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Qui, descriviamo la somministrazione di farmaci guidata da micropipette (MDA) come un metodo alternativo alla sonda gastrica orale che incentiva l'animale da ricerca a ingerire prontamente i trattamenti con il minimo stress e disagio.
La sonda orale (OG) con l'uso di una cannula collegata a una siringa è uno dei metodi più comuni utilizzati per fornire un dosaggio preciso di composti allo stomaco degli animali da ricerca. Sfortunatamente, questo metodo presenta difficoltà sia per l'operatore che per l'animale da ricerca. Gli studi hanno dimostrato che l'OG può portare a complicanze, tra cui esofagite, perforazione dell'esofago e somministrazione involontaria di farmaci tracheali. Inoltre, l'OG è associato ad un aumento dei livelli plasmatici e di corticosterone fecale (a causa dello stress), all'alterazione della pressione sanguigna e all'aumento della frequenza cardiaca, che potrebbero influenzare negativamente o influenzare i risultati dello studio. Un metodo alternativo precedentemente sviluppato, chiamato somministrazione di farmaci guidata da micropipette (MDA), incentiva l'animale a consumare prontamente i trattamenti in modo minimamente invasivo. In questo articolo, presentiamo esempi dell'uso della tecnica MDA con trattamenti ricostituiti in diversi veicoli e dimostriamo l'efficacia della somministrazione dei vari trattamenti a più ceppi di topi diversi. Dimostriamo inoltre che l'MDA è una tecnica che riduce i tempi e l'invasività della somministrazione del farmaco e non influisce sulla composizione del microbioma intestinale valutata mediante analisi quantitativa delle specie microbiche intestinali principali. Nel complesso, l'MDA può offrire un'alternativa meno stressante ed efficace all'OG.
La somministrazione di farmaci a modelli di roditori avviene comunemente tramite sonda orale (OG), che consiste nella somministrazione di un preparato liquido direttamente nello stomaco utilizzando una cannula collegata a una siringa contenente la soluzione. Questa tecnica si traduce in un dosaggio costante e preciso del trattamento all'animale, ma comporta anche molteplici svantaggi. OG è stato esaminato per non aver modellato adeguatamente le esposizioni alimentari umane 1,2. Inoltre, l'OG aumenta il rischio di lesioni non intenzionali all'apparato digerente superiore (perforazione dell'esofago e dello stomaco), all'aspirazione del trattamento somministrato e alle lesioni del tratto respiratorio3. L'OG è anche associato a disagio4, aumento della pressione sanguigna e della frequenza cardiaca5, nonché stress 6,7 e talvolta morte8 a causa della ridotta tolleranza al gavage da parte dell'animale. Questi cambiamenti fisiologici potrebbero interferire o confondere i risultati sperimentali; Pertanto, sono state esplorate nuove procedure per evitare questi effetti collaterali. Gli studi hanno utilizzato procedure alternative all'OG, come l'uso della gelatina come veicolo farmacologico9, strisce a dissoluzione orale (ODS)10, aghi per sonda gastrica rivestiti di saccarosio11, tubi di alimentazione flessibili, biscotti di grano12, miele13 e pellet di burro di arachidi14. Sfortunatamente, ci sono limitazioni con queste modifiche alla tecnica OG, tra cui l'incompatibilità con i farmaci insolubili in acqua, un tempo di preparazione più lungo per il trattamento15, l'appetibilità e la stabilità del farmaco15 e la familiarizzazione dell'animale con il cibo. Inoltre, c'è la possibilità di un dosaggio meno preciso quando gli animali si nutrono ad lib.
Scarborough et al.7 hanno precedentemente sviluppato un metodo di trattamento orale alternativo nei topi, che hanno chiamato somministrazione di farmaci guidata da micropipette (MDA). Questo metodo di somministrazione si basa su una soluzione di latte condensato zuccherato come veicolo per sostanze farmacologiche, motivando gli animali dello studio a consumare prontamente il veicolo preparato e/o le soluzioni farmacologiche dispensando la soluzione con una pipetta a canale singolo e un puntale per pipetta. Per introdurre questa tecnica, i roditori vengono sottoposti a una sessione di addestramento (minimo 2 giorni) per ridurre i tempi di manipolazione e per consentire all'animale in studio di familiarizzare con l'assunzione dal puntale della pipetta4. Gli studi iniziali di validazione di Scarborough et al.7 e Schalbetter et al.16 suggeriscono che la procedura MDA è facile da implementare, economica, minimamente invasiva e meno stressante per gli animali rispetto ai metodi convenzionali di gavage orale. Scarborough et al. hanno introdotto l'uso della tecnica MDA in un modello murino di attivazione immunitaria materna (MIA) dei disturbi dello sviluppo neurologico7. Questo studio ha dimostrato che i profili farmacocinetici dei topi trattati con il farmaco antipsicotico risperidone utilizzando MDA erano paragonabili all'uso di OG. Inoltre, l'MDA non ha indotto un aumento dei livelli di corticosterone (un ormone dello stress) nei topi e il trattamento cronico con risperidone con la tecnica MDA ha portato a una diminuzione dose-dipendente dei deficit di interazione sociale indotti da MIA e dell'ipersensibilità alle anfetamine7. Ulteriori studi hanno esplorato l'efficacia dell'MDA rispetto all'OG sia nel topo17 che nel ratto18 . L'MDA è stato anche confrontato con l'iniezione intraperitoneale e si è dimostrato altrettanto efficace nel somministrare clozapina-N-ossido ai topi16. A causa del successo riportato dell'MDA nel ridurre lo stress animale e l'efficacia terapeutica, ora miriamo a esplorare ulteriormente la tecnica MDA come metodo efficace di somministrazione di farmaci utilizzando ulteriori modelli murini. Qui, descriviamo l'implementazione del metodo MDA per trattare diversi ceppi di topo, inclusi i ceppi FVB/NJ e C57BL/6J immunocompromessi e il ceppo immunocompromesso NOD.Cg-Prkdcscid Il2rg tm1Wjl/SzJ (NSG) con diversi trattamenti orali, tra cui batteri vivi, composti sperimentali somministrati in soluzioni insolubili in acqua (olio di mais) e controlli del veicolo. Abbiamo valutato l'attività e la presenza dei diversi trattamenti nel siero e nelle feci e abbiamo valutato le alterazioni del microbiota intestinale centrale in relazione al metodo MDA.
Tutti gli studi sugli animali sono stati eseguiti seguendo le linee guida istituzionali e secondo i protocolli M021M197 e M023M195 approvati dal Comitato istituzionale per la cura e l'uso degli animali (IACUC) della Johns Hopkins University. I ceppi di topi utilizzati (topi maschi, di 7 settimane) sono descritti nella Tabella dei Materiali. L'uso di topi maschi era dovuto al loro uso negli studi in corso sul cancro alla prostata. Il metodo MDA ha precedentemente dimostrato di essere efficace anche nei topi femmina 7,17. I topi sono stati randomizzati nelle rispettive gabbie/gruppi di trattamento. I topi sono stati trattati in gabbie e senza un ordine particolare. Lo sperimentatore che somministrava i trattamenti era all'oscuro del gruppo di trattamento. Il numero assegnato a un topo si riferiva al suo ID e non all'ordine in cui veniva trattato. I dati sono stati raccolti durante tutta la durata dello studio e analizzati alla fine per evitare qualsiasi pregiudizio. I saggi sperimentali sono stati tenuti in cieco al gruppo di trattamento fino a quando non sono stati raccolti tutti i dati.
NOTA: Questo protocollo è stato modificato da Scarborough et al.7.
1. Preparazione dei trattamenti
2. Sessione di formazione MDA
NOTA: Questa sezione descrive i modelli murini; tuttavia, la tecnica MDA potrebbe essere ampliata secondo necessità con volumi/puntali per pipette più grandi per modelli di roditori più grandi.
3. Trattamenti dei topi con il metodo MDA
4. Esperimento di validazione #1 - somministrazione orale di batteri intestinali ai topi utilizzando MDA
NOTA: Questa sezione descrive l'uso del metodo MDA per somministrare per via orale batteri vivi per studi di colonizzazione intestinale nei topi. In questo esperimento pilota rappresentativo, il batterio gram-positivo Clostridium scindens viene somministrato ai topi C57BL/6J. I topi sono stati trattati con antibiotici (cefoxitina) per due giorni consecutivi nell'acqua potabile prima dell'inoculazione batterica con MDA.
5. Esperimento di validazione #2 - somministrazione sperimentale di farmaci ai topi utilizzando MDA
NOTA: Questa sezione descrive l'uso del metodo MDA per somministrare un composto sperimentale ai topi. In questo esperimento pilota rappresentativo, il metabolita della soia equolo (S-equolo) viene somministrato a topi NSG e FVB/NJ.
6. Misurare l'effetto del trattamento con MDA sul microbiota intestinale centrale
NOTA: Questa sezione descrive l'uso della qPCR per misurare i livelli di microbiota intestinale centrale dopo il trattamento con MDA.
L'MDA può essere utilizzato nella somministrazione orale di ceppi batterici in modelli murini. I topi C57BL/6J sono stati trattati con antibiotici (cefoxitina nell'acqua potabile) per 2 giorni per eliminare le comunità microbiche commensali prima di iniziare la sessione di formazione MDA. La soluzione di latte/acqua condensata zuccherata è stata somministrata una volta al giorno consecutivamente per 3 giorni prima della somministrazione del trattamento. I topi sono st...
L'OG può essere una fonte significativa di stress negli animali da ricerca che può creare una variabile confondente, come precedentemente valutato in diversi studi 7,9,11,12,13,14,15,23. A causa dell'invasività dell'OG, ...
Nessuno.
Vorremmo ringraziare il supporto alla ricerca da parte del Dipartimento della Difesa Prostate Cancer Research Program Award W81XWH-20-1-0274 e del Prostate Cancer Foundation Challenge Award 16CHAL13. Vorremmo ringraziare e riconoscere la dott.ssa Michelle Rudek, la dott.ssa Noushin Rastkari, la dott.ssa Nicole Anders e Linping Xu della risorsa condivisa di farmacologia analitica presso la Johns Hopkins per l'assistenza con equol LC/MS/MS.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
200 µL pipette tips | Mettler Toledo | 17005860 | |
AB SCIEX Triple QTRAP 5500 mass-spectrometric detector | Sciex | N/A | |
Akkermansia muciniphila strain muc genomic DNA | American Type Culture Collection | BAA-835D-5 | |
Ammonium acetate | Sigma–Aldrich | 5.43834 | |
C57BL/6J mice | Jackson Laboratories | Strain# 000664 | |
C. scindens strain 35704 | American Type Culture Collection | 35704 | |
Cefoxitin | Sagent | NDC25021-109-10 | |
Corn oil | MedChemExpress | HY-Y1888 | |
DMSO | Sigma-Aldrich | D2650 | |
ethanol | Fisher Scientific | AC611050040 | |
Formic acid | Sigma–Aldrich | 5.33002 | |
FVB/NJ mice | Jackson Laboratories | Strain# 001800 | |
Glycerol | Sigma–Aldrich | G5516 | |
Hexane | Fisher Scientific | 02-002-996 | |
LC-MS grade water | Fisher Scientific | 14-650-357 | |
Methanol | Fisher Scientific | 02-003-340 | |
Microtainer serum separator tube | Becton Dickinson | 02-675-185 | |
Molecular biology grade water | Corning | 46-000-CI | |
NSG mice | Jackson Laboratories | Strain# 005557 | |
PBS | Corning | 21-031-CV | |
Qubit DNA HS kit | Invitrogen | Q32851 | |
Racemic equol-d4 | Santa Cruz Biotechnology | sc-219827 | |
Reinforced Clostridial agar | Anaerobe Systems | AS-6061 | |
Reinforced Clostridial broth | Anaerobe Systems | AS-606 | |
S-equol | MedChemExpress | HY-100583 | |
S-equol reference standard for LC-MS | Cayman Chemical | 10010173 | |
Single channel pipette | Rainin | 17008652 | |
Streptococcus salivarius genomic DNA | American Type Culture Collection | BAA-1024D-5 | |
Sweetened condensed milk | California Farms | B09TGQ7WV8 | |
VSL#3 | VSL#3 | B07WX1LVHL | |
β-glucuronidase from Helix pomatia | Sigma–Aldrich | G7017 |
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