Kemirgenlerde Kan-Beyin Bariyeri Açıklığı için Yüksek Verimli Görüntü Destekli Stereotaktik Nöronavigasyon ve Odaklanmış Ultrason Sistemi

Kan-beyin bariyeri (BBB), beyin parenkimine ilaç verilmesi için önemli bir engeldir. Geliştirilen terapötik ilaçların çoğu fizikokimyasal parametreleri (örneğin, lipofilite, moleküler ağırlık, hidrojen bağı kabul edenleri ve bağışçıları) nedeniyle BBB’yi geçmez veya beyindeki efflux taşıyıcılarına olan yakınlıkları nedeniyle korunmaz^1,2. BBB’yi geçebilen küçük ilaç grubu tipik olarak sadece sınırlı sayıda beyin hastalığında etkili olan küçük lipofilik moleküllerdir^1,2. Sonuç olarak, beyin hastalıklarının çoğunluğu için farmakolojik tedavi seçenekleri sınırlıdır ve yeni ilaç dağıtım stratejileri gereklidir^3,4.

Terapötik ultrason, BBB bozulması (BBBD), nöromodülasyon ve ablasyon⁴,^5,6,7gibi farklı nörolojik uygulamalar için kullanılabilecek yeni bir tekniktir. Kafatasından ekstrakorpozal ultrason yayıcı ile BBB açıklığı elde etmek için odaklanmış ultrason (FUS) mikrobubbles ile birleştirilir. Mikrobubble aracılı FUS, beyin parenkiminde ilaçların biyoyararlanmının artmasına neden olur^5,8,9. Ses dalgalarının varlığında, mikrobubbles transsitoz başlatmayı ve BBB’nin endotel hücreleri arasındaki sıkı kavşakların bozulmasını salınmaya başlar ve daha büyük moleküllerin paraselüler olarak taşınmasını sağlar¹⁰. Önceki çalışmalar akustik emisyonun yoğunluğu ile BBB açılışı üzerindeki biyolojik etki arasındaki korelasyonu doğruladı^11,12,13,14. Fus mikrobubbles ile birlikte zaten kemoterapötik ajan olarak temozolomid veya lipozomal doksokubisin kullanarak glioblastoma tedavisi için klinik çalışmalarda kullanılmıştır, ya da Alzheimer hastalığı ve amyotrofik lateral skleroz tedavisi için^5,9^,15,16.

Ultrason aracılı BBB açılması farmakoterapi için tamamen yeni olasılıklarla sonuçlanmaktan dolayı, seçilen ilaç adaylarının tedavi yanıtını değerlendirmek için klinik çeviri için preklinik araştırmalara ihtiyaç vardır. Bu genellikle, hedeflenen BBB açıklığının yüksek tekrarlanabilirlikle izlenmesi için hem yüksek uzamsal hassasiyete hem de tercihen entegre kavitasyon algılamaya sahip yüksek verimli bir iş akışı gerektirir. Mümkünse, bu sistemlerin çalışma boyutuna göre ölçeklenebilir olması için hem ilk yatırım hem de işletme maliyetlerinde uygun maliyetli olması gerekir. Çoğu preklinik FUS sistemi, görüntü yönlendirme ve tedavi planlaması^{15, 17, 18,19}için MRI ile birleştirilir. MRI tümör anatomisi ve hacmi hakkında detaylı bilgi verse de genellikle eğitimli/yetenekli operatörler tarafından yapılan pahalı bir tekniktir. Buna ek olarak, yüksek çözünürlüklü MRI klinik öncesi tesislerde araştırmacılar için her zaman mevcut olmayabilir ve hayvan başına uzun tarama süreleri gerektirir, bu da onu yüksek verimli farmakolojik çalışmalar için daha az uygun hale getirir. Dikkat çekici olan, nöro-onkoloji alanındaki preklinik araştırmalar için, özellikle infiltratif tümör modelleri için, tümörü görselleştirme ve hedefleme imkanının tedavi başarısı için gerekli olmasıdır²⁰. Şu anda, bu gereksinim sadece MRG veya fotoprotein ile transdüklenmiş tümörler tarafından karşılanır ve fotoprotein substratının yönetimi ile birlikte biyolüminesans görüntüleme (BLI) ile görselleştirmeyi sağlar.

MRI güdümlü FUS sistemleri genellikle transkraniyal uygulamalar için ultrason dalgası yayılımını sağlamak için bir su banyosu kullanır, böylece hayvanın başı kısmen suya batırılır, ”aşağıdan yukarıya” sistemler^15,17,18. Bu tasarımlar genellikle daha küçük hayvan çalışmalarında iyi çalışsa da, kullanım sırasında hayvan hazırlama süreleri, taşınabilirlik ve gerçekçi bir şekilde korunabilir hijyenik standartlar arasında bir uzlaşmadır. MRI’a alternatif olarak, stereotaktik navigasyon için diğer rehberlik yöntemleri kemirgen anatomik^{atlası 21},^22,23, lazer işaretçi destekli görsel görme²⁴, iğne deliği destekli mekanik tarama cihazı²⁵veya BLI²⁶kullanımını kapsar. Bu tasarımların çoğu, dönüştürücünün hayvanın kafasının üstüne yer konulduğunda, hayvanın doğal bir konumda olduğu “yukarıdan aşağıya” sistemlerdir. ”Yukarıdan aşağıya” iş akışı,^{22, 25,26} su banyosu veya su dolu koni^21,24’denoluşur. Kapalı bir koninin içinde dönüştürücü kullanmanın yararı, daha kompakt ayak izi, daha kısa kurulum süresi ve tüm iş akışını basitleştiren düz ileri dekontaminasyon olanaklarıdır.

Akustik alanın mikrobubbles ile etkileşimi basınca bağlıdır ve düşük genlikli salınımlardan (kararlı kavitasyon olarak adlandırılır) geçici kabarcık çökmesine (atalet kavitasyonu olarak adlandırılır)^27,28arasında değişir. Ultrason-BBBD’nin başarılı BBBD elde etmek için kararlı kavitasyon eşiğinin çok üzerinde bir akustik basınç gerektirdiği, ancak genellikle vasküler / nöronal hasar²⁹ile ilişkili olan atalet kavitasyon eşiğinin altında olduğu konusunda yerleşik bir fikir birliği vardır. En yaygın izleme ve kontrol şekli, McDannold ve ark.¹²tarafından önerildikçe pasif kavitasyon tespiti (PCD) kullanılarak (geri) dağınık akustik sinyalin analizidir. PCD, kararlı kavitasyon ayırt edici özelliklerinin (harmonikler, subharmonikler ve ultraharmonikler) ve atalet kavitasyon belirteçlerinin (geniş bant yanıtı) gücünün ve görünümünün gerçek zamanlı olarak ölçülebildiği mikrobubble emisyon sinyallerinin Fourier spektrumunun analizine dayanır.

Hassas basınç kontrolü için “herkese uyan bir boyut” PCD analizi, mikrobubble formülasyonunun polidispersitesi (salınım genliği kabarcık çapına güçlü bir şekilde bağlıdır), markalar arasındaki kabarcık kabuğu özelliklerindeki farklılıklar ve frekans ve basınca bağlı olan akustik salınım nedeniyle karmaşıktır^30,31,32. Sonuç olarak, sağlam kavitasyon tespiti ve hatta basıncın geriye dönük geri bildirim kontrolü için tüm bu parametrelerin belirli kombinasyonlarına uyarlanmış ve çeşitli uygulama senaryolarında (küçük hayvan protokolleri üzerinde in vitro deneyden klinik kullanım için PCD’ye kadar) kullanılan birçok farklı PCD algılama protokolü önerilmiştir. Bu çalışma kapsamında kullanılan PCD protokolü doğrudan McDannold ve ark.^12’den türetilmiştir ve atalet kavitasyon tespiti için kararlı kavitasyon ve geniş bant gürültüsünün varlığı için harmonik emisyonu izler.

Beyin parenkimine ilaç dağıtımını artırmak için BBB’nin geçici açılışı için görüntü güdümlü bir nöronavigasyon FUS sistemi geliştirdik. Sistem ticari olarak mevcut bileşenlere dayanmaktadır ve hayvan tesisindeki mevcut görüntüleme tekniklerine bağlı olarak birkaç farklı görüntüleme yöntemine kolayca uyarlanabilir. Yüksek verimli bir iş akışına ihtiyaç aldığımızdan, görüntü yönlendirme ve tedavi planlaması için X-ray ve BLI kullanmayı tercih ettik. Fotoprotein (örneğin luciferaz) ile transdüklenen tümör hücreleri BLI görüntüleme için uygundur²⁰. Fotoprotein substratının verilmesinden sonra tümör hücreleri in vivo olarak izlenebilir ve tümör büyümesi ve yeri belirlenebilir^20,36. BLI düşük maliyetli bir görüntüleme yöntemidir, zamanla tümör büyümesini takip etmeyi sağlar, hızlı tarama sürelerine sahiptir ve MRI^36,37ile ölçülen tümör büyümesi ile iyi ilişkilidir. Kemirgenlerin monte edildiği platformu serbestçe hareket ettirme esnekliği sağlamak için su banyounu dönüştürücüye bağlı su dolu bir koni ile değiştirmeyi seçtik^8,24. Tasarım, (I) küçük hayvan stereotaktik platform (II) fidüsyal belirteçlerinin hem X-ışını hem de optik görüntü uyumluluğu (III) hızlı çıkarılabilir anestezi maskesi ve (IV) entegre sıcaklık düzenlemeli hayvan ısıtma sistemi ile entegrasyonu ile donatılmış çıkarılabilir bir platforma dayanmaktadır. Anestezinin ilk indüksiyonundan sonra, hayvan tüm prosedür sırasında kaldığı platformda hassas bir konuma monte edilir. Sonuç olarak, tüm platform, doğru ve tekrarlanabilir bir konumlandırma ve sürekli anestezi sağlarken, tüm müdahalenin iş akışının tüm istasyonlarından geçer. Kontrol yazılımı, fidücial belirteçlerin otomatik olarak algılanmasını sağlar ve her türlü görüntü ve görüntü modalitesini (örneğin, mikro-CT, X-ışını, BLI ve floresan görüntüleme) stereotaktik platformun referans çerçevesine otomatik olarak kaydeder. Otomatik kalibrasyon prosedürü yardımıyla, ultrason dönüştürücünün odak uzaklığı, girişimsel planlama, akustik teslimat ve takip görüntüleme analizinin otomatik füzyonunu sağlayan tam olarak bilinmektedir. Şekil 1 ve Şekil 2’degösterildiği gibi, bu kurulum özel deneysel iş akışları tasarlamak için yüksek derecede esneklik sağlar ve hayvanın farklı istasyonlarda aralanmış olarak işlenmesine izin verir ve bu da yüksek verimli deneyleri kolaylaştırır. Bu tekniği, yaygın orta çizgi glioma gibi yüksek dereceli glioma fare ksinograftlarında başarılı ilaç teslimatı için kullandık.