O objetivo do protocolo é fornecer um método para produzir lesões neuronais não invasivas no cérebro. O método utiliza o Ultrassom Focalizado guiado por Ressonância Magnética (MRgFUS) para abrir a Barreira Cerebral sanguínea de forma transitória e focal, a fim de fornecer uma neurotoxina circulante para o parenchyma cerebral.
A intervenção cirúrgica pode ser bastante eficaz para o tratamento de certos tipos de doenças neurológicas medicamente intratáveis. Essa abordagem é particularmente útil para distúrbios nos quais circuitos neuronais identificáveis desempenham um papel fundamental, como epilepsia e distúrbios de movimento. Atualmente, as modalidades cirúrgicas disponíveis, embora eficazes, geralmente envolvem um procedimento cirúrgico invasivo, que pode resultar em lesão cirúrgica em tecidos não-alvo. Consequentemente, seria de valor expandir a gama de abordagens cirúrgicas para incluir uma técnica que não seja invasiva e neurotóxica.
Aqui, é apresentado um método para produzir lesões focais e neuronais no cérebro de forma não invasiva. Esta abordagem utiliza ultrassom focado em baixa intensidade, juntamente com microbolhas intravenosas para abrir transitoriamente e focalmente a Barreira Cerebral de Sangue (BBB). O período de abertura do BBB transitório é então explorado para fornecer focalmente uma neurotoxina administrada sistematicamente em uma área cerebral direcionada. O ácido neurotoxina quinolínico (QA) é normalmente impermeável ao BBB, e é bem tolerado quando administrado intraperitoneal ou intravenosamente. No entanto, quando a QA ganha acesso direto ao tecido cerebral, é tóxica para os neurônios. Este método tem sido usado em ratos e camundongos para atingir regiões cerebrais específicas. Imediatamente após o MRgFUS, a abertura bem sucedida do BBB é confirmada usando imagens ponderadas t1 aprimoradas em contraste. Após o procedimento, a imagem T2 mostra lesão restrita à área alvo do cérebro e a perda de neurônios na área alvo pode ser confirmada após a morte utilizando técnicas histológicas. Notavelmente, os animais injetados com soro fisiológico em vez de QA demonstram abertura do BBB, mas não apresentam lesão ou perda neuronal. Este método, denominado Cirurgia Guiada Não Invasiva Não Invasiva Precisa (PING) poderia fornecer uma abordagem não invasiva para o tratamento de distúrbios neurológicos associados a distúrbios em circuitos neurais.
O objetivo deste método é fornecer um meio para produzir lesões neuronais não invasivas em uma região alvo do cérebro. A lógica para desenvolver tal abordagem é desconectar circuitos neuronais que contribuem para distúrbios neurológicos. Por exemplo, a cirurgia pode ser bastante eficaz no tratamento de certos distúrbios neurológicos medicamente intratáveis, como epilepsia resistente a medicamentos (DRE)1. No entanto, cada uma das modalidades cirúrgicas disponíveis possuem limitações em termos de produzir danos colaterais indesejáveis ao cérebro. A cirurgia resetiva tradicional pode ser altamente invasiva com o risco de sangramento, infecção, coágulos sanguíneos, derrame, convulsões, inchaço do cérebro e danos nos nervos2. Alternativas à cirurgia resegtiva que são minimamente invasivas ou não invasivas incluem terapia térmica intersticiacional a laser e radiocirurgia, que também se mostraram eficazes na supressão de convulsões em DRE. Mais recentemente, lesões térmicas produzidas por ultrassom focado em alta intensidade (HIFU) têm se mostrado promissoras na redução das convulsões. HIFU não é invasivo; no entanto, sua janela de tratamento está atualmente limitada a áreas mais centrais do cérebro devido ao risco de lesão térmica ao tecido não-alvo localizado nas proximidades do crânio. Apesar dessas limitações, os benefícios da cirurgia muitas vezes superam os riscos potenciais. Por exemplo, embora a cirurgia para DRE possa produzir danos cerebrais colaterais, seus efeitos benéficos na supressão de convulsões e na melhoria da qualidade de vida normalmente prevalecem sobre os riscos cirúrgicos.
O método descrito aqui, Precise Intracerebral Non-invasivo Cirurgia Guiada (PING), foi desenvolvido com o propósito de desconectar circuitos neurais, limitando os danos cerebrais colaterais. O método utiliza ultrassom focado em baixa intensidade combinado com injeção intravenosa de microbolhas para abrir o BBB, a fim de entregar uma neurotoxina. Esta abordagem não produz lesões térmicas no cérebro3,4,5,,6,7, e o período de abertura do BBB pode ser explorado para fornecer compostos bbb-impermeáveis ao cérebro parenchyma. A abertura do BBB é transitória, podendo ser produzida de forma direcionada usando orientação de ressonância magnética. Em nossos estudos, o período de abertura do BBB tem sido utilizado para fornecer uma neurotoxina circulante para uma área alvo do parênquim cerebral em ratos e camundongos8,9. O ácido quinolínico é uma neurotoxina bem tolerada quando administrada por via intravenosa10, intraarterially10, ou intraperitoneally8,9,11. A falta de toxicidade do QA deve-se à sua baixa permeabilidade BBB, que tem sido relatada como insignificante10. Em contraste, a injeção direta de QA no parênquim cerebral produz lesões neuronais que poupam os axônios vizinhos12,13. Assim, quando a QA circulante ganha acesso ao parênquim cerebral na área alvo da abertura do BBB, a morte neuronal é produzida8,9. O presente método produz, assim, perda neuronal focal de forma precisamente direcionada e não invasiva.
O método PING foi projetado para produzir lesões neuronais não invasivas e direcionadas. O método deriva de uma forte e crescente base de pesquisa no campo do ultrassom focado3,4,,5,6,7. A capacidade de fornecer acesso focal a áreas específicas do cérebro parenchyma através da abertura transitória do BBB criou uma avenida para entregar uma grande vari…
The authors have nothing to disclose.
Os autores reconhecem Rene Jack Roy por seu excelente apoio técnico na área de ressonância magnética. Este trabalho foi apoiado pelos Institutos Nacionais de Saúde (R01 NS102194 para KSL e R01 CA217953-01 para MW), o Chester Fund (KSL) e a Focused Ultrasound Foundation (KSL e JW).
7T-ClinScan MRI System | Bruker Biospin, Ettinglen, Germany | MR Image Acquisition | |
Acoustic Gel | Litho CLEAR | 11-601 | High Viscosity Accoustic Transmission Gel |
DPX Mounting Medium | Electron Microscopy Sciences | 13512 | Resin Based Cover Glass Mountant |
Fluoro-Jade B | EDM Millipore | AG310 | High Affinity Stain For Degenerating Neurons |
Fluovac anesthetic adsorber | Harvard Apparatus | 34-0388 | Organic Anaesthesia Scavenger |
FUS System | Image Guided Therapy, Pessac, France | LabFUS | MR Compatible Small Animal Focused Ultrasound System |
Gadodiamide | GE Healthcare AS, Oslo, Norway | Omniscan | MR Contrast Agent |
Heparin | SAGENT | NDC2502140010 | Anti-Coagulant |
Hypodermic needle 30G x 1/2 | Becton-Dickinson | 26027 | Tail Vein Catheterization |
Insulin syringe 28G1/2 (1ml) | EXEL | 26027 | Administration of Injectables to Tail Vein Catheter |
Isofluorane atomizer | SurgiVet | VCT302 | Anaesthesia Administration |
Isoflurane | Henry Schein | NDC1169567762 | Anaesthesia |
KMnO4 | Sigma | 223468 | Reagent Used in Fluoro-Jade B Staining |
Microbubbles | Produced internally: A. Klibanov | 305106 | Blood Brain Barrier Disrupting Agent |
Microbubbles (commercial source) | Lantheus Medical Imaging, North Billerica, MA | Definity microbubbles | Blood Brain Barrier Disrupting Agent |
Monitoring & Gating System | Small Animal Instruments | Model 1030 | Respiration Monitoring |
Multisizer 3 Coulter counter | Beckman-Coulter, Hialeah, FL | Multisizer 3 | Used to Determine Average Size of Microbubbles |
Optixcare EYE LUBE | CLC MEDICA, Ontario, Canada | 11611 | Corneal Protectant-Eye Lube |
PE10 tubing | Becton-Dickinson | 427401 | Tail Vein Catheter Component |
Quinolinic Acid | Santa Cruz Biotechnology, Dallas, TX | CAS 89-00-9 | Neurotoxin |
Sprague-Dawley Rats | Taconic Biosciences | SD-M | Rat Model |
Syringe Pump | Carnegie Medicin | CMA 100 | Controlled Delivery of Quinolinic Acid |
Thermoguide Software | Image Guided Therapy, Pessac, France | Thermoguide | Drives Lab FUS System |
Tish Rats | In-house colony | Rat Model | |
Veet depilatory cream | Reckitt Benckiser | Removal of Scalp Hair |