פגיעה עצבית ממוקדת לניתוק לא פולשני של מעגלי מוח
Summary
מטרת הפרוטוקול היא לספק שיטה לייצור נגעים עצביים לא פולשניים במוח. השיטה משתמשת אולטרסאונד ממוקד מונחה תהודה מגנטית (MRgFUS) כדי לפתוח את מחסום מוח הדם באופן ארעי ומוקד, על מנת לספק רעלן עצבי במחזור לפארנצ’ימה במוח.
Abstract
התערבות כירורגית יכולה להיות יעילה למדי לטיפול בסוגים מסוימים של מחלות נוירולוגיות בלתי הפיכות מבחינה רפואית. גישה זו שימושית במיוחד עבור הפרעות שבהן מעגלים עצביים הניתנים לזיהוי ממלא תפקיד מפתח, כגון אפילפסיה והפרעות תנועה. כיום זמין שיטות כירורגיות, בעוד יעיל, בדרך כלל כרוך הליך כירורגי פולשני, אשר יכול לגרום פגיעה כירורגית ברקמות שאינן היעד. כתוצאה מכך, זה יהיה בעל ערך כדי להרחיב את מגוון הגישות כירורגיות לכלול טכניקה שהיא גם לא פולשנית וגם neurotoxic.
כאן, שיטה מוצגת לייצור נגעים מוקד, עצביים במוח באופן לא פולשני. גישה זו מנצלת אולטרסאונד ממוקד בעוצמה נמוכה יחד עם microbubbles תוך ורדי כדי לפתוח ארעי ומוקד את מחסום מוח הדם (BBB). התקופה של פתיחת BBB ארעי מנוצל לאחר מכן כדי לספק באופן מוקדי רעלן עצבי מנוהל באופן שיטתי לאזור מוח ממוקד. חומצה קווינולנית neurotoxin (QA) הוא בדרך כלל BBB-חסין, והוא נסבל היטב כאשר מנוהל תוך אפרטינולי או דרך ויריד. עם זאת, כאשר QA מקבל גישה ישירה רקמת המוח, זה רעיל לנוירונים. שיטה זו שימשה חולדות ועכברים כדי למקד אזורים ספציפיים במוח. מיד לאחר MRgFUS, פתיחה מוצלחת של BBB מאושר באמצעות ניגודיות משופרת T1 המשוקלל הדמיה. לאחר ההליך, T2 הדמיה מראה פציעה מוגבלת לאזור ממוקד של המוח ואובדן של נוירונים באזור ממוקד יכול להיות מאושר לאחר המוות ניצול טכניקות היסטולוגיות. במיוחד, בעלי חיים מוזרקים עם תמיסת מלח ולא QA להפגין פתיחת BBB, אבל נקודה לא להפגין פציעה או אובדן עצבי. שיטה זו, נוי מדויק תוך-erebral לא פולשנית ניתוח מודרך (PING) יכול לספק גישה לא פולשנית לטיפול בהפרעות נוירולוגיות הקשורות הפרעות במעגלים עצביים.
Introduction
מטרת שיטה זו היא לספק אמצעי לייצור נגעים עצביים לא פולשניים באזור ממוקד של המוח. הרציונל לפיתוח גישה כזו הוא לנתק מעגלים עצביים התורמים להפרעות נוירולוגיות. לדוגמה, ניתוח יכול להיות יעיל למדי בטיפול בהפרעות נוירולוגיות מסוימות מבחינה רפואית בלתי הפיכות, כגון אפילפסיה עמידים לתרופות (DRE)1. עם זאת, כל אחת מהן הדרכים הכירורגיות הזמינות יש מגבלות במונחים של ייצור נזק משני לא רצוי למוח. ניתוח resective מסורתי יכול להיות פולשני מאוד עם הסיכון לדימום, זיהום, קרישי דם, שבץ מוחי, התקפים, נפיחות של המוח, ונזק עצבי2. חלופות לניתוח resective כי הם פולשניים או לא פולשניים כוללים טיפול תרמי interstitial לייזר ורדיוכירורגיה, אשר גם הוכיחו להיות יעיל בדיכוי התקפים ב DRE. לאחרונה, נגעים תרמיים המיוצרים על ידי אולטרסאונד ממוקד בעוצמה גבוהה (HIFU) הראו הבטחה בהפחתת התקפים. HIFU הוא לא פולשני; עם זאת, חלון הטיפול שלה מוגבל כיום לאזורים מרכזיים יותר של המוח בשל הסיכון של פגיעה תרמית ברקמה שאינה מטרה הממוקמת בקרבת הגולגולת. למרות מגבלות כאלה, היתרונות של ניתוח לעתים קרובות עולים על הסיכונים הפוטנציאליים. לדוגמה, למרות ניתוח עבור DRE יכול לייצר נזק מוחי משני, השפעותיו המועילות בדיכוי התקפים ושיפור איכות החיים בדרך כלל גוברים על הסיכונים הכירורגיים.
השיטה המתוארת בזאת, ניתוח מונחה לא פולשני (PING) תוך-פולשנית מדויקת, פותחה לצורך ניתוק מעגלים עצביים, תוך הגבלת נזק מוחי משני. השיטה משתמשת בעוצמה נמוכה ממוקד אולטרסאונד בשילוב עם הזרקה תוך ורדי של microbubbles כדי לפתוח את BBB, על מנת לספק רעלן עצבי. גישה זו אינה מייצרת נגעיםתרמיים למוח 3,4,5,6,7, ואת תקופת פתיחת BBB ניתן לנצל כדי לספק תרכובות BBB-מושלם לפארנצ’ימה במוח. הפתיחה של BBB הוא ארעי, והוא יכול להיות מיוצר באופן ממוקד באמצעות הדרכת הדמיית תהודה מגנטית. במחקרים שלנו, התקופה של פתיחת BBB נוצלה כדי לספק רעלן עצבי במחזור לאזור ממוקד של parenchyma המוח בחולדות ועכברים8,,9. חומצה קווינולנית היא רעלן עצבי נסבל היטב כאשר מנוהלדרך ויריד 10, תוךאוארטירי 10,או תוך אפרטינולי,8,9,,11. חוסר רעילות QA נובע חדירות BBB עניים שלה, אשר דווח להיות זניח10. לעומת זאת, הזרקה ישירה של QA לתוך parenchyma במוח מייצרת נגעים עצביים החוסכים אקסוניםשכנים 12,,13. לכן, כאשר במחזור QA מקבל גישה parenchyma המוח באזור ממוקד של פתיחת BBB, מוות עצבי מיוצר8,9. השיטה הנוכחית מייצרת אפוא אובדן עצבי מוקדי באופן ממוקד ולא פולשני.
Protocol
Representative Results
Discussion
שיטת PING נועדה לייצר נגעים עצביים לא פולשניים, ממוקדים. השיטה נובעת בסיס חזק וגדל של מחקר בתחום של אולטרסאונד ממוקד3, 4,5,,6,7.4, היכולת לספק גישה מוקד לאזורים ספציפיים של parenchyma המוח באמצעות פתיחה ארעית של B…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
המחברים מזהים את רנה ג’ק רוי על תמיכתו הטכנית המצוינת בתחום ה-MRI. עבודה זו נתמכה על ידי המכונים הלאומיים לבריאות (R01 NS102194 ל KSL ו R01 CA217953-01 ל-MW), קרן צ’סטר (KSL) וקרן אולטרסאונד ממוקדת (KSL ו-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
- 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. Neuroscienze. 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).
