Lesión neuronal dirigida para la desconexión no invasiva del circuito cerebral
Summary
El objetivo del protocolo es proporcionar un método para producir lesiones neuronales no invasivas en el cerebro. El método utiliza ultrasonido focalizado guiado por resonancia magnética (MRgFUS) para abrir la barrera hematoencefálica de una manera transitoria y focal, con el fin de entregar una neurotoxina circulante al parénquima cerebral.
Abstract
La intervención quirúrgica puede ser bastante eficaz para tratar ciertos tipos de enfermedades neurológicas médicamente intratables. Este enfoque es particularmente útil para trastornos en los que los circuitos neuronales identificables juegan un papel clave, como la epilepsia y los trastornos del movimiento. Actualmente las modalidades quirúrgicas disponibles, si bien son efectivas, generalmente implican un procedimiento quirúrgico invasivo, que puede resultar en lesiones quirúrgicas a tejidos no objetivo. En consecuencia, sería de valor ampliar la gama de enfoques quirúrgicos para incluir una técnica que no sea invasiva y neurotóxica.
Aquí, se presenta un método para producir lesiones neuronales focales en el cerebro de una manera no invasiva. Este enfoque utiliza ultrasonido enfocado de baja intensidad junto con microburbujas intravenosas para abrir transitoria y focalmente la Barrera Hemáncera (BBB). El período de apertura transitoria de BBB se explota entonces para entregar focalmente una neurotoxina administrada sistémicamente a un área cerebral dirigida. El ácido quinolinico de neurotoxina (QA) es normalmente impermeable a BBB, y es bien tolerado cuando se administra por vía intraperitoneal o intravenosa. Sin embargo, Cuando qa gana acceso directo al tejido cerebral, es tóxico para las neuronas. Este método se ha utilizado en ratas y ratones para apuntar a regiones cerebrales específicas. Inmediatamente después de MRgFUS, la apertura exitosa del BBB se confirma utilizando imágenes ponderadas en T1 mejoradas en contraste. Después del procedimiento, las imágenes T2 muestran una lesión restringida a la zona objetivo del cerebro y la pérdida de neuronas en el área objetivo se puede confirmar post mortem utilizando técnicas histológicas. En particular, los animales inyectados con solución salina en lugar de QA demuestran la apertura del BBB, pero punto no exhiben lesión o pérdida neuronal. Este método, llamado Precise Intracerebral Non-invasive Guided Surgery (PING) podría proporcionar un enfoque no invasivo para el tratamiento de trastornos neurológicos asociados con alteraciones en los circuitos neuronales.
Introduction
El propósito de este método es proporcionar un medio para producir lesiones neuronales no invasivas en una región específica del cerebro. La razón para desarrollar este enfoque es desconectar el circuito neuronal contribuyendo a los trastornos neurológicos. Por ejemplo, la cirugía puede ser bastante eficaz en el tratamiento de ciertos trastornos neurológicos médicamente intratables, como la epilepsia farmacorresistente (DRE)1. Sin embargo, cada una de las modalidades quirúrgicas disponibles posee limitaciones en términos de producir daño colateral indeseable al cerebro. La cirugía resectiva tradicional puede ser altamente invasiva con el riesgo de sangrado, infección, coágulos sanguíneos, accidente cerebrovascular, convulsiones, hinchazón del cerebro y daño a los nervios2. Las alternativas a la cirugía resectiva que son mínimamente invasivas o no invasivas incluyen la terapia térmica intersticial láser y la radiocirugía, que también han demostrado ser eficaces para suprimir las convulsiones en DRE. Más recientemente, las lesiones térmicas producidas por ultrasonido focalizado de alta intensidad (HIFU) han demostrado ser prometedoras en la reducción de las convulsiones. HIFU no es invasivo; sin embargo, su ventana de tratamiento actualmente se limita a áreas más centrales del cerebro debido al riesgo de lesión térmica al tejido no objetivo situado en las proximidades del cráneo. A pesar de estas limitaciones, los beneficios de la cirugía a menudo superan los riesgos potenciales. Por ejemplo, aunque la cirugía para la DRE puede producir daño cerebral colateral, sus efectos beneficiosos en la supresión de las convulsiones y la mejora de la calidad de vida suelen prevalecer sobre los riesgos quirúrgicos.
El método descrito en este documento, Precise Intracerebral Non-invasive Guided surgery (PING), fue desarrollado con el propósito de desconectar los circuitos neuronales, al tiempo que limita el daño cerebral colateral. El método utiliza ultrasonido centrado de baja intensidad combinado con inyección intravenosa de microburbujas para abrir el BBB, con el fin de entregar una neurotoxina. Este enfoque no produce lesiones térmicas al cerebro3,4,5,6,7, y el período de apertura BBB puede ser explotado para entregar BBB-compuestos impermeables al parénquima cerebral. La apertura del BBB es transitoria y se puede producir de manera específica mediante la guía por imágenes por resonancia magnética. En nuestros estudios, el período de apertura de BBB se ha utilizado para entregar una neurotoxina circulante a una zona específica del parénquima cerebral en ratas y ratones8,,9. El ácido quinolinico es una neurotoxina bien tolerada cuando se administra por vía intravenosa10,intraarterialmente10, o intraperitonealmente8,9,11. La falta de toxicidad de control de calidad se debe a su escasa permeabilidad del BBB, que se ha informado de que es insignificante10. Por el contrario, la inyección directa de QA en el parénquima cerebral produce lesiones neuronales que evitan los axones vecinos12,,13. Por lo tanto, cuando el control de calidad circulante obtiene acceso al parénquima cerebral en el área objetivo de la apertura de BBB, la muerte neuronal se produce8,,9. El método actual produce así la pérdida neuronal focal de una manera precisa dirigida y no invasiva.
Protocol
Representative Results
Discussion
El método PING está diseñado para producir lesiones neuronales dirigidas no invasivas. El método deriva de una base sólida y creciente de investigación en el campo de la ecografía focalizada3,4,5,6,7. La capacidad de proporcionar acceso focal a áreas específicas del parénquima cerebral a través de la apertura transitoria del BBB ha creado una vía p…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Los autores reconocen a Rene Jack Roy por su excelente apoyo técnico en el área de la RMN. Este trabajo fue apoyado por los Institutos Nacionales de Salud (R01 NS102194 a KSL y R01 CA217953-01 a MW), el Fondo Chester (KSL) y la Fundación de Ultrasonido Focalizado (KSL y JW).
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 |
References
- Wiebe, S., Eliasziw, M., Matijevic, S. I. Changes in quality of life in epilepsy: How large must they be to be real. Epilepsia. 42, 113-118 (2001).
- McClelland, S., Guo, H., Okuyemi, K. S. Population-based analysis of morbidity and mortality following surgery for intractable temporal lobe epilepsy in the United States. Archives of Neurology. 68, 725-729 (2011).
- Hynynen, K., McDannold, N., Vykhotseva, N., Jolesz, F. A. Noninvasive MR imaging-guided focal opening of the blood-brain barrier in rabbits. Radiology. 220, 640-646 (2001).
- McDannold, N., Vykhodtseva, N., Raymond, S., Jolesz, F. A., Hynynen, K. MRI-guided targeted blood-brain barrier disruption with focused ultrasound: histological findings in rabbits. Ultrasound in Medicine & Biology. 31, 1527-1537 (2005).
- Park, J., Zhang, Y., Vykhodtseva, N., Jolesz, F. A., McDannold, N. J. The kinetics of blood brain barrier permeability and targeted doxorubicin delivery into brain induced by focused ultrasound. Journal of Controlled Release. 162 (1), 134-142 (2012).
- Sheikov, N., McDannold, N., Vykhodtseva, N., Jolesz, F., Hynynen, K. Cellular mechanisms of the blood-brain barrier opening induced by ultrasound in the presence of microbubbles. Ultrasound in Medicine & Biology. 30, 979-989 (2004).
- Vlachos, F., Tung, Y. S., Konofagou, E. E. Permeability assessment of the focused ultrasound-induced blood-brain barrier opening using dynamic contrast-enhanced MRI. Physics in Medicine and Biology. 55 (18), 5451-5466 (2010).
- Zhang, Y., et al. focal disconnection of brain circuitry using magnetic resonance-guided low-intensity focused ultrasound to deliver a Neurotoxin. Ultrasound in Medicine & Biology. 42 (9), 2261-2269 (2016).
- Zhang, Y., et al. Testing different combinations of acoustic pressure and doses of quinolinic acid to induce focal-neuron loss in mice using transcranial low-intensity focused ultrasound. Ultrasound in Medicine & Biology. 45, 129-136 (2018).
- Foster, A. C., Miller, L. P., Oldendorf, W. H., Schwarcz, R. Studies on the disposition of quinolinic acid after intracerebral or systemic administration in the rat. Experimental Neurology. 84, 428-440 (1984).
- Beskid, M., Różycka, Z., Taraszewska, A. Quinolinic acid: effect on the nucleus arcuatus of the hypothalamus in the rat (ultrastructural evidence). Experimental and Toxicologic Pathology. 49, 477-481 (1997).
- Schwarcz, R., Köhler, C. Differential vulnerability of central neurons of the rat to quinolinic acid. Neuroscience Letters. 38, 85-90 (1983).
- Schwarcz, R., Whetsell, W. O., Mangano, R. M. Quinolinic acid: an endogenous metabolite that produces axon-sparing lesions in rat brain. Science. 219, 316-318 (1983).
- Klibanov, A. L. Microbubble contrast agents: targeted ultrasound imaging and ultrasound-assisted drug-delivery applications. Investigative Radiology. 41 (3), 354-362 (2006).
- Agari, T., et al. Successful treatment of epilepsy by resection of periventricular nodular heterotopia. Acta Medica Okayama. 66 (6), 487-492 (2012).
- Lee, K. S., et al. A genetic animal model of human neocortical heterotopia associated with seizures. The Journal of Neuroscience. 17 (16), 6236-6242 (1997).
- Schottler, F., Couture, D., Rao, A., Kahn, H., Lee, K. S. Subcortical connections of normotopic and heterotopic neurons in sensory and motor cortices of the tish mutant rat. The Journal of Comparative Neurology. 395 (1), 29-42 (1998).
- Schottler, F., et al. Normotopic and heterotopic cortical representations of mystacial vibrissae in rats with subcortical band heterotopia. Neurosciences. 108 (2), 217-235 (2001).
- Zhang, Y., et al. Effects of non-invasive, targeted, neuronal lesions on seizures in a mouse model of temporal lobe epilepsy. Ultrasound in Medicine and Biology. 46, 1224-1234 (2020).
- Holmes, E. W. Determination of serum kynurenine and hepatic tryptophan dioxygenase activity by high-performance liquid chromatography. Analytical Biochemistry. 172, 518-525 (1988).
- Shibata, K., Ohno, T., Sano, M., Fukuwatari, T. The urinary ratio of 3-hydroxykynurenine/3-hydroxyanthranilic acid is an index of predicting the adverse effects of D-trytophan in rats. Journal of Nutritional Science and Vitaminology. 60, 261-268 (2014).
- Aubry, J. -. F., Tanter, M. MR-guided transcranial focused ultrasound. Therapeutic Ultrasound. , 97-111 (2016).
- Elias, W. J., et al. A Randomized trial of focused ultrasound thalamotomy for essential tremor. New England Journal of Medicine. 375, 730-739 (2016).
- Ghanouni, P., et al. Transcranial MR-guided focused ultrasound: a review of the technology and neuro applications. American Journal of Roentgenology. 205, 150-159 (2015).
- Martin, E., Jeanmonod, D., Morel, A., Zadicario, E., Werner, B. High-intensity focused ultrasound for noninvasive functional neurosurgery. Annals of Neurology. 66, 858-861 (2009).
- Monteith, S., et al. Transcranial magnetic resonance-guided focused ultrasound for temporal lobe epilepsy: a laboratory feasibility study. Journal of Neurosurgery. 12, 1-8 (2016).
