Lesioni neuronali mirate per la disconnessione non invasiva dei circuiti cerebrali
Summary
L’obiettivo del protocollo è quello di fornire un metodo per produrre lesioni neuronali non invasive nel cervello. Il metodo utilizza l’ecografia focalizzata a risonanza magnetica (MRgFUS) per aprire la barriera del cervello del sangue in modo transitorio e focale, al fine di fornire una neurotossina circolante al parenchyma cerebrale.
Abstract
L’intervento chirurgico può essere molto efficace per il trattamento di alcuni tipi di malattie neurologiche medicalmente intrattabili. Questo approccio è particolarmente utile per i disturbi in cui i circuiti neuronali identificabili svolgono un ruolo chiave, come l’epilessia e i disturbi del movimento. Attualmente disponibili modalità chirurgiche, mentre efficace, generalmente comportano una procedura chirurgica invasiva, che può provocare lesioni chirurgiche ai tessuti non bersaglio. Di conseguenza, sarebbe utile ampliare la gamma di approcci chirurgici per includere una tecnica non invasiva e neurotossica.
Qui, viene presentato un metodo per la produzione focale, lesioni neuronali nel cervello in modo non invasivo. Questo approccio utilizza ultrasuoni focalizzati a bassa intensità insieme a microbolle endovenose per aprire transitoriamente e focalmente la barriera del cervello del sangue (BBB). Il periodo di apertura transitoria di BBB viene quindi sfruttato per fornire in modo focale una neurotossina somministrata sistemicamente in un’area cerebrale mirata. L’acido quinolinico neurotossina (QA) è normalmente impermeabile alla BBB ed è ben tollerato quando somministrato per via endovenosa o per via endovenosa. Tuttavia, Quando QA ottiene l’accesso diretto al tessuto cerebrale, è tossico per i neuroni. Questo metodo è stato utilizzato in ratti e topi per indirizzare specifiche regioni del cervello. Immediatamente dopo MRgFUS, l’apertura del BBB viene confermata utilizzando l’imaging ponderato T1 migliorato a contrasto. Dopo la procedura, L’imaging T2 mostra lesioni limitate all’area mirata del cervello e la perdita di neuroni nell’area mirata può essere confermata dopo la morte utilizzando tecniche sittologiche. In particolare, gli animali iniettati con salina piuttosto che QA dimostrano l’apertura del BBB, ma il punto non presenta lesioni o perdita neuronale. Questo metodo, chiamato preciso intracerebrale Chirurgia guidata non invasiva (PING) potrebbe fornire un approccio non invasivo per il trattamento di disturbi neurologici associati a disturbi nei circuiti neurali.
Introduction
Lo scopo di questo metodo è quello di fornire un mezzo per produrre lesioni neuronali non invasive in una regione mirata del cervello. La logica per sviluppare un tale approccio è quello di scollegare i circuiti neuronali contribuendo a disturbi neurologici. Per esempio, la chirurgia può essere molto efficace nel trattamento di alcuni disturbi neurologici medicalmente intrattabili, come l’epilessia farmacor resistente ai farmaci (DRE)1. Tuttavia, ognuna delle modalità chirurgiche disponibili possiedono limitazioni in termini di produzione di danni collaterali indesiderati al cervello. La chirurgia resectiva tradizionale può essere altamente invasiva con il rischio di sanguinamento, infezione, coaguli di sangue, ictus, convulsioni, gonfiore del cervello e danni ai nervi2. Le alternative alla chirurgia resectiva minimamente invasiva o non invasiva includono la terapia termica interstiziale laser e la radiochirurgia, che si sono dimostrate efficaci anche nella soppressione delle crisi epilettiche nel DRE. Più recentemente, le lesioni termiche prodotte da ultrasuoni focalizzati ad alta intensità (HIFU) hanno dimostrato di essere promettenti nel ridurre le convulsioni. HIFU non è invasivo; tuttavia, la sua finestra di trattamento è attualmente limitata alle aree più centrali del cervello a causa del rischio di lesioni termiche al tessuto non bersaglio situato nelle vicinanze del cranio. Nonostante tali limitazioni, i benefici della chirurgia spesso superano i potenziali rischi. Per esempio, anche se la chirurgia per DRE può produrre danni cerebrali collaterali, i suoi effetti benefici nella soppressione delle crisi epilettiche e migliorare la qualità della vita in genere prevalgono sui rischi chirurgici.
Il metodo descritto nel suo seguito, Precise Intracerebral Non-invasive Guided surgery (PING), è stato sviluppato allo scopo di scollegare i circuiti neurali, limitando al contempo i danni collaterali al cervello. Il metodo utilizza ultrasuoni focalizzati a bassa intensità combinati con iniezione endovenosa di microbolle per aprire il BBB, al fine di fornire una neurotossina. Questo approccio non produce lesioni termiche al cervello3,4,5,6,7e il periodo di apertura BBB può essere sfruttato per fornire composti BBB-impermeable al parenchyma cervello. L’apertura del BBB è transitoria e può essere prodotta in modo mirato utilizzando la guida per la risonanza magnetica. Nei nostri studi, il periodo di apertura BBB è stato utilizzato per fornire una neurotossina circolante ad una zona mirata del parenchyma cerebrale in ratti e topi8,9. L’acido quinolinico è una neurotossina che è ben tollerata quando somministrata per viaendovenosa 10, intraarterially10, o intraperitoneally8,9,11. La mancanza di tossicità del QA è dovuta alla sua scarsa permeabilità BBB, che è stata segnalata come trascurabile10. Al contrario, l’iniezione diretta di QA nel parenchyma cerebrale produce lesioni neuronali che risparmiano gli assonivicini 12,13. Così, quando il QA circola ottiene l’accesso al parenchyma cerebrale nell’area mirata di apertura BBB, la morte neuronale èprodotta 8,9. L’attuale metodo produce quindi una perdita neuronale focale in modo mirato e non invasivo.
Protocol
Representative Results
Discussion
Il metodo PING è progettato per produrre lesioni neuronali non invasive e mirate. Il metodo deriva da una solida e crescente base di ricerca nel campo degli ultrasuonimirati 3,4,5,6,7. La capacità di fornire un accesso focale a specifiche aree del parenchyma cerebrale tramite l’apertura transitoria del BBB ha creato una via per fornire una vasta gamma di age…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gli autori riconoscono Rene Jack Roy per il suo eccellente supporto tecnico nel settore della risonanza magnetica. Questo lavoro è stato sostenuto dai National Institutes of Health (R01 NS102194 a KSL e R01 CA217953-01 a MW), dal Chester Fund (KSL) e dalla Focused Ultrasound Foundation (KSL e 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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