Method Article
* Ces auteurs ont contribué à parts égales
Une injection intrathécale lombaire représente une voie d’administration pertinente sur le plan translationnel pour l’administration de la thérapie génique au système nerveux central. Ce protocole standardisé complet pour les injections intrathécales lombaires chez les souris et les rats néonatals, juvéniles et adultes vise à guider les chercheurs dans l’adoption de cette technique pour les études précliniques de thérapie génique.
Une méthode pour cibler le système nerveux central pour traiter les maladies neurologiques consiste à utiliser la voie d’administration intrathécale lombaire. Cette approche contourne la barrière hémato-encéphalique pour accéder directement au liquide céphalo-rachidien et cibler préférentiellement les cellules du système nerveux central. De nombreuses études précliniques publiées utilisant la voie d’injection intrathécale lombaire ont contribué au développement d’essais cliniques de thérapie génique ; Cependant, les protocoles décrits sont variables et dispersés sur plusieurs ressources. Ici, un ensemble complet de protocoles pour les injections intrathécales lombaires chez les souris et les rats néonatals, juvéniles et adultes pour les études précliniques de thérapie génique est présenté. Avec une formation appropriée, cette technique d’injection peut être réalisée rapidement et de manière fiable. En plus de détailler le protocole d’injection à chaque étape du développement, les paramètres associés, tels que le volume d’injection, qui peuvent influencer les résultats de l’étude sont discutés. Pour démontrer l’application des injections intrathécales lombaires pour cibler le système nerveux central, l’expression du virus adéno-associé sérotype 9 dans le cerveau, la moelle épinière et les tissus périphériques est présentée après une injection réussie ou infructueuse.
Un défi dans le traitement des maladies neurologiques qui nécessitent une administration globale du système nerveux central (SNC) mais qui sont par ailleurs de bons candidats pour la thérapie génique a été largement attribué à un ciblage inefficace du SNC et des types de cellules pertinents1. De nombreuses recherches sont en cours pour optimiser le ciblage mondial des cellules et des tissus du SNC en concevant des véhicules d’administration 1,2. Cependant, il est encore possible d’obtenir une administration de vecteurs raisonnablement généralisée avec la technologie actuelle des vecteurs de thérapie génique, en utilisant certaines combinaisons de vecteurs viraux et de voiesd’administration3,4. La norme d’or actuelle pour obtenir une administration généralisée du SNC à partir d’un traitement unique est d’utiliser le virus adéno-associé de sérotype 9 (AAV9) avec une injection directe dans le liquide céphalo-rachidien (LCR).
Il existe trois voies d’administration typiques pour les injections directes de LCR : lombaire intrathécale (IT), intraventriculaire intra-ventrale (ICV) et intracisternale (ICM)5. Chacune de ces voies d’administration entraîne des modèles de biodistribution différents dans le SNC et les tissus périphériques, mais elles ont toutes l’avantage de contourner la barrière hémato-encéphalique (BHE) pour atteindre les cellules du SNC qui contribuent à la pathologie et aux phénotypes des maladies neurologiques6. L’injection lombaire IT est la norme pour l’utilisation clinique des médicaments chez l’homme, car la procédure clinique est routinière et simple, avec moins d’invasivité par rapport aux injections ICV et ICM.
L’injection lombaire est une technique établie qui est facilement utilisée dans les domaines de l’anesthésie et de l’analgésique, avec le premier article publié en 18857. Le premier protocole pour les injections lombaires de TI chez les souris adultes a été publié en 19808, et il a depuis été largement adopté et révisé9. De légers ajustements ou améliorations ont été apportés à ces protocoles 10,11,12, y compris une technique de conservation du produit13. Des protocoles pour les injections lombaires chez les rats adultes ont également été publiés pour la première fois en 1976, avec le cathétérisme pour l’administration chronique14 et l’injection directe pour les traitements uniques15. Plus récemment, des groupes ont publié des protocoles pour les injections lombaires chez les souris et les rats nouveau-nés ou juvéniles16,17.
L’adoption et la validation à grande échelle de cette technique pour contourner la BHE et cibler les cellules du SNC ont conduit à de multiples études précliniques et cliniques réussies de thérapie génique pour le traitement des maladies neurologiques. Des données positives sur l’efficacité et l’innocuité chez des souris, des rats et des primates non humains modélisant des maladies neurologiques ont suscité l’enthousiasme et l’intérêt autour du potentiel de bénéfice clinique pour ces maladies 18,19,20,21,22,23. Une poignée de ces études font actuellement l’objet d’essais cliniques (par exemple, clinicaltrials.gov identificateurs NCT02362438, NCT04737460, NCT03381729 et NCT05518188)3,6. Dans cet article, un protocole simple pour les injections lombaires d’IT chez les souris et les rats d’âges différents est décrit, sans enlever le LCR, qui peut être adopté pour des projets de thérapie génique translationnelle. Ce protocole est similaire aux protocoles déjà disponibles qui sont largement adoptés ; Cependant, il est utile de citer ces protocoles pertinents en un seul endroit pour un accès et une référence faciles, ainsi que les visuels vidéo qui les accompagnent. Ce protocole explique l’injection pour les souris et les rats nouveau-nés au jour postnatal (P) 0-1 et les souris et rats juvéniles P21, avec des résultats représentatifs d’une injection lombaire réussie et infructueuse d’IT à P1 chez la souris. Au cours de la discussion, les erreurs courantes et les détails spécifiques qui nécessitent une attention particulière lors de l’exécution de cette procédure, ainsi que les recommandations sur la façon de pratiquer ces injections avant de commencer une étude préclinique, sont abordés.
Les procédures décrites dans le présent document ont été approuvées par l’Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) du Southwestern Medical Center de l’Université du Texas. Des souris mâles et femelles C57BL6/J de type sauvage, âgées de P1 à P28, ont été utilisées pour des protocoles impliquant des souris. Des rats mâles et femelles Sprague-Dawley de type sauvage, âgés de P1 à P56, ont été utilisés pour des protocoles impliquant des rats. Mis à part la chirurgie de survie décrite dans la rubrique 3, toutes les autres procédures sont considérées comme ne causant qu’une gêne momentanée et ne nécessitent pas l’utilisation d’anesthésiques ou d’analgésiques. Les individus doivent surveiller les animaux de laboratoire pour détecter toute gêne plus qu’un inconfort momentané et demander conseil à leur personnel IACUC et vétérinaire sur la nécessité d’anesthésiques et d’analgésiques. Les détails des réactifs et de l’équipement utilisés sont fournis dans la table des matériaux.
1. Injection lombaire de souris >P21
Figure 1 : Schéma de l’emplacement du doigt et de la seringue pour l’injection intrathécale lombaire chez la souris et le rat. (A) Vue latérale d’une souris >P21 montrant l’emplacement de l’aiguille et la transition de l’angle de la seringue lors d’une injection lombaire. L’ovale rouge pointillé indique le positionnement du doigt sur la crête iliaque de la souris. Une vue agrandie de la colonne vertébrale montre l’espace intrathécal (bleu) avec le placement approximatif de l’aiguille (flèche verte) et la moelle épinière (rose). Vue dorsale (B) d’une souris >P21), (C) d’une souris D) d’un rat >P21, avec des points de référence pour le placement de l’aiguille (cercle vert), la ceinture pelvienne (ovale jaune pointillé) et le placement des doigts (ovale rouge pointillé). Le site d’incision et les écarteurs sont également représentés en (D). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
2. Injection lombaire IT de souris et de rats
3. Injection lombaire de rats >P21
REMARQUE : Il existe de multiples procédures d’injection informatique décrites dans la littérature, allant des techniques non anesthésiées aux approches chirurgicales plus étendues14,15. Une procédure d’injection directe utilisant une technique peu invasive est décrite à l’aide d’une légère anesthésie et d’une petite incision cutanée. L’utilisation d’anesthésiques, tels que le gaz isoflurane, peut aider à la retenue, détendre la musculature et empêcher les mouvements pendant l’injection. Faire une petite incision dans la peau au-dessus du site d’injection améliore la précision de l’injection en permettant de visualiser l’espace intervertébral et en éliminant le besoin de percer à travers une peau épaisse. En raison de l’incision, l’utilisation d’anesthésiques et d’analgésiques est nécessaire. Avec de la pratique, il est possible d’effectuer des injections lombaires chez des rats âgés de plus de P21 sans anesthésie ni incision à la discrétion de l’utilisateur et en fonction des exigences institutionnelles15. Suivre les directives et les considérations de l’établissement concernant l’anesthésie, les analgésiques appropriés et la chirurgie de survie pour les animaux de laboratoire.
Bien que de nombreux facteurs puissent influencer la transduction des vecteurs de thérapie génique, la coloration histologique des tissus reste la méthode la plus précise pour déterminer le succès des injections intrathécales lombaires (IT). Une distribution large et uniforme du vecteur de thérapie génique dans le système nerveux central (SNC) après l’injection est indicative de la réussite de la procédure. La figure 2C représente une injection réussie d’une thérapie génique auto-complémentaire médiée par AAV9 entraînant une faible expression transgénique ubiquitaire sous le promoteur JeT à une dose de 1,3 × 1011 vg/souris chez des souris néonatales (P1), 4 mois après l’injection. L’analyse par ARNASCOPE, à l’aide d’une sonde ciblant le transgène délivré par la thérapie génique, révèle une large distribution dans la moelle épinière lombaire, la moelle épinière cervicale et le cerveau. Une section du foie et du cœur est incluse pour souligner que, même avec une injection directe de liquide céphalo-rachidien (LCR), le vecteur de thérapie génique peut toujours être distribué aux tissus périphériques.
Figure 2 : Coupes de tissu coloré de 5 microns du SNC et du tissu périphérique de souris 4 mois après l’injection à P1. La coloration rouge indique l’expression du transgène via l’ARNASCOPE, et la contre-coloration bleue des noyaux se fait par l’hématoxyline. (A) Injection avec un tampon de formulation témoin. (B) Injection intraparenchymateuse infructueuse avec un vecteur AAV9 (scAAV9_JeT-hDDX3Xopt-SpA). (C) Injection lombaire réussie avec un vecteur AAV9 (scAAV9_JeT-hDDX3Xopt-SpA). Le vecteur de thérapie génique utilisé dans (B) et (C) a été administré à une dose pertinente sur le plan translationnel de 1,3E11 vg/souris. Barre d’échelle : panneau supérieur (5 mm) ; panneau inférieur (1 mm). Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Une expression concentrée dans la moelle épinière lombaire associée à un manque d’expression dans le cerveau, comme le montre la figure 2B, peut indiquer une injection intraparenchymateuse de la moelle épinière et doit être considérée comme un échec de l’injection. Cela se produit lorsque l’aiguille est insérée trop loin dans la colonne vertébrale, au-delà de l’espace intrathécal et dans la moelle épinière. De plus, une expression très faible ou nulle dans la moelle épinière et le cerveau (non illustrée) doit également être considérée comme un échec de l’injection hors cible, en supposant qu’un vecteur et une dose sont utilisés là où une large distribution du SNC est attendue. Cela peut être dû au fait que l’aiguille n’est pas insérée assez loin ou qu’elle est latérale à la ligne médiane.
Les profils d’expression observés lors d’injections réussies peuvent différer en raison des huit facteurs suivants à titre d’exemple : (1) l’âge à l’injection, (2) l’immunité préexistante, (3) le débit de perfusion, (4) le vecteur de thérapie génique, (5) la dose de thérapie génique, (6) les protéines de surface cellulaire, (7) le tropisme et (8) le cas échéant, un choix de promoteur approprié pour stimuler l’expression du transgène6. Bien que les profils d’expression puissent différer, la distribution large, uniforme et généralisée sera universelle tant que la dose est suffisamment élevée avec un vecteur efficace, tel que l’AAV9.
Les principales limites de l’utilisation de l’analyse histologique pour confirmer le succès de l’injection lombaire sont les longs délais d’attente - attendre jusqu’à la fin d’une étude, après que les nécropsies ont été effectuées et que les tissus ont été prélevés - et les ressources importantes nécessaires pour traiter les tissus de toutes les souris dans une grande étude de thérapie génique. Malheureusement, notre expérience a montré que les indicateurs immédiats et directs d’une injection positive ou négative peuvent ne pas être fiables ; Cependant, le réflexe de battement de la queue lorsque l’aiguille pénètre dans l’espace intrathécal est un bon indicateur d’un positionnement réussi en temps réel et indique probablement une injection réussie. Ne confondez pas une contraction lorsque l’aiguille perce la peau d’une souris ou d’un rat non anesthésié avec une réponse de la queue à l’entrée de l’aiguille dans l’espace intrathécal. L’utilisation d’agents pharmacologiques tels que le NMDA, la substance P et la lidocaïne, soit en formation, soit mélangée à la solution d’injection expérimentale, a été signalée comme fournissant une indication plus immédiate du succès de l’injection 9,11,24. Si l’on considère ces agents, il est important d’évaluer leur compatibilité avec le vecteur de thérapie génique.
L’injection lombaire IT est une procédure rapide et peu invasive qui délivre de manière fiable un vecteur de thérapie génique dans le LCR pour le traitement des maladies du SNC 5,6. La procédure est pertinente sur le plan translationnel, et le protocole décrit ici détaille comment effectuer cette voie d’administration chez les souris et les rats de tous âges, des nouveau-nés aux adultes. Il est important de définir ce protocole pour les souris et les rats de tous âges, ainsi que de fournir des vidéos de soutien, afin d’aider les chercheurs dans l’adoption de cette méthode pour l’administration de la thérapie génique. L’expérience de notre laboratoire est que ce protocole peut être mis en œuvre de manière cohérente par plusieurs utilisateurs et études au fil du temps 18,25,26,27,28,29,30.
Il existe des différences importantes lors de l’injection lombaire chez les souris/rats plus jeunes par rapport aux souris/rats plus âgés, notamment l’angle auquel l’aiguille est insérée dans la colonne vertébrale et le volume recommandé qui est injecté. Les volumes d’injection lombaire d’IT rapportés varient considérablement d’une étude à l’autre et d’une espèce à l’autre31. Il est important de tenir compte du volume d’injection pour éviter des élévations durables de la pression intracrânienne (PIC), qui peuvent compromettre le flux de LCR et de sang cérébral, causer de l’inconfort et entraîner des complications neurologiques chroniques, notamment l’hydrocéphalie, l’ischémie, les lésions cellulaires et la mort32,33. L’ICP est déterminée par le volume du LCR, du sang cérébral et du tissu du SNC, qui ne peuvent pas être directement corrélés au poids corporel. Lors d’un fonctionnement normal, l’ICP est autorégulée par de nombreux facteurs, notamment le volume du LCR, le volume sanguin cérébral, la respiration, la position du corps, le taux de production du LCR et le taux de drainage du LCR dans le sang33,34. Les volumes d’injection d’IT doivent donc être déterminés sur la base des propriétés du LCR (tableau 1) au lieu du poids corporel 25,27,28,30. Les volumes recommandés à injecter à chaque âge chez chaque espèce sont indiqués en gras.
Volume d’injection informatique | Valeurs du LCR chez l’adulte | |||||||
P0-1 (μL) | P5-7 (μL) | P10 (μL) | >P21 (μL) | Volume total (μL) | Taux de production (μL/min) | Chiffre d’affaires (h) | Pression intracrânienne (mm Hg) | |
Souris | 3 | 5 | 5 à 10 | 5 à 20 | 30-4025,30 | 0,32 à 0,3525,30 | 1,7-225,30 | 5,0 +/- 0,528 |
Rats | 5 | 5-10 | 10-30 | 10 à 200 (20 à 75) | 15025 | 1,7 à 2,825 | 2-2,6625 | 8,6 +/- 1,7,27 |
Tableau 1 : Résumé des volumes d’injection lombaire de TI chez les souris et les rats à différents âges. Les valeurs audacieuses sont recommandées et ont été livrées en toute sécurité. Les volumes maximaux possibles n’ont pas été formellement évalués. Des informations supplémentaires sur les paramètres connus du LCR - volume total, taux de production, renouvellement et pression intracrânienne - chez les souris et les rats sont incluses à titre de référence.
Il y a un manque de connaissances dans le domaine concernant le seuil supérieur pour les volumes d’injection unique de bolus informatique. Chez les humains adultes, les rats et les souris où le volume du LCR est connu, une augmentation de 30 % du volume total du LCR ne semble pas causer de lésions ou de maladies chroniques 31,33,35,36. L’absence de volumes connus de LCR chez les souris juvéniles ou néonatales rend impossible une extrapolation similaire. Certains groupes commencent à s’intéresser au volume et à la production de LCR chez les jeunes animaux37. Jusqu’à ce que d’autres investigations dans ces domaines soient corroborées, le volume d’injection continuera d’être assujetti aux valeurs déclarées par les chercheurs.
Les souris et les rats, en particulier lorsqu’ils sont traités à un plus jeune âge ou avec des volumes d’injection élevés, peuvent provoquer une flexion des muscles, une extension des membres, une respiration rapide ou une paralysie temporaire des membres postérieurs qui devrait se résoudre d’elle-même en quelques minutes. Dans les cas extrêmes, les élévations aiguës de la PIC peuvent provoquer des anomalies cardiovasculaires et respiratoires, qui peuvent être mortelles32,33. Si des anomalies post-opératoires persistent après 24 heures, les souris et les rats doivent être retirés de l’étude et euthanasiés sans cruauté. Une paralysie persistante des membres postérieurs peut survenir si l’aiguille est insérée trop loin, ce qui a un impact sur la moelle épinière. Cela peut être dû à une erreur courante lors de l’injection lombaire IT : le mouvement de la seringue après le coup de queue tout en appuyant sur le piston. Le mouvement de la seringue et de l’aiguille doit être évité. Si la position correcte ne peut pas être obtenue avec la crevaison initiale, une deuxième tentative au même endroit peut être effectuée. Si la deuxième tentative échoue également, essayez de modifier la position de l’aiguille pour cibler l’espace intervertébral suivant. Notez que plusieurs piqûres d’aiguille peuvent entraîner une fuite d’une injection réussie par la suite.
Devenir compétent lors de l’injection lombaire peut prendre du temps. Pour pratiquer les injections en tant que procédure terminale, suivez le protocole ci-dessus en utilisant une solution de colorant approuvée, telle que le bleu Evans ou le colorant vert McCormick filtré à 0,2 micron (figure 3) ou avec les agents pharmacologiques abordés dans la section Résultats représentatifs. L’utilisation d’un colorant est recommandée pour dépanner et maîtriser l’injection, car il est facile de dire si une injection a été un succès ou un échec en 1 minute. La pratique avec le colorant ne concerne que les procédures de non-survie, car les animaux peuvent développer une réaction au colorant lorsqu’ils sont directement administrés au SNC. Cette réaction peut se produire dans la minute qui suit une injection réussie et se caractérise par des démangeaisons rapides et des mouvements de tortille. Les animaux doivent être euthanasiés immédiatement une fois que cette réaction est observée afin de minimiser l’inconfort. Après une injection réussie de colorant, le colorant restera localisé dans la colonne vertébrale (pas de colorant dans les tissus périphériques voisins) et remontera la colonne vertébrale jusqu’au cervelet, au cerveau et aux bulbes olfactifs. En P1, la peau est suffisamment transparente pour que l’on puisse voir le colorant descendre dans la colonne vertébrale de la queue. Si le colorant n’atteint pas le cerveau en quelques minutes, l’injection échoue.
Figure 3 : Colorant vert McCormick dans le cerveau après des injections lombaires réussies. Tous les cerveaux proviennent de souris P21 auxquelles on a injecté un colorant de 5 μL et sont représentés en vue ventrale. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.
Pour plus d’informations sur les paramètres associés pertinents pour la conception d’essais précliniques, tels que le titre viral et les doses, voir les revues précédemment publiées 3,6,31.
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d’intérêts.
Nous tenons à remercier l’UT Southwestern AAV Viral Vector Core Facility pour la fabrication du vecteur AAV9 et Yuhui Hu, chercheur scientifique au laboratoire Gray, pour le traitement et la coloration du tissu présenté à la figure 2.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
0.2 micron filter | Electron Microscopy Sciences | 67005 | Used to filter dye solution |
0.5 to 10 µL Pipette | Eppendorf | TI13690026 | Used to measure injection solution |
1.5 mL Microtube | Eppendorf | 22364111 | Used to store injection solutions |
10 µL Syringe | Hamilton | 7635-01 | Injection volume should not be less than 10% of syringe capacity |
10 to 100 µL Pipette | Eppendorf | TI13690029 | Used to measure injection solution |
10µl Pipette Tips | USA Scientific Inc | 11203810 | Used to measure injection solution |
100 µL Syringe | Hamilton | 7638-01 | For rat >21 only. Injection volume should not be less than 10% of syringe capacity |
100 µL Pipette Tips | USA Scientific Inc | 11231840 | Used to measure injection solution |
25 µL Syringe | Hamilton | 7636-01 | Ideal for 5-10 µL injections. Injection volume should not be less than 10% of syringe capacity |
27 Gauge Needle(s) | Hamilton | 7803-01 | For rat >21 only. 27 gauge, Small Hub RN Needle, 1 in, point style 4 at 12°, 6/PK |
30 Gauge Needle(s) | Hamilton | 7803-17 | 30 gauge, Small Hub RN Needle, 0.5 in, point style 4 at 12°, 6/PK |
50 µL Syringe | Hamilton | 7637-01 | For rat >21 only. Injection volume should not be less than 10% of syringe capacity |
70% Ethanol | Pharmco | 111000140 | Used to sanitize workspace and equipment |
70% Isopropyl Alcohol Prep Pads | PDI | B60307 | Used to prepare injection site |
Analgesic | For rat >21 only. | ||
Anesthetic (Isoflurane) | Piramal Critical Care | 66794001725 | For rat >21 only. |
Betadine | Purdue Products | 6906606 | For rat >21 only. Used for skin prep |
Control Solution | Injection solution | ||
Dye Solution (green) | McCormick | For practice, non-survival only | |
Gloves | Kimberly-Clark | 19-149-863B | PPE |
Ice bucket with ice | Fisher Scientific | 03-395-150 | Maintain viral vector solution on ice |
Mosquito Forceps (curved or straight) | Fine Science Tools | 13009-12 | For rat >21 only. Used to palpate intervertebral space. |
Needle Holders | Fine Science Tools | 12002-12 | For rat >21 only. Used for skin closure with suture |
Paper Towel | Berkshire | 18-998-123 | Used to restrain adult mice during injection |
Parafilm | StatLab | PM996 | Used to draw solution into syringe |
Retractors | Stoelting | 52124P | For rat >21 only. Used to hold skin incision open |
Scalpel Blade | Fine Science Tools | 10015-00 | For rat >21 only. Used for incision |
Scalpel Blade Handle | Fine Science Tools | 10003-12 | For rat >21 only. Used for incision |
Sterile Syringe | Fisher Scientific | 14-955-459 | Used to filter dye solution |
Surgical Scrub (Skin Prep) | Medline Industries Inc. | MDS098720 | For rat >21 only. Used for skin prep |
Suture or Wound Clips | Stoelting | 50483 | For rat >21 only. Used for skin closure. |
Syringe / Needle Cleaning Solution | Hamilton | 18311 | Can use alternative cleaning solution |
Thumb Forceps | Fine Science Tools | 11019-12 | For rat >21 only. Used throughout surgical approach and closure |
Vector Solution | Injection solution |
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