נוירון סטראוטקטי מונחה תפוקה גבוהה ומערכת אולטרסאונד ממוקדת לפתיחת מחסום דם-מוח במכרסמים

מחסום הדם – מוח (BBB) הוא מכשול מרכזי להעברת סמים לתוך parenchyma המוח. רוב התרופות הטיפוליות שפותחו אינן חוצות את ה- BBB בשל הפרמטרים הפיזיוכימיים שלהן (למשל, ליפופיליות, משקל מולקולרי, מקבלי קשר מימן ותורמים) או אינן נשמרות בשל זיקתן למובילי קולוקס במוח^1,2. הקבוצה הקטנה של תרופות שיכולות לחצות את BBB הם בדרך כלל מולקולות ליפופיליות קטנות, אשר יעילים רק במספר מוגבל של מחלות מוח^1,2. כתוצאה מכך, עבור רוב מחלות המוח, אפשרויות הטיפול הפרמקולוגי מוגבלות ואסטרטגיות אספקת תרופות חדשות נדרשות^3,4.

אולטרסאונד טיפולית היא טכניקה מתפתחת שניתן להשתמש בה עבור יישומים נוירולוגיים שונים כגון הפרעה BBB (BBBD), נוירומודולציה, אבלציה^4,5,6,7. על מנת להשיג פתיחת BBB עם פולט אולטרסאונד חוץ גשמי דרך הגולגולת, אולטרסאונד ממוקד (FUS) משולב עם microbubbles. תוצאות FUS בתיווך Microbubble הזמינות הביולוגית מוגברת של תרופות parenchyma המוח^5,8,9. בנוכחות גלי קול, microbubbles מתחילים להתנדנד ייזום transcytosis ושיבוש של הצמתים ההדוקים בין תאי האנדותל של BBB, המאפשר הובלה paracellular של מולקולות גדולות^{יותר 10}. מחקרים קודמים אישרו את המתאם בין עוצמת הפליטה האקוסטית לבין ההשפעה הביולוגית על פתיחת BBB^11,12,13,14. FUS בשילוב עם microbubbles כבר נעשה שימוש בניסויים קליניים לטיפול גליובלסטומה באמצעות temozolomide או דוסורוביצ’ין ליפוזומלי כסוכן כימותרפי, או לטיפול במחלת אלצהיימר וטרשת לרוחב amyotrophic^5,9,15,16.

מאז אולטרסאונד בתיווך BBB תוצאות אפשרויות חדשות לחלוטין עבור פרמקותרפיה, דרוש מחקר פרה-קליני לתרגום קליני כדי להעריך את התגובה הטיפולית של מועמדים נבחרים לתרופות. פעולה זו דורשת בדרך כלל זרימת עבודה בעלת תפוקה גבוהה עם דיוק מרחבי גבוה ועדיף זיהוי cavitation משולב לניטור פתיחת BBB ייעודית עם יכולת רבייה גבוהה. במידת האפשר, מערכות אלה צריכות להיות חסכוניות הן בהשקעה הראשונית והן בעלויות התפעול על מנת להיות מדרגיות בהתאם לגודל המחקר. רוב מערכות FUS פרה-קוליניות משולבות עם MRI להנחיית תמונה ותכנון טיפול^15,17,18,19. למרות MRI נותן מידע מפורט על האנטומיה הגידול ונפח, זוהי טכניקה יקרה, אשר מבוצעת בדרך כלל על ידי מפעילים מאומנים / מיומנים. בנוסף, MRI ברזולוציה גבוהה לא תמיד יכול להיות זמין לחוקרים במתקנים פרה-קוליניים ודורש זמני סריקה ארוכים לכל בעל חיים, מה שהופך אותו פחות מתאים למחקרים תרופתיים בתפוקה גבוהה. ראוי לציין כי, עבור מחקר פרה-קליני בתחום הנוירו-אונקולוגיה, במיוחד מודלים של גידולים מסתננים, האפשרות לדמיין ולמקד את הגידול חיונית להצלחת הטיפול²⁰. נכון לעכשיו, דרישה זו מתקיימת רק על ידי MRI או על ידי גידולים transduced עם photoprotein, המאפשר הדמיה עם הדמיה bioluminescence (BLI) בשילוב עם ניהול של מצע photoprotein.

מערכות FUS מונחות MRI משתמשות לעתים קרובות באמבט מים כדי להבטיח התפשטות גלי אולטרסאונד ליישומים טרנס-קרניים, לפיה ראש החיה שקוע בחלקו במים, מה שמכונה מערכות ‘מלמטה למעלה’^15,17,18. בעוד עיצובים אלה עובדים בדרך כלל היטב במחקרים בבעלי חיים קטנים יותר, הם פשרה בין זמני הכנת בעלי חיים, ניידות ותקנים היגייניים הניתנים לתחזוקה מציאותית במהלך השימוש. כחלופה MRI, שיטות הדרכה אחרות לניווט סטראוטקטי להקיף את השימוש אטלס אנטומי מכרסמים^21,22,23, מצביע לייזר סייע ראייה^{חזותית 24}, סיכה בסיוע מכשיר סריקה מכני²⁵, או BLI²⁶. רוב העיצובים הללו הם מערכות “מלמעלה למטה” שבהן המתמר ממוקם על ראשו של בעל החיים, כאשר החיה נמצאת במצב טבעי. זרימת העבודה ‘מלמעלה למטה’ מורכבת מאמבט מים^22,25,26 או חרוט מלא מים^21,24. היתרון של שימוש במתמר בתוך חרוט סגור הוא טביעת הרגל הקומפקטית יותר, זמן התקנה קצר יותר ואפשרויות טיהור ישר קדימה המפשטות את זרימת העבודה כולה.

האינטראקציה של השדה האקוסטי עם microbubbles הוא תלוי בלחץ נע בין תנודות משרעת נמוכה (המכונה cavitation יציב) כדי התמוטטות בועה חולפת (המכונה cavitation אינרציאלי)^27,28. יש קונצנזוס מבוסס כי אולטרסאונד-BBBD דורש לחץ אקוסטי הרבה מעל סף cavitation יציב כדי להשיג BBBD מוצלח, אבל מתחת לסף cavitation אינרציאלי, אשר קשורה בדרך כלל עם נזק כלי דם / עצביים²⁹. הצורה הנפוצה ביותר של ניטור ובקרה היא ניתוח של האות האקוסטי המפוזר (האחורי) באמצעות זיהוי cavitation פסיבי (PCD), כפי שהוצע על ידי McDannold ואח^’12. PCD מסתמך על ניתוח ספקטרום פורייה של אותות פליטת microbubble, שבו הכוח והמראה של סימני ההיכר cavitation יציב (הרמוניקה, subharmonics, ו ultraharmonics) וסמני cavitation אינרציאלי (תגובת פס רחב) ניתן למדוד בזמן אמת.

“מידה אחת מתאימה לכולם” PCD-ניתוח לבקרת לחץ מדויקת מסובך בשל polydispersity של ניסוח microbubble (משרעת תנודה תלויה מאוד בקוטר הבועה), ההבדלים בתכונות מעטפת בועה בין מותגים, ואת התנודה האקוסטית, אשר תלוי מאוד בתדירות ולחץ^30,31,32. כתוצאה מכך, הוצעו פרוטוקולי זיהוי PCD רבים ושונים, אשר הותאמו לשילובים מסוימים של כל הפרמטרים הללו ושימשו בתרחישי יישומים שונים (החל מניסויים במבחנה על פרוטוקולים קטנים של בעלי חיים ועד PCD לשימוש קליני) לגילוי cavitation חזק ואפילו לבקרת משוב רטרואקטיבית של הלחץ^{11,14,30,31,32,33,34,35}. פרוטוקול PCD המועסקים בהיקף של מחקר זה נגזר ישירות מ McDannold ואח^’12 ומנטר את הפליטה ההרמונית לנוכחות של cavitation יציב ורעש פס רחב לגילוי cavitation אינרציאלי.

פיתחנו מערכת FUS נוירון מונחה תמונה לפתיחה חולפת של BBB כדי להגדיל את אספקת הסמים לתוך parenchyma המוח. המערכת מבוססת על רכיבים מסחריים זמינים וניתן להתאים אותה בקלות למספר שיטות הדמיה שונות, בהתאם לטכניקות ההדמיה הזמינות במתקן בעלי החיים. מכיוון שאנו זקוקים לזרימת עבודה בעלת תפוקה גבוהה, בחרנו להשתמש בצילום רנטגן ו- BLI להנחיית תמונה ותכנון טיפול. תאים סרטניים שעברו עירוי עם פוטופרוטאין (למשל, לוציפראז) מתאימים להדמיית BLI²⁰. לאחר מתן מצע photoprotein, תאים סרטניים ניתן לפקח vivo וצמיחה הגידול ואת המיקום ניתן לקבוע^20,36. BLI הוא מודאליות הדמיה בעלות נמוכה, הוא מאפשר לעקוב אחר הגידול לאורך זמן, יש לו זמני סריקה מהירים והוא מתואם היטב עם צמיחת הגידול נמדד עם MRI^36,37. בחרנו להחליף את אמבט המים בקונוס מלא מים המחובר לתמר כדי לאפשר גמישות להזיז בחופשיות את הפלטפורמה שעליה רכוב המכרסם^8,24. העיצוב מבוסס על פלטפורמה נתיקת המצוידת בשילוב של (I) סמנים סטריאוטקטיים לבעלי חיים קטנים (II) עם מערכת חימום בעלי חיים מווסתת רנטגן ותמונות אופטיות (III) הניתנת להסרה מהירה, ומערכת חימום בעלי חיים משולבת (IV). לאחר האינדוקציה הראשונית של הרדמה, החיה מותקנת במיקום מדויק על הרציף שבו היא נשארת במהלך ההליך כולו. כתוצאה מכך, האסדה כולה עוברת את כל התחנות של זרימת העבודה של ההתערבות כולה, תוך שמירה על מיקום מדויק וניתן לשחזור והרדמה מתמשכת. תוכנת הבקרה מאפשרת זיהוי אוטומטי של סמני fiducial ורושמת באופן אוטומטי את כל סוגי התמונות ודרכי התמונה (כלומר, מיקרו-CT, רנטגן, BLI והדמיה פלואורסצנטית) למסגרת הייחוס של הפלטפורמה הסטראוטקטית. בעזרת הליך כיול אוטומטי, אורך המוקד של מתמר אולטרסאונד ידוע בדיוק בפנים, המאפשר היתוך אוטומטי של תכנון התערבותי, משלוח אקוסטי וניתוח הדמיה מעקב. כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 2, הגדרה זו מספקת רמה גבוהה של גמישות בתכנון זרימות עבודה ניסיוניות ייעודיות ומאפשרת טיפול משולב בבעלי החיים בתחנות שונות, מה שמאפשר ניסויים בתפוקה גבוהה. השתמשנו בטכניקה זו להעברת סמים מוצלחת בקסנוגרפטים של עכברים של גליומה ברמה גבוהה כגון גליומה דו-קוית מפוזרת.