Lésion neuronale ciblée pour la déconnexion non invasive des circuits cérébraux
Summary
Le but du protocole est de fournir une méthode pour produire des lésions neuronales non invasives dans le cerveau. La méthode utilise l’échographie focalisée guidée par résonance magnétique (MRgFUS) pour ouvrir la barrière hémato-encéphalique d’une manière transitoire et focale, afin de fournir une neurotoxine circulante au parenchyme cérébral.
Abstract
L’intervention chirurgicale peut être très efficace pour traiter certains types de maladies neurologiques médicalement insolubles. Cette approche est particulièrement utile pour les troubles dans lesquels les circuits neuronaux identifiables jouent un rôle clé, tels que l’épilepsie et les troubles du mouvement. Les modalités chirurgicales actuellement disponibles, bien qu’efficaces, impliquent généralement une intervention chirurgicale invasive, qui peut entraîner des blessures chirurgicales aux tissus non ciblés. Par conséquent, il serait utile d’élargir la gamme des approches chirurgicales pour inclure une technique à la fois non invasive et neurotoxique.
Ici, une méthode est présentée pour produire des lésions neuronales focales dans le cerveau d’une manière non invasive. Cette approche utilise des ultrasons focalisés de faible intensité ainsi que des microbulles intraveineuses pour ouvrir de façon transitoire et focale la barrière hémato-encéphalique (BBB). La période d’ouverture transitoire de BBB est alors exploitée pour fournir focalement une neurotoxine systémiquement administrée à une zone ciblée de cerveau. L’acide quinolinique neurotoxine (QA) est normalement imperméable à la BBB, et est bien toléré lorsqu’il est administré intrapéritoneally ou par voie intraveineuse. Cependant, lorsque l’aq gagne un accès direct aux tissus cérébraux, il est toxique pour les neurones. Cette méthode a été utilisée chez les rats et les souris pour cibler des régions spécifiques du cerveau. Immédiatement après MRgFUS, l’ouverture réussie du BBB est confirmée à l’aide d’une imagerie t1 améliorée par contraste. Après la procédure, l’imagerie T2 montre des blessures limitées à la zone ciblée du cerveau et la perte de neurones dans la zone ciblée peut être confirmée post-mortem en utilisant des techniques histologiques. Notamment, les animaux injectés avec la solution saline plutôt que l’aq démontrent l’ouverture de la BBB, mais point ne présentent pas de blessure ou de perte neuronale. Cette méthode, appelée chirurgie guidée non invasive intracérébrale précise (PING) pourrait fournir une approche non invasive pour traiter les troubles neurologiques associés aux perturbations dans les circuits neuronaux.
Introduction
Le but de cette méthode est de fournir un moyen de produire des lésions neuronales non invasives dans une région ciblée du cerveau. La raison d’être du développement d’une telle approche est de déconnecter les circuits neuronaux contribuant aux troubles neurologiques. Par exemple, la chirurgie peut être très efficace dans le traitement de certains troubles neurologiques médicalement insolubles, tels que l’épilepsie pharmacorésistante (DRE)1. Cependant, chacune des modalités chirurgicales disponibles possèdent des limitations en termes de production de dommages collatéraux indésirables au cerveau. La chirurgie résécrétive traditionnelle peut être très invasive avec le risque de saignement, d’infection, de caillots sanguins, d’accident vasculaire cérébral, de convulsions, d’enflure du cerveau et de lésions nerveuses2. Les alternatives à la chirurgie résécrétive qui sont mini-invasives ou non-invasives incluent la thérapie thermique interstitielle au laser et la radiochirurgie, qui se sont également avérées efficaces dans la suppression des saisies dans DRE. Plus récemment, les lésions thermiques produites par l’ultrason focalisé de haute intensité (HIFU) se sont montrées prometteuses en réduisant des saisies. HIFU est non invasif; cependant, sa fenêtre de traitement est actuellement limitée à des zones plus centrales du cerveau en raison du risque de lésion thermique aux tissus non ciblés situés à proximité du crâne. Malgré ces limitations, les avantages de la chirurgie l’emportent souvent sur les risques potentiels. Par exemple, bien que la chirurgie pour DRE peut produire des dommages collatéraux de cerveau, ses effets salutaires dans la suppression des saisies et l’amélioration de la qualité de vie l’emportent généralement sur les risques chirurgicaux.
La méthode décrite ici, Precise Intracerebral Non-invasive Guided surgery (PING), a été développée dans le but de déconnecter les circuits neuronaux, tout en limitant les dommages collatéraux du cerveau. La méthode utilise une échographie focalisée de faible intensité combinée à l’injection intraveineuse de microbulles pour ouvrir le BBB, afin de délivrer une neurotoxine. Cette approche ne produit pas de lésions thermiques au cerveau3,,4,,5,6,7, et la période d’ouverture BBB peut être exploitée pour fournir des composés imperméables BBB au parenchyme cérébral. L’ouverture du BBB est transitoire et peut être produite de manière ciblée à l’aide de conseils d’imagerie par résonance magnétique. Dans nos études, la période d’ouverture BBB a été utilisé pour fournir une neurotoxine circulante à une zone ciblée du parenchyme cérébral chez les rats et les souris8,9. L’acide quinolinique est une neurotoxine qui est bien tolérée lorsqu’elle est administrée par voie intraveineuse10, intraartérialement10, ou intrapéritoneally8,9,11. L’absence de toxicité de l’AQ est due à sa faible perméabilité BBB, qui a été signalé à être négligeable10. En revanche, l’injection directe de QA dans le parenchyme cérébral produit des lésions neuronales qui épargnent les axones voisins12,13. Ainsi, lorsque l’AQ circulant gagne l’accès au parenchyme cérébral dans la zone ciblée de l’ouverture BBB, la mort neuronale est produite8,9. La méthode actuelle produit ainsi une perte neuronale focale d’une manière précisément ciblée et non invasive.
Protocol
Representative Results
Discussion
La méthode PING est conçue pour produire des lésions neuronales non invasives et ciblées. La méthode dérive d’une base forte et croissante de la recherche dans le domaine de l’échographie ciblée3,4,5,6,7. La capacité de fournir un accès focal à des zones spécifiques du parenchyme cérébral par l’ouverture transitoire de la BBB a créé une a…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs reconnaissent René Jack Roy pour son excellent soutien technique dans le domaine de l’IRM. Ces travaux ont été soutenus par les National Institutes of Health (R01 NS102194 à KSL et R01 CA217953-01 à MW), le Chester Fund (KSL), et la Focused Ultrasound Foundation (KSL et 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 |
Riferimenti
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