高齢ラットの脳細胞外空間の微細構造に及ぼす対流送達の影響

[Effect of convection enhanced delivery on the microstructure of brain extracellular space in aged rats].

• Y Song
• H B Han
• J Yang
• A B Wang
• Q Y He
• Y Y Li
• G M Zhao
• Y J Gao
• R Wang
• Y X Han
• A L Liu
• Q W Song

抄録

目的:

ECS経路を介した対流強化デリバリー(CED)による脳症の低侵襲治療において、成人脳と高齢脳における細胞外空間(ECS)構造の変化と局所的な薬物分布を異なる薬物送達速度で比較する。

OBJECTIVE: To compare the changes of extracellular space (ECS) structure and local drug distribution in adult brain and aged brain at different drug delivery rates in minimally invasive treatment of encephalopathy by convection enhanced delivery (CED) via ECS pathway.

方法:

ＳＤ雄ラット３６匹を、月齢に応じて成体ラット群（２〜８ヶ月、ｎ＝１８）と老齢ラット群（１８〜２４ヶ月、ｎ＝１８）に分けた。μL/min、0.1μL/min、0.2μL/min、0.3μL/min）の薬効に応じて、無作為に3つのサブグループに分け、各サブグループに6匹ずつ投与した。濃度10mmol/Lのガドリニウム-ジエチレントリアミン五酢酸(Gd-DTPA)を定位注射により各群のラットの尾状核に導入した。脳間質系(ISS)におけるGd-DTPAの拡散と分布像をトレーサーベースの磁気共鳴イメージング(MRI)を用いて動的にモニターした。得られた画像を自社開発のMRI画像計測・解析システムソフトウェアを用いて処理・解析することで、尾状核ECSにおけるラットの各群の拡散係数、クリアランス率、体積分率、半減期を取得することができた。高齢ラットと成体ラットの脳における薬物クリアランスとECS構造機能の効果と違いを、薬物送達速度を変えて比較・解析した。また、尾状核におけるトレーサーの分布と排液の観察にはマグネティックトレーサーD法を用いた。

METHODS: Thirty-six SD male rats were divided into adult rats group (2-8 months, n=18) and aged rats group (18-24 months, n=18) according to the age of the month. According to the drug rates (0.1 μL/min, 0.2 μL/min, and 0.3 μL/min), they were randomly divided into 3 subgroups, 6 in each subgroup. Gadolinium-diethylene triamine pentaacetic acid (Gd-DTPA) with a concentration of 10 mmol/L were introduced into the caudate nucleus of each group of rats by stereotactic injection. Tracer-based magnetic resonance imaging (MRI) was used to dynamically monitor the diffusion and distribution images of the Gd-DTPA in the brain interstitial system (ISS). Using the self-developed MRI image measurement and analysis system software to process and analyze the obtained images, the diffusion coefficient, clearance rate, volume fraction, and half-life of each group of rats in the caudate nucleus ECS could be acquired. The effects and differences of drug clearance and ECS structural function in the brain of aged rats and adult rats were compared and analyzed at different drug delivery rates. Magnetic tracer D technique was used to observe the distribution and drainage of tracer in caudate nucleus.

結果:

0.1μL/minの注入速度では、高齢ラットの体積率は成体ラットに比べて増加し（18.20%±0.04% vs. 17.20%±0.03%、t=3.752、P=0.004）、ねじれ度は減少し（1.63±0.04 vs. 1.78±0.09、t=3.680、P=0.004）、薬剤クリアランス率は減少した［(1.94±0.68 mm/s vs. (3.25±0.0)］。09、t=3.680、P=0.004）、薬物クリアランス率の低下［(1.94±0.68)mm/s vs. (3.25±0.43)mm/s、t=3.971、P=0.003］、分子拡散率の低下［(1.94±0.68)mm/s vs. (3.25±0.43)mm/s、t=3.971、P=0.003］、薬物クリアランス率の低下［(1.94±0.68)mm/s vs. (3.25±0.43)mm/s、t=3.971、P=0.003］。003]、ECS中の分子拡散が増加した［(3.99±0.21)×10 mm/s vs. (3.36±0.37)×10 mm/s, t=3.663, P=0.004］。注射速度を0.2μL/minに増加させると、高齢ラットのECSにおける薬物クリアランスは遅くなった［(2.53±0.45)mmol/L vs. (3.37±0.72)mmol/L, t=-1.828, P=0.021］。しかし、体積分率、ECSにおける分子拡散、および巨視的薬物代謝パラメータには有意な差は認められなかった。注射速度を0.3μL/minに増加させると、高齢ラットでは体積分率が低下し（17.20%±0.03% vs. 18.20%±0.05%、t=0.869、P=0.045）、ECSにおける薬物クリアランス率が有意に促進された［(4.04±0.76）mmol/L vs. （3.26±0.55）mmol/L, t=1.786, P=0.014]となり，ECSのねじれ度と分子拡散速度には有意な差は認められなかった。

RESULTS: At the injection rate of 0.1 μL/min, the volume fraction in the aged rats was increased compared with that in the adult rats (18.20%±0.04% vs. 17.20%±0.03%, t=3.752, P=0.004), and the degree of tortuosity was decreased (1.63±0.04 vs. 1.78±0.09, t=-3.680, P=0.004), the drug clearance rate was decreased [(1.94±0.68) mm/s vs. (3.25±0.43) mm/s, t=-3.971, P=0.003], and the molecular diffusion in ECS was increased [(3.99±0.21)×10 mm/s vs. (3.36±0.37)×10 mm/s, t=3.663, P=0.004]. When the rate of injection increased to 0.2 μL/min, the drug clearance in ECS of the aged rats was slowed down [(2.53±0.45) mmol/L vs. (3.37±0.72) mmol/L, t=-1.828, P=0.021]. However, there were no significant differences in volume fraction, molecular diffusion in ECS and macroscopic drug metabolism parameters. When the rate of injection increased to 0.3 μL/min, the volume fraction in the aged rats was decreased (17.20%±0.03% vs. 18.20%±0.05%, t=-0.869, P=0.045), and the drug clearance rate in ECS was significantly accelerated [(4.04±0.76) mmol/L vs. (3.26±0.55) mmol/L, t=1.786, P=0.014], and there was no significant difference in tortuosity and the rate of molecular diffusion in the ECS.

結論:

CED投与による高齢脳ECSの薬物クリアランスとECS構造パラメータを異なる速度で変化させたところ、0.2μL/minの注入速度では高齢脳ECSへの影響が最も少ないことがわかった。CEDを脳症治療に応用するためには、年齢や注入速度などの因子の影響を考慮し、ECS経路を介した脳症の低侵襲治療のための個別化された臨床治療計画の策定の参考とすることが必要である。

CONCLUSION: The drug clearance and ECS structural parameters of brain ECS in aged brain with CED administration were changed at different rates, and it has the least effect on ECS in the aged brain at the injection rate of 0.2 μL/min. For the application of CED for the treatment of encephalopathy, we should consider the influence of factors such as age and injection rate, and provide reference for the development of individualized clinical treatment plan for minimally invasive treatment of encephalopathy via ECS pathway.