Gezielte neuronale Verletzung für die nicht-invasive Trennung von Gehirn-Schaltung
Summary
Das Ziel des Protokolls ist es, eine Methode zur Produktion nicht-invasiver neuronaler Läsionen im Gehirn bereitzustellen. Die Methode nutzt Magnetresonanz-geführten fokussierten Ultraschall (MRgFUS), um die Bluthirn-Schranke in einer vorübergehenden und fokalen Weise zu öffnen, um ein zirkulierendes Neurotoxin an das Gehirn Parenchym zu liefern.
Abstract
Chirurgische Eingriffe können sehr effektiv für die Behandlung bestimmter Arten von medizinisch unlösbaren neurologischen Erkrankungen sein. Dieser Ansatz ist besonders nützlich für Störungen, bei denen identifizierbare neuronale Schaltkreise eine Schlüsselrolle spielen, wie Epilepsie und Bewegungsstörungen. Derzeit verfügbare chirurgische Modalitäten, während wirksam, beinhalten in der Regel einen invasiven chirurgischen Eingriff, die zu chirurgischen Verletzungen an Nicht-Zielgewebe führen kann. Folglich wäre es von Wert, das Spektrum der chirurgischen Ansätze zu erweitern, um eine Technik, die sowohl nicht-invasiv als auch neurotoxisch ist.
Hier wird eine Methode zur nicht-invasiven Herstellung fokaler, neuronaler Läsionen im Gehirn vorgestellt. Dieser Ansatz nutzt schwachintensiven fokussierten Ultraschall zusammen mit intravenösen Mikroblasen, um die Bluthirnschranke (BBB) vorübergehend und fokal zu öffnen. Die Periode der transienten BBB-Öffnung wird dann genutzt, um ein systemisch verabreichtes Neurotoxin in einen gezielten Hirnbereich zu liefern. Das Neurotoxin Chinolinsäure (QS) ist normalerweise BBB-undurchlässig und gut verträglich, wenn es intraperitoneal oder intravenös verabreicht wird. Jedoch, Wenn QA erhält direkten Zugang zu Gehirngewebe, Es ist toxisch für die Neuronen. Diese Methode wurde bei Ratten und Mäusen verwendet, um bestimmte Hirnregionen anzusprechen. Unmittelbar nach MRgFUS wird eine erfolgreiche Eröffnung des BBB durch kontrastverstärkte T1-gewichtete Bildgebung bestätigt. Nach dem Eingriff zeigt die T2-Bildgebung Verletzungen, die auf den Zielbereich des Gehirns beschränkt sind, und der Verlust von Neuronen im Zielbereich kann post-mortem unter Verwendung histologischer Techniken bestätigt werden. Bemerkenswert ist, dass Tiere, die mit Kochsaline statt QA injiziert werden, die Öffnung des BBB zeigen, aber Punkt zeigen keine Verletzung oder neuronalen Verlust. Diese Methode, die als Precise Intracerebral Non-invasive Guided Surgery (PING) bezeichnet wird, könnte einen nicht-invasiven Ansatz zur Behandlung neurologischer Störungen im Zusammenhang mit Störungen in neuronalen Schaltkreisen bieten.
Introduction
Der Zweck dieser Methode ist es, ein Mittel zur Produktion von nicht-invasiven neuronalen Läsionen in einer gezielten Region des Gehirns zu bieten. Der Grund für die Entwicklung eines solchen Ansatzes ist die Trennung neuronaler Schaltkreise, die zu neurologischen Störungen beitragen. Zum Beispiel kann eine Operation bei der Behandlung bestimmter medizinisch unlösbarer neurologischer Erkrankungen, wie z. B. medikamentenresistenter Epilepsie (DRE)1 ,sehr effektiv sein. Jedoch, jede der verfügbaren chirurgischen Modalitäten besitzen Einschränkungen in Bezug auf die Produktion unerwünschte Kollateralschäden am Gehirn. Traditionelle resektive Chirurgie kann hochinvasiv mit dem Risiko von Blutungen, Infektionen, Blutgerinnseln, Schlaganfall, Krampfanfälle, Schwellung des Gehirns, und Nervenschäden2sein. Zu den alternativen zur resektiven Chirurgie, die minimalinvasiv oder nicht-invasiv sind, gehören die interstitielle Lasertherapie und die Radiochirurgie, die sich auch bei der Unterdrückung von Anfällen bei DRE als wirksam erwiesen haben. In jüngerer Zeit haben thermische Läsionen, die durch hochintensiven fokussierten Ultraschall (HIFU) erzeugt werden, vielversprechende Auswirkungen auf die Reduzierung von Anfällen gezeigt. HIFU ist nicht-invasiv; Allerdings ist sein Behandlungsfenster derzeit auf zentralere Bereiche des Gehirns beschränkt, da das Risiko einer thermischen Verletzung des Nichtzielgewebes in der Nähe des Schädels besteht. Trotz solcher Einschränkungen überwiegen die Vorteile einer Operation oft die potenziellen Risiken. Zum Beispiel, obwohl Chirurgie für DRE Kollateralschäden verursachen kann, seine positiven Auswirkungen bei der Unterdrückung von Anfällen und Verbesserung der Lebensqualität in der Regel über die chirurgischen Risiken.
Die hier beschriebene Methode, Precise Intracerebral Non-invasive Guided Surgery (PING), wurde zum Zweck der Trennung von neuronalen Schaltkreisen entwickelt, während Kollateralschäden im Gehirn begrenzt wurden. Die Methode nutzt niedrigintensive fokussierten Ultraschall kombiniert mit intravenöser Injektion von Mikroblasen, um die BBB zu öffnen, um ein Neurotoxin zu liefern. Dieser Ansatz produziert keine thermischen Läsionen an das Gehirn3,4,5,6,7, und die Periode der BBB-Öffnung kann genutzt werden, um BBB-undurchlässige Verbindungen an das Gehirn Parenchym zu liefern. Die Öffnung des BBB ist transient und kann gezielt mittels Magnetresonanztomographie-Führung erzeugt werden. In unseren Studien wurde die Zeit der BBB-Öffnung genutzt, um ein zirkulierendes Neurotoxin in einen gezielten Bereich des Gehirnparenchyms bei Ratten und Mäusen zu liefern8,9. Quinolinsäure ist ein Neurotoxin, das gut verträglich ist, wenn es intravenös verabreicht wird10, intraarterial10, oder intraperitoneally8,9,11. Der Mangel an QS-Toxizität ist auf seine schlechte BBB-Permeabilität zurückzuführen, die als vernachlässigbar10gemeldet wurde. Im Gegensatz dazu produziert die direkte Injektion von QA in das Gehirn Parenchym neuronale Läsionen, die benachbarte Axone12,13schonen. So, wenn zirkulierende QA erhält Zugang zum Gehirn Parenchym im Zielbereich der BBB-Öffnung, neuronalen Tod wird produziert8,9. Die vorliegende Methode erzeugt somit gezielt und nicht-invasiv einen fokalen neuronalen Verlust.
Protocol
Representative Results
Discussion
Die PING-Methode wurde entwickelt, um nicht-invasive, gezielte neuronale Läsionen zu erzeugen. Die Methode leitet sich von einer starken und wachsenden Grundlage der Forschung auf dem Gebiet derfokussiertenUltraschall 3,4,5,6,7. Die Fähigkeit, durch vorübergehende Öffnung des BBB einen fokalen Zugang zu bestimmten Bereichen des Hirnparenchyms zu ermöglich…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren würdigen Rene Jack Roy für seine hervorragende technische Unterstützung im Bereich MRT. Diese Arbeit wurde von den National Institutes of Health (R01 NS102194 an KSL und R01 CA217953-01 an MW), dem Chester Fund (KSL) und der Focused Ultrasound Foundation (KSL und JW) unterstützt.
Materials
| 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 |
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