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 van een micro-infusiesysteem demonstreren voor de continue toediening van neuroactieve middelen. Dit werk is uitgevoerd in het laboratorium voor neurale reconstructie bij het McLean Hospital, Harvard Medical School.
Wij willen de Sydney rbe Foundation en Narsad bedanken voor hun gulle steun. We hebben vastgesteld dat neuroactieve middelen betrouwbaar kunnen worden afgeleverd op specifieke plaatsen in de hersenen via een getrokken Bo-silicaatglas microcannule met een tipdiameter die vijf tot 10 maal 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 vervaardigd.
Deze vermindering van de afmetingen van de toedieningscanule vertaalt zich in een dramatische vermindering van het trauma aan het bestudeerde hersengebied. Veel conventionele methoden veroorzaken in feite een laesie in of binnen het gebied van interesse, waardoor de validiteit van elk resultaat in twijfel wordt getrokken. In paneel A kunt u hier de mate van verstoring van het lokale gebied zien die wordt veroorzaakt door een canule van 0,32 millimeter, vergeleken met een canule van 50 micron in paneel B. Deze foto's bij lage vergroting zijn van natte preparaten van niet-gekleurde Vibram-secties.
Dezezelfde coupes werden vervolgens gekleurd met h&e en bij een hogere vergroting afgebeeld. Om de vermindering van weefselschade met de microcannule verder te illustreren, zijn de componenten van het microinfusiesysteem een zet mini Osmo-pomp met de bijbehorende roestvrijstalen doorstroomregelaar waarbij de flens is verwijderd. Twee tot drie centimeter polyethyleenslang, een op maat gemaakte BOA-silicaatmicrocannule en een 28 gauge geleidedraad; dit is het geassembleerde microinfusiesysteem, gereed voor implantatie.
Hier wordt een standaard verticale pipetpolaar gebruikt om microcannules met de gewenste specificaties te maken. Horizontale polaren zijn ook geschikt. De Bora-silicaatbuis wordt gepositioneerd en vastgezet door de temperatuur van het verwarmingselement en de spanning van de polaar te variëren.
U kunt betrouwbaar microcannules reproduceren met specifieke diameters en lange, taps toelopende schachtverbindingen. De Bora silica-buis wordt verhit en er wordt lichte druk uitgeoefend om de gewenste hoeveelheid buiging in de buis aan te brengen. Deze buiging wordt op een afstand van de punt van de microcannule aangebracht die passend is voor de diepte van het betreffende hersendoelwit, rekening houdend met de ruimte boven de schedel.
De uiteindelijke lengte van dit distale buisje van de microcannule, de buiging, is ongeveer 9 tot 10 millimeter. Blijkbaar niet tevreden met het resultaat, herplaatst Ryan de microcannule om een kleine aanpassing te maken en zo de buigingshoek te perfectioneren.
Het gebruik van een diamantstift 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 gedeelte van de microcannule vrij over de rand hangt. Ze maakt een cirkelvormige inkeping in de buis.
Vervolgens knapt ze, door lichte druk uit te oefenen, de slang netjes door op de inkeping. De fijne transparante tip van de canule kan daarna met permanente inkt worden gekleurd om de visualisatie te vergemakkelijken. Tijdens de operatie onder vergroting wordt de tip van de microcanule met microdissectieschaartjes op de gewenste diameter geknipt.
De diameter van de punt kan worden bevestigd met een oculair of een microscoop. Radiale uitlijningsdraden worden geprepareerd van roestvrijstalen draad van 28 gauge, die in stukken van ongeveer drie centimeter wordt gesneden. 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 polyethyleenslangen van twee tot drie centimeter in de microcannules. Het microinfusiesysteem kan worden samengesteld 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 micro-infusiesysteem en diverse 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 modulatorbuis van roestvrij staal verwijderd.
De mini-osmotische pomp wordt eveneens uit de verpakking gehaald en in de steriele Petrischaal geplaatst. De roestvrijstalen buis wordt ongeveer twee tot drie millimeter in de polyethyleen buis geschoven, waarna beide met lichtgeactiveerde epoxy worden verzegeld. Voor fijn werk gebruiken we Lummi bond uit mijn neurale laboratorium; 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 rechtopstaand vast te houden en zorgvuldig te injecteren met de vulnaald die door de fabrikant wordt geleverd. We raden aan om het vloeistofvolume dat in de pomp wordt geïnjecteerd te controleren en/of de pomp voor 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 we het hergebruiken van pompen niet aanbevelen.
De volledige modulator met de aangehechte polyethyleenbuis wordt vervolgens in de mini-osmotische pomp geplaatst. Vloeistof in de pomp zal in de polyethyleenbuis worden geduwd zodra de schuimmodulator wordt ingebracht. De initiële afstand van de met vloeistof gevulde polyethyleenbuis wordt genoteerd; deze afstand dient toe te nemen nadat de pomp is geactiveerd met incubatie in steriele zoutoplossing bij 39 °C gedurende 12 uur.
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 micro-infusiesysteem. Een spuit, voorzien van dunwandige plastic slang en gevuld met dezelfde oplossing als in de pomp, wordt gebruikt om lucht uit het ongevulde gedeelte van de polyethyleenslang te verdrijven. Let erop dat lucht in de microcannula moet worden verdreven.
Op dezelfde wijze kan het distale uiteinde van de polyethyleenslang enige dilatatie met microforceps vereisen, waarna het proximale uiteinde van de microcannule wordt ingevoerd. Het gehele systeem is nu vrij van lucht of dode ruimte en kan uit het zoutoplossingsbad worden gehaald en met steriele gaasjes drooggedept worden. Vervolgens wordt Luma Bond 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 kort ondergedompeld.
Overtollig paraffine wordt weggedeppen 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 die positie kan het microinfusiesysteem vervolgens op een manipulator van een stereotaxisch instrument worden geplaatst.
De geleidedraad wordt vastgezet met een klem van een manipulatorarm en de pomp wordt van bovenaf vastgemaakt 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 geleidedraad voorzichtig met een pincet te buigen; het microinfusiesysteem kan vervolgens worden geïmplanteerd via een standaard stereotaxische procedure. De boel-slang 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 afgeknipt met het oppervlak van het voetstuk. 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 de leeftijd van het proefdier. De silica-tubing kan zodanig worden gevormd dat deze conforms het oppervlak van de schedel van het dier is.
Hierdoor is een veilige fixatie met een laag profiel mogelijk en is een groot cranieel platform niet langer nodig; de operatiewond kan eenvoudig worden gesloten over het gestroomlijnde micro-infussieplatform, waardoor zowel het infectierisico als het ongemak voor het dier wordt verminderd en de bevestiging van het systeem aan de schedel minder oppervlakte in beslag neemt. Bijgevolg kunnen aanvullende of opvolgende procedures worden uitgevoerd zonder hinder van een groter platform. Belangrijker is echter dat deze methode de invasiviteit en het trauma voor de lokale omgeving van de infusieplaats vermindert, waardoor het observeringseffect wordt geminimaliseerd.
Dat zijn de veranderingen die de actieve observatie teweegbrengt in het verschijnsel dat wordt geobserveerd.
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.
