Высокой пропускной способностью изображения руководствуясь стереотаксической нейронавигации и целенаправленной ультразвуковой системы для гемовеленно-мозгового барьера Открытие у грызунов

Гемовоэнцефалический барьер (BBB) является основным препятствием для доставки препарата в паренхиму мозга. Большинство терапевтических препаратов, которые были разработаны не пересекают BBB из-за их физико-химических параметров (например, липофилифия, молекулярный вес, водородные облигации принимает и доноров) или не сохраняются из-за их сродства к efflux транспортеров в^{головном мозге 1,2}. Небольшая группа препаратов, которые могут пересечь BBB, как правило, небольшие липофильные молекулы, которые эффективны только в ограниченном количестве^{заболеваний мозга 1,2}. Как следствие, для большинства заболеваний головного мозга, фармакологические варианты лечения ограничены и новые стратегии доставки^{лекарств необходимы 3,4}.

Терапевтическое УЗИ является новой техникой, которая может быть использована для различных неврологических приложений, таких как нарушение BBB (BBBD), нейромодуляция, и^{абляция4,5,6,7}. Для достижения открытия BBB с экстракорпоратерным ультразвуковым излучателем через череп, сфокусированное УЗИ (FUS) сочетается с микропузырями. Микросовместимые FUS приводит к повышенной биодоступности препаратов в паренхиме^{мозга 5,8,9.} При наличии звуковых волн микропузырьки начинают колебаться, инициируя трансцитоз и нарушение плотных соединений между эндотелиальными клетками BBB, что позволяет параклеточной транспортировке больших молекул¹⁰. Предыдущие исследования подтвердили корреляцию между интенсивностью акустического излучения и биологическим воздействием на открытие BBB^11,12,13,14. FUS в сочетании с микропузырями уже используется в клинических испытаниях для лечения глиобластомы с использованием темозоломида или липосомного доксорубицина в качестве химиотерапевтического агента, или для терапии болезни Альцгеймера и бокового^{амиотрофического склероза 5,9,15,16}.

Поскольку ультразвук опосредованное открытие BBB открывает совершенно новые возможности для фармакотерапии, для оценки реакции отдельных кандидатов на лекарственные препараты необходимы доклинические исследования клинического перевода. Это обычно требует высокой пропускной способности рабочего процесса с высокой пространственной точностью и предпочтительно комплексного обнаружения кавитации для мониторинга целевого открытия BBB с высокой воспроизводимостью. Если это возможно, эти системы должны быть экономически эффективными как в первоначальных инвестиций и эксплуатационных расходов, с тем чтобы быть масштабируемым в зависимости от размера исследования. Большинство доклинических систем FUS сочетаются с МРТ для изображения руководства и^{планирования лечения 15,17,18,19}. Хотя МРТ дает подробную информацию об анатомии опухоли и объеме, это дорогой метод, который обычно выполняется обученными / квалифицированными операторами. Кроме того, МРТ высокого разрешения не всегда может быть доступна для исследователей в доклинических учреждениях и требует длительного времени сканирования на животное, что делает его менее пригодным для высокопроверяющих фармакологических исследований. Примечательно, что для доклинических исследований в области нейроонкологии, в частности, инфильтративных опухолевых моделей, возможность визуализировать и нацелить опухоль имеет важное значение для^{успеха лечения 20}. В настоящее время это требование выполняется только МРТ или опухолями, трансфокированными с помощью фотопротеина, что позволяет визуализировать биолюминесценцию изображения (BLI) в сочетании с администрированием подстрата фотопротеина.

СИСТЕМы МРТ-управляемые FUS часто используют водяную баню для обеспечения распространения ультразвуковой волны для транскраниальных применений, при которой голова животного частично погружается в воду, так называемые системы^{«снизу вверх» 15,17,18.} Хотя эти проекты работают в целом хорошо в небольших исследований на животных, они являются компромиссом между временем подготовки животных, портативность и реально поддерживать гигиенические стандарты во время использования. В качестве альтернативы МРТ, другие методы руководства для стереотаксической навигации включают в себя использование^{грызунов анатомического атласа 21,22,23}, лазерная указка помощь^{визуального прицельной 24}, пинхол-помощь механического сканирующего устройства²⁵, или BLI²⁶. Большинство из этих конструкций являются “сверху вниз” системы, в которых предуц находится на верхней части головы животного, с животным в естественном положении. Рабочий процесс ‘top-down’ состоит либо из водяной^{ванны 22,25,26 или}заполненного водой^{конуса 21,24.} Преимущество использования преобразоваваека внутри закрытого конуса является более компактный след, короче время установки и прямо вперед возможности обеззараживания упрощает весь рабочий процесс.

Взаимодействие акустического поля с микропузырями зависит от давления и колеблется от низкоамплитудных колебаний (называемых стабильной кавитацией) до переходного коллапса пузыря (именуемого инерциальной кавитацией)^27,28. Существует установленный консенсус, что ультразвук-BBBD требует акустического давления значительно выше стабильного порога кавитации для достижения успешного BBBD, но ниже порога инерциальной кавитации, который обычно ассоциируется с сосудистыми / нейрональными^{повреждениями 29}. Наиболее распространенной формой мониторинга и контроля является анализ (обратного) рассеянного акустического сигнала с использованием пассивного обнаружения кавитации (PCD), как это предлагается McDannold et al.¹². PCD опирается на анализ спектров Fourier микропузырьковых сигналов выбросов, в котором сила и внешний вид стабильных признаков кавитации (гармоники, субгармоника и ультрагармоника) и инерционные маркеры кавитации (широкополосная реакция) могут быть измерены в режиме реального времени.

“Один размер подходит всем” PCD-анализ для точного контроля давления осложняется из-за полидисперсности формулировки microbubble (амплитуля колебаний сильно зависит от диаметра пузыря), различия в свойствах оболочки пузыря между брендами, и акустические колебания, которые сильно зависят от^{частоты и давления 30,31,32}. Как следствие, было предложено много различных протоколов обнаружения PCD, которые были адаптированы к конкретным комбинациям всех этих параметров и были использованы в различных сценариях применения (от экспериментов in vitro над протоколами малых животных до PCD для клинического использования) для надежного обнаружения кавитации и даже для обратной^{связи давления 11,14,30,31,32,33,34,35}. Протокол PCD, используемый в рамках данного исследования, получен непосредственно из McDannold et al.^{12 и} отслеживает гармоническое излучение на наличие стабильной кавитации и широкополосного шума для обнаружения инерциальной кавитации.

Мы разработали систему нейронавигации FUS с изображением для временного открытия BBB для увеличения доставки препарата в паренхиму мозга. Система основана на коммерчески доступных компонентах и может быть легко адаптирована к нескольким различным методам визуализации, в зависимости от имеющихся методов визуализации в животном объекте. Поскольку нам требуется рабочий процесс с высокой пропускной способностью, мы решили использовать рентгеновские снимки и BLI для планирования изображений и лечения. Опухолевые клетки, трансдуцированные с помощью фотопротеина (например, люцифераза), подходят для^{bli-изображения 20.} После введения подстрата фотопротеина, опухолевые клетки могут контролироваться in vivo и рост опухоли и расположение^{может быть определено 20,36}. BLI является недорогим методом визуализации, он позволяет следить за ростом опухоли с течением времени, он имеет быстрое время сканирования и хорошо коррелирует с ростом опухоли измеряется МРТ^36,37. Мы решили заменить водяную баню заполненным водой конусом, прикрепленным к преобразоваю, чтобы гибкость позволила свободно перемещать платформу, на которой^{смонтирован грызун 8,24}. Конструкция основана на съемной платформе, оснащенной интеграцией (I) маловодной стереотаксической платформы (II) фидуциальных маркеров с рентгеновской и оптическо-образной совместимостью (III) быстросемещанной анестезии и (IV) интегрированной системой нагрева животных. После первоначальной индукции анестезии животное устанавливается в точном положении на платформе, где оно остается в течение всей процедуры. Следовательно, вся платформа проходит все станции рабочего процесса всего вмешательства, сохраняя при этом точное и воспроизводимое позиционирование и устойчивую анестезию. Программное обеспечение управления позволяет автоматически обнаруживать фидуциальные маркеры и автоматически регистрирует все типы изображений и модальностей изображения (т.е. микро-КТ, рентгеновские, BLI и флуоресценции изображения) в рамках справочной стереотаксической платформы. С помощью автоматической процедуры калибровки, фокусное расстояние ультразвукового превью точно известно внутри, что позволяет автоматическим слиянием интервенционного планирования, акустической доставки и последующего анализа изображений. Как показано на рисунке 1 и рисунке 2,эта установка обеспечивает высокую степень гибкости для разработки специальных экспериментальных рабочих процессов и позволяет переплетенной обработки животных на различных станциях, что в свою очередь облегчает высокую пропускную способность экспериментов. Мы использовали этот метод для успешной доставки лекарств в ксенотрансплантатах мыши высококачественной глиомы, таких как диффузная глиома средней линии.