自体荧光。
  2. 使用适当放置的加热垫, 将动物麻醉在20% 的氧气中的初始5% 异氟烷下, 然后进行不低于1.5% 且不超过3% 的维持水平, 除非动物苏醒或保持感觉。
  3. 通过对尾巴夹点缺乏反应来确认适当的麻醉。在整个过程中, 通过生命体征监测血液流动情况。

2. 注射前图像采集

  1. 将动物成像在临床前的近红外荧光成像仪中, 通过将动物侧向定位, 将注射部位暴露在侧向尾巴上, 以建立尾巴中的荧光基线 (图 1c, e)。使用 NIRF 成像仪和相关软件同时采集白光 (身体视图) 和近红外通道, 并使用链接查找表 (LUT)。
  2. 影像学检查后, 将动物移回手术台, 并将其置于麻醉下进行尾部静脉注射。
    请注意:继续监测动物的生命体征, 并通过尾巴夹紧重新检查适当的麻醉。

3. 含 nirf 剂的尾静脉注射

  1. 当动物处于俯卧的位置时, 将尾巴定位, 背侧朝朝上。在温水中扩张尾血管至少 1分钟, 使尾部静脉侧向 (右或左) 旋转30° (顺时针或逆时针), 以暴露左右尾静脉 (图 1b)。
    1. 一旦找到了侧向尾静脉 (扩张时看起来是深色的), 用酒精垫对整个尾巴进行消毒, 重复2倍。
    2. 在适当的剂量的基础上, 研究设计, 开始注射在远端尾骨椎体区域的尾巴和移动更多的近端, 如果正确的针放置失败。
  2. 将一个 25–27 g 无菌针头, 斜上, 插入侧向尾静脉, 尾巴在180°角, 插入与提升的尾巴平行的针。观察针头边缘的血液闪回, 以确保正确的位置。如果没有明显的闪回, 慢慢移动针尖 (而不将其从尾部取出), 以找到静脉插入。如果放置在皮下, 就不会发生血液闪回。
  3. 将注射器与注射材料插入针头边缘。当达到适当的位置时, 注射液在注射时不会产生阻力。注射将顺利、方便地进行。注射后, 取出针头和注射器, 用无菌纱布施加压力至少 1分钟, 以确保凝血, 并在尾巴上用笔标记注射点, 确保在白光图像上可见。
    请注意:注射部位不会出现血肿或病变。
  4. 如果针尖在注射器插入过程中移动, 请取出针头, 然后在同侧尾静脉上更近的地方重试针头进入过程。如果尝试了不同的重新输入点, 请不要重复使用相同的针。
    请注意:或者, 可以使用带有血液流动指示器的 IV 导管进行注射 (见材料表)。这对静脉穿刺过程中导管的视觉确认有好处。将导管, 斜面向上插入, 按前面描述的角度。观察血液流动指示器整个长度的及时闪回, 以确保正确的放置。在注射前, 可以使用轻微的背压将血液抽入注射器, 以确认在血管中的正确位置。同样, 也不会感受到抵制。

4. 注射后图像采集

  1. 在临床前近红外荧光成像仪中进行与基线注射前图像相同方向的尾静脉注射后进行质量评估。在将动物放入成像仪之前, 确保动物仍被适当麻醉, 并在成像期间保持麻醉状态。
    请注意:应使用包含带麻醉连接的抽屉外壳和动物面罩的成像系统 (如果有的话)。
  2. 将动物的侧向定向, 使其侧向部的注射部位 (如标记的) 在侧向尾巴上暴露出来。检查 NIRF 信号是否仅存在于注射部位。这表明尾巴静脉注射成功 (图 1d)。
    请注意:如果信号分散在整个尾部, 则被视为皮下信号, 因此不成功 (图 1f)。图 2显示了注射失败的其他示例。

5. 图像定量

请注意:图像量化可以使用与近红外成像仪配套的成像软件一起进行, 如果此功能可用的话。或者, 也可以使用其他商业上可用的图像分析软件24

  1. 在注射后图像中, 在注射部位2,6的荧光区域周围绘制感兴趣的区域。
  2. 测量面积和相对荧光强度, 并记录为面积强度。使用适当的统计分析 (取决于研究组和条件), 定性或定量地比较注射后和基线注射前图像。
    请注意:研究人员可以确定区分好与不良注射的阈值, 或为注射分配一定比例的质量。

Representative Results

将含有 nirf 的纳米乳剂注射到外侧尾静脉中, 并按照协议中所述, 用小动物成像仪 (材料表) 拍摄注射前和注射后的图像。注射后图像对注射质量进行定性评估, 并放入 "良好注射" (n = 7) 和 "不良注射" (n = 4) 组。通过对注射后区域荧光强度的观察, 进行了定性评价。在最佳注入中, NIRF 信号仅限于注射部位。如果注射成功, 就不会看到任何信号, 因为该制剂已完全转移到血液中。质量差的注入显示沿尾部长度分散的 NIRF 信号。

使用随附的 NIRF 成像仪软件对图像进行了分析。在注射前图像的位置 (图 1c、e) 和注射后图像中的荧光区域周围绘制了感兴趣的区域 (图 1d, f)。在整个尾巴长度中可以看到荧光的图像被认为是不可接受的, 并从分析中删除 (图 2)。记录了该区域和荧光强度的测量结果。计算并绘制了区域荧光强度值 (图 1g)。在 "不良注射" 组中观察到注射前和注射后图像荧光强度的显著差异 (未配对t-测试) (图 1g) (p = 0.0024)。

Figure 1
图 1: 基于 Nirf 的纳米乳液和尾静脉图像.(A) 将含有 NIRF 染料的纳米乳液生物探针注入 (b) 侧向尾静脉, 并在 nirf 成像仪中成像。(Cd) 注射前和注射后的图像良好。(Ef) 注射不良的前和注射后图像。白色箭头表示注入点。通过评估注射部位 NIRF 信号的范围, 可以对良好注射与不良注射相比的成功进行定性评估。不可接受的注射显示荧光在整个长度的尾巴, 并从分析中删除 (图 2)。(G) 还可以对图像进行分析, 以揭示荧光强度的定量测量, 并由调查人员指定注射质量阈值。图上的误差线反映了 SEM。对于 "良好注射" 组, n = 7。对于 "不良注射" 组, n = 4。在比较注射前和注射后图像时, "不良注射" 组的荧光强度存在统计学差异 (未配对t-测试;p = 0.0024)。请点击这里查看此图的较大版本.

Figure 2
图 2: 注射不良的例子.(A) 在尾巴的一部分看到的荧光信号。(B) 在整个尾部长度上看到的荧光信号。(C) 荧光信号大量分散在动物身体的整个尾部和尾端区域。请点击这里查看此图的较大版本.

Discussion

由于对检测剂的管理不当, 研究实验室产生了巨大的成本。尾静脉注射是一个很难掌握的技术, 以达到一致的成功率, 与最有经验的技术人员往往会产生误管错误。没有可靠的方法来确认注射成功。该方案通过为研究人员提供了一种定性和定量的方法来验证小鼠尾静脉注射的成功与否, 从而解决了这一问题。在这里, 一个 nirf 标记的纳米乳液 7,8,25纳入了选择的剂 (在这种情况下, 一种药物), 并在注射的地点, 在 nirf 小动物成像仪成像。还可以选择开发一种非纳米乳液基制剂, 并通过采用市售的红外染料, 使用相同的 NIRF 成像原理。此外, 具有多种应用的即用成像剂, 如肿瘤成像、代谢成像、细胞贩运和凋亡, 也可在商业上获得。注射是通过使用无菌针或, 或者, 静脉导管进行;这取决于研究人员的偏好。此外, 自动尾脉注射器26已用于协助这一过程, 并与这一方法兼容。然而, 这项技术尚未在商业上获得。

尾静脉注射方法有重要步骤, 确保了更高的正确剂给药率。首先, 尾巴应该用乙醇清洗, 以清除任何污垢或碎片, 使研究人员能够更好地想象静脉。通过将尾巴浸入温水中扩张静脉也是该方法中非常重要的一步, 因为它允许注射的表面积更大。在需要多次尝试的情况下, 在尾部静脉上更远的点上注射会导致一些错误。注射应尝试在一个更近端的位置, 在尾巴的一个更近的位置, 因为尾巴静脉的大小增加, 因为动物的身体的尾端方面接近。此外, 如果在同侧尾静脉的三到五个部位针头置入失败, 则可使用对侧尾静脉。

测试剂的成功管理在注射点几乎没有 NIRF 信号。如果在注射过程中没有感觉到阻力, 并且尾部几乎没有荧光, 那么注射就可以记录为成功。如果在注射过程中感觉到阻力, 并且沿着尾巴的某些长度有 NIRF 信号的轨迹, 那么注射记录为不成功, 并且可能部分是皮下注射。对注射前和注射后的荧光图像进行了评估, 并通过定性观察或定量分析注射部位的荧光信号来评估注射的质量。NIR 荧光成像仪附带的软件通常能够执行此分析。

该方法可通过多种方式进行调整。适用于小鼠和大鼠的尾静脉注射。大多数小动物近红外荧光成像仪将能够容纳小鼠啮齿类动物。根据研究实验室的 IACUC 协议, 需要根据动物的体重调整麻醉水平。另一种可能的修改是制备一种非纳米乳液探针, 方法是将红外染料纳入研究人员的配方剂, 或购买适合特定生物应用的即用成像剂。

如果老鼠比较大, 往往很难将其定位在小动物成像仪中。因此, 建议在注射前与抽屉中的动物一起拍摄测试图像, 并确定尾巴可见的地方的视野。将尾部贴在成像仪的抽屉中是很有帮助的, 以确保它在成像过程中不会移动。

寻求评估小动物尾静脉注射质量的替代方法仅限于使用不干扰同时进行的实验程序并要求对注射后的动物进行安乐死的标记试剂12,13。有些试剂可能会影响研究结果和相关动物的治疗评估, 因此建议在实验设计中注意。

随着小动物成像技术的进步, 以及红外荧光探针的改进, 该方法在未来可以得到改进。生物探针与集成红外染料, 设计用于各种不同的应用, 可用于研究设计的代理管理阶段, 以验证注射的质量, 如本方法2,3 所述 , 27,28,29,30,31,32

Disclosures

作者没有什么可透露的。

Acknowledgments

J. a. p. 和 j. m. j. 联合设计了评价慢性收缩损伤大鼠模型纳米乳剂对神经病理性疼痛影响的实验方法。J. m. j. 利用纳米乳液、纳米乳液组合物和制备工艺, 构思并设计了针对巨噬细胞的整体药物输送方法。J. m. j. 生产了纳米乳液, 由 l. l. l. 在 j. m. j. 的指导下进一步制备。M. s. 和 a. m. s. 在 j. a. p. 的指导下, 由 j. m. m. s. 和 a. m. s. 联合进行了纳米乳液的稳定性评估, 并由 s. m. m. f. 和 s. s. 联合进行了动物护理、手术、行为、尾静脉注射和 NIRF 成像。手稿是由 m. s. 编写的, 协议是由 a. m. s. 编写的。

在杜克斯内大学的小动物成像系统上进行了近红外光学成像 (由匹兹堡组织工程倡议种子赠款提供支持)。J. m. j. 感谢国防部颁发的奖项编号 FA8650-17-2-6836、NIDA 奖编号1R21DA039621-01、NIBIB 奖编号 R21EB023104-02 和 AFMSA 奖编号 FA8650-17-2-8. 36。J. a. p. 和 j. m. j. 感谢匹兹堡组织工程倡议种子赠款的支持。J. a. p. 还承认亨克莱病奖、塞缪尔和艾玛·温特斯基金会、查尔斯·亨利·利奇 Ii 基金和英联邦普遍研究增强奖。J. a. p. 和 j. m. j. 感谢杜克斯内大学成立校长的跨学科研究联盟格兰杰 (并行称) 的支持, 该联盟为慢性疼痛研究联合会提供了支持。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
100% Oxygen air tank AirGas Heathcare n/a For ventilation of animal.
70% Ethanol Multiple sources n/a
Alcohol Pads Henry Schein 112-6131
Artificial Tears Henry Schein 100-2634 This protects the rats eyes while it is anesthetized.
Beaker Multiple sources n/a This holds warm water to dilate the tail veins.
Distilled water Multiple sources n/a
Exhaust Fans Hazard Technologies n/a For ventilation of lab, if it is not built in.
Face Mask Multiple sources n/a
Gas Chamber with tubing and face mask Multiple sources n/a
Gauze Pads Henry Schein 100-2634
Hair Bonnet Multiple sources n/a
Heating Lamp Multiple sources n/a
Heating Pad Multiple sources n/a
Isoflurane Southmedic Inc. ND66794-013-25
Padded Bench Cloth Box Board Products Inc. 026755100I
Pearl Small Animal Imager Li-COR Biosciences
Pearl Trilogy Small Animal Imaging System LI-COR Biosciences n/a Quote available via manufacturers web site. Other manufacturers such as Perkin Elmer (VisEn Medical FMT) offer preclinical NIR fluoresence imagers.
Scrubs, lab coat, shoe covers Multiple sources n/a
Sharps container Multiple sources n/a
special diet Research Diets, Inc, New Brunswick, NJ
Sprague-Dawley rats Hilltop Animals, Springdale, PA
Sterile injection cap Multiple sources n/a
Sterile needle, 27 G Multiple sources n/a
SURFLO IV Catheter, 24 G, yellow TERUMO SR+OX2419C1 This is an alternative to using a sterile needle. It provides additional indication of correct venous insertion.
Surgical gloves Multiple sources n/a
Surgical Tape Multiple sources n/a

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References

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