JoVE   
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Biology

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Neuroscience

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Immunology and Infection

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Clinical and Translational Medicine

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Bioengineering

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Applied Physics

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Chemistry

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Behavior

  
You do not have subscription access to articles in this section. Learn more about access.

  JoVE Environment

|   

JoVE Science Education

General Laboratory Techniques

You do not have subscription access to videos in this collection. Learn more about access.

Basic Methods in Cellular and Molecular Biology

You do not have subscription access to videos in this collection. Learn more about access.

Model Organisms I

You do not have subscription access to videos in this collection. Learn more about access.

Model Organisms II

You have trial access to videos in this collection until May 31, 2014.

Automatic Translation

This translation into Swedish was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages

 JoVE Clinical and Translational Medicine

MR-guidad Rubbning av blod-hjärnbarriären med hjälp Transkraniell fokuserat ultraljud i en råttmodell

1, 1,2, 1,2, 1,3

1Imaging Research, Sunnybrook Research Institute, 2Department of Medical Biophysics, University of Toronto, 3Department of Medical Biophysics, and Institute of Biomaterials & Biomedical Engineering (IBBME), University of Toronto

Article
    Downloads Comments Metrics

    You must be subscribed to JoVE to access this content.

    This article is a part of   JoVE Clinical and Translational Medicine. If you think this article would be useful for your research, please recommend JoVE to your institution's librarian.

    Recommend JoVE to Your Librarian

    Current Access Through Your IP Address

    You do not have access to any JoVE content through your current IP address.

    IP: 54.205.59.78, User IP: 54.205.59.78, User IP Hex: 919419726

    Current Access Through Your Registered Email Address

    You aren't signed into JoVE. If your institution subscribes to JoVE, please or create an account with your institutional email address to access this content.

     

    Summary

    Mikrobubbelfria medierad fokuserat ultraljud störning av blod-hjärnbarriären (BBB) ​​är en lovande metod för icke-invasiv riktad läkemedelsavgivning i hjärnan

    Date Published: 3/13/2012, Issue 61; doi: 10.3791/3555

    Cite this Article

    O'Reilly, M. A., Waspe, A. C., Chopra, R., Hynynen, K. MRI-guided Disruption of the Blood-brain Barrier using Transcranial Focused Ultrasound in a Rat Model. J. Vis. Exp. (61), e3555, doi:10.3791/3555 (2012).

    Abstract

    Fokuserat ultraljud (FUS) sönderdelning av blod-hjärnbarriären (BBB) ​​är en alltmer undersöktes teknik för att kringgå blod-hjärnbarriären 1-5. BBB är ett betydande hinder för läkemedel mot sjukdomar i hjärnan, eftersom det begränsar passage av molekyler från kärlsystemet i hjärnvävnaden till molekyler mindre än cirka 500 Da i storlek 6. FUS inducerad BBB störningar (BBBD) är tillfällig och reversibel 4 och har en fördel jämfört med kemiska medel att förmå BBBD genom att vara mycket lokal. FUS inducerad BBBD tillhandahåller ett medel för att undersöka effekterna av en lång rad av terapeutiska ämnen på hjärnan, som annars inte skulle kunna levereras till vävnaden i tillräcklig koncentration. Medan ett brett utbud av ultraljud parametrar har visat sig framgångsrika på att störa BBB 2,5,7, finns det flera viktiga steg i den experimentella förfarande för att garantera framgång störningar med korrekt inriktning. Detta protokollol konturer hur man kan uppnå MRI-guidade FUS inducerade BBBD i en råtta modell, med fokus på kritiska djuret preparatet och mikrobubblor stegen hantering av experimentet.

    Protocol

    1. Ultraljud och MRT Setup

    En MRI-kompatibel treaxlig fokuserat ultraljud system användes i denna studie (FUS Instruments, Inc., Toronto, Ontario, Kanada). Två olika ultraljudstransduktorer användes: en in-house konstruerad 551,5 kHz sfäriskt fokuserad givaren (krökningsradie = 60 mm, yttre diameter = 75 mm, inre diameter = 20 mm), och en 1,503 MHz, 8-sektorn array med integrerad PZT hydrofon (Imasonic Inc., Voray sur L'Orgnon, Frankrike) som drivs som ett enda element inriktas sfäriskt omvandlare (FN = 0.8, bländare = 10 cm). En MR-kompatibel (PVDF) mottagaren 8 användes för att spela in akustiska emissioner när 551,5 kHz givaren användes. Om annan utrustning används, är följande förslag:

    1. Välj ett lämpligt kalibrerad ultraljud givare med en mittfrekvens i intervallet 0,25 MHz -1,5 MHz och en f-nummer (krökningsradie / bländare) på 1 eller mindre.
    2. Placera en fi vattenbadlled med varm, avgasad, avjoniserat vatten på bädden av en 1,5 T eller 3 T MRI. Vattenbadet bör ha en topp-platta som kan hålla djuren. Montera ultraljud givaren i tanken på en MR-kompatibel treaxlig positionering steg eller system 9, mot vattenytan.
    3. Kör givarkabeln till ultraljud körning utrustning genom en penetration panel.
    4. Generera signalen givaren körning använder en funktion generator och effektförstärkare. Använda en extern anpassningskrets för att minimera den reflekterade elektrisk effekt.
    5. Att veta givaren brännvidd, placera givaren fokus på vattenytan och sonikera vattenytan för att generera en synlig fontän. Steg 1,6 och 1,7 beskriver hur man registrerar fokus med den genererade fontän. En mer exakt metod för att lokalisera fokus, vilket innebär sonikering en värmeabsorberande gel och avbildning av den resulterande temperaturhöjningen i fokus med MRI, kan hittas i 9 </ Sup>.
    6. Markera platsen för fokus med en markör som kommer att vara synliga på MR-bilder. Detta kan göras med användning av en platta med ett centrumhål som kan fyllas med vatten när den placeras över centrum. Det vattenfyllda hål kommer att vara synliga på MRI och kommer att tillhandahålla fokala koordinater i två plan, medan det koordinatsystem i den axiella riktningen hos omvandlaren kan bestämmas från vattenytan.
    7. Med hjälp av en 3-plan localizer sekvens, bild fokus markören och registrera placeringen av fokus i MRI koordinatsystem.
    8. För att övervaka akustiska utsläpp, montera en MR-kompatibel hydrofon 8 som används som en passiv kavitation detektor (PCD) i vattenbad riktas mot givaren fokus eller använda en givare med integrerad hydrofon.
    9. Kör PCD kablar till en räckvidd kort som är tillräckligt snabb för att fånga skurar av upp till 10 ms vid PRFs upp till 2 Hz (t.ex. ATS460, AlazarTech, Pointe-Claire, Quebec, Kanada). Kablar måste jordas till penetration panel eller RF sköld för att minimera buller.

    2. Djur Framställning

    1. Bedöva djur med isofluoran gas. Eftersom isofluoran har en effekt på BBB störningar 10, bör djuren tas bort gas 10 minuter före starten av experimentet. Placera okulär smörjmedel salva i varje öga i början av anestesi för att skydda hornhinnan från uttorkning eller annan skada.
    2. Använda en elektrisk rakapparat rakar pälsen från toppen av djurets huvud och hals, ta sedan bort återstående pälsen med hjälp av en hårborttagningskräm (t.ex. Nair, Church & Dwight Co, Princeton, NJ, USA) och skölj hårbotten med mild tvål och vatten.
    3. Förbered svansen med en betadin huden scrub följt av en bridine tvätt. Utföra en slutlig wipedown med alkohol för att visualisera i svansvenen.
    4. Sätt en 22 gauge kateter med 3-vägs avstängningskranen i svansvenen och i jämnhöjd med en heparin / saltlösning blandning (33 U / ml) för att förhindra koagelbildningi katetern.
    5. Leverera injicerbara anestetika (40-50 mg / kg ketamin, 10 mg / kg xylazin) via intramuskulär injektion och ta bort djuret från isofluoran.
    6. Placera sövd djuret liggande på ultraljud positioneringssystemet med toppen av huvudet kontakt med vattenbadet genom ett hål i övre plattan (Fig. 1). En liten mängd ultraljudsgel kanske appliceras på toppen av djurets huvud för att minimera risken för instängda luftbubblor.
    7. Tejp benen att positioneringssystemet. Huvudet kan hållas på plats med hjälp av antingen en bit bar, om sådan finns, eller tejp placeras stadigt över hakan.
    8. Täck djuret med en handduk och cirkulerande vatten filt för att hålla det varmt.

    3. Mål Val

    1. Skaffa baslinje axiell T 2-viktade och T 1-viktade MR bilder av hjärnan. Om du använder en 1,5 T MR och engagerade huvud-storlek RF-emot ytspolen, lämplig SCen parametrar kan vara:

      T 2 vägd: FSE, TE = 60 ms, TR = 2000 ms
      T 1 vägd: FSE, TE = 10 ms, TR = 500 ms

    2. Välj målet från T 2-viktade skanningar, undvika kamrarna och hjärnans mittlinjen och välja en mid-hjärna djup.
    3. Flytta omvandlaren fokus till målplatsen.

    4. Mikrobubbla Framställning

    Definity mikrobubblor (Lantheus Medical Imaging, MA, USA) används av flera grupper för mikrobubblor medierade FUS inducerade BBBD 2,5,7. Lämpliga doser för andra mikrobubblor typer kan hittas i litteraturen 11,12.

    1. Aktivera de Definity mikrobubblorna och långsamt upprätta en liten volym i en 1 ml spruta med användning av en 18-gauge nål.
    2. Avlägsna innesluten luft från sprutan genom att försiktigt förflytta kolven fram och tillbaka. Klicka inte på sprutan eftersom detta kan bryta bubblor.
    3. Späda ut Definity i normal saltlösning i ett förhållande av 10:1 saltlösning till Definty genom att långsamt injicering av den önskade volymen av Definity i en spruta av saltlösning. Om en infusion leverans används kan Definity spädas ytterligare till 50:1 eller 100:1.
    4. Försiktigt invertera sprutan för att grundligt blanda Definity och saltlösning tills en jämnt utseende uppnås. Försiktig inversion av sprutan omedelbart före injektion kan också vara nödvändigt om bubblorna har börjat flyta ut ur suspensionen.
    5. Beräkna den erforderliga dosen volym baserat på 0,02 ml / kg av Definity eller 0,2 ml / kg av lösningen (vid 10:01 utspädning).

    5. Ultraljud Delivery

    1. Ställ sonikering parametrarna med hjälp av låga spricker cykel, inte kontinuerlig drift sonications. Lämpliga sonikering parametrar vid 0,5 MHz är 0,23 MPa in situ tryck, 10 ms skurar vid 1 Hz PRF, 2 min. totala sonikeringstid. Vid 1,5 MHz lämplig plats trycket faller omkring 0,45-0,5 MPa.
    _content "kan> Lämpliga tryck vid olika frekvenser beräknas med hjälp av en mekanisk index på 0,46 13.

    1. Kontrollera att djurets huvud fortfarande är kopplad till vattnet.
    2. Injicera mikrobubblorna långsamt i svansvenen katetern och i jämnhöjd med 0,5 ml normal saltlösning. Börja sonikering samtidigt med igångsättningen av injektionen.

    6. MRI Utvärdering av behandling Utfall

    1. Efter sonikering, injicera en MRI-kontrastmedel (t.ex. 0,2 ml / kg Omniscan, GE Healthcare) via svansvenen katetern följt av en 0,5 ml saltlösning spolning.
    2. Utför T 1-viktade bilder tills kontrasten toppen har passerat. Sonikering webbplatser som framgångsrikt har störda kommer visa större förbättring än den omgivande vävnaden.
    3. Utför T 2-viktade bilder för att kontrollera ödem. Hög signal vid sonikering ställen är indikativt för ödem.

    7. RepresentativResultaten

    MRI kontrastmedel kan med framgång levereras via BBB med fokuserat ultraljud och cirkulerande mikrobubblor. Figur 2 visar typiska före och efter FUS T 1-w-bilder. Figur 2B visar en kontrastförstärkt (CE) T 1-w bild med olika fokala öppningar i fyra sonikerade platser. Sonikering platserna 1 och 2 visar en ljus tillbehör. I fig. 3 platser 1 och 2 kan också ses att motsvara T 2-w-signal med hög, vilket indikerar ödem.

    Omfattningen av T 2-w ödem kan ibland vara lätt visualiseras på sagittala snitt. Figur 4 visar CE-T 1-W och T 2-w sagittal skivor genom sonikering platserna 1 och 3. Ödem är synlig på plats 1, men inte plats 3.

    Spektralanalys av infångade akustiska utsläppsdata (fig. 5) kan visa harmoniska utsläpp och / eller sub / ultra övertonsutsläpp När stabil kavitation sker. Harmonics kan också uppstå genom vävnaden icke-linjäriteter, medan sub-och ultraharmonic utsläpp kan endast inträffa som ett resultat av bubblan aktivitet 14. Vid högre tryck bredbandiga utsläpp som indikerar tröghets kavitation kan också detekteras. Men dessa har förknippats med större mängder av röda extravasation blodkroppar och mikroskada än sonications utan tröga kavitation 11.

    Användningen av högre frekvenser sonikering resulterar i mer lokaliserade öppningar på grund av den mindre fokalpunkten storlek. Figur 6 visar att högre frekvenser kan användas för att skapa mindre regioner av öppningen. Detta gör undersökningar av effekter mitten av hjärnan med färre nära skalle effekter.

    Figur 1.
    Figur 1. Experiment.

    Figur 2.
    Figur 2. Pre (vänster) och efter (höger) behandling T 1-w bilder av en råtthjärna visar förstärkning på fyra sonikering platser.

    Figur 3.
    Figur 3. Pre (vänster) och efter (höger) behandling T 2-w bilder av en råtta hjärnan (samma djur som Fig.2) visar T 2-w ödem sonikering platserna 1 och 2.

    Figur 4.
    Figur 4. Efterbehandling sagittal T 1-w (vänster) och T 2-w (höger) bilder från samma råtthjärna figurerna som. 2 och 3. Öppningen vid position 1 (vänster) korrelerar med T2-w ödem (höger). Plats 3 visar öppningen (till vänster) men ingen T 2-w ödem. Figur 5.
    Figur 5. Frekvensspektrum från data tagna under en enda 10 ms brister vid 551,5 kHz. Den grundläggande frekvens (f 0) samt övertoner (2 f 0) och sub / ultraharmonics (0,5 f 0, 1,5 f 0) är synliga.

    Figur 6.
    Figur 6. Efterbehandling CE-T 1-w axiellt (vänster) och sagittala (höger) bilder från en råtthjärna ultraljudsbehandlades på fyra platser på 1,503 MHz. BBB öppningar vid denna frekvens verkar vara mer lokaliserad.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Discussion

    Förberedelse av djuren och mikrobubblor är de mest kritiska aspekterna av detta förfarande. Pälsen på djurets huvud får helt bort för att undvika att dämpa ultraljudet strålen. BBB kan störas i isofluoran narkos, men blir det svårare att uppnå enhetlig öppning.

    Mikrobubblorna alltid ska hanteras varsamt och små mätare, måste stora diameter nålar användas vid utformningen av, för att undvika att bryta dem. På samma sätt bör den minsta mätaren kateter som rimligen kan användas i svansvenen användas (22-gauge rekommenderas). Om en mindre kateter krävs för att uppnå korrekt placering i venen så extra försiktighet måste tas under mikrobubblor injektionen. De mikrobubblor injektioner bör alltid göras långsamt.

    Burst mode sonications bör alltid användas. Om kontinuerlig drift sonications används mikrobubblorna inte fylla i kärlen vid givaren fokus och BBBD inte kommer att uppnås. Om CE-T 1-w bilder efter behandling inte visar störningar kan behandlingen upprepas kontrollerar att vattennivån fylls på så att djuren huvudet i vattnet och att det inte finns några luftbubblor fastnat på hudytan .

    Högre frekvenser ger bättre lokalisering i små djurmodeller men kräver högre situ tryck att inducera öppning. Det är också viktigt att beakta att förluster på grund av skallen är högre vid högre tryck och skall redovisas vid uppskattningen in situ tryck. Vid 0,5 MHz överföring genom råttan skallen är ca 73% 8, men sjunker till cirka 50% 15 vid 1,5 MHz. Dämpning kan antas vara 5 Np m -1 MHz -1 i hjärnvävnad 4. Högre frekvenser är bättre lämpade för arbete i små djurmodeller men är mindre kliniskt relevant.

    tält "> Denna MRI-guidade metod ger fördelar jämfört med ultraljud-styrda tekniker genom att mycket exakt inriktning samt behandling effektvariabeln direkt efter behandlingen.

    Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

    Disclosures

    K. Hynynen och R. Chopra är medskapare av FUS Instruments, Inc. R. Chopra, A. Waspe och K. Hynynen är aktieägare i FUS Instruments, får Inc. K. Hynynen forskningsstöd från FUS Instruments, Inc.

    Acknowledgements

    Författarna vill tacka Shawna Rideout-Gros och Alexandra Garces för deras hjälp med djurvård, och Ping Wu för henne tekniskt bistånd. Stöd för detta arbete lämnades av National Institutes of Health enligt bidragsavtal nr. EB003268 och Kanada forskning Stolar Program.

    Materials

    Name Company Catalog Number Comments
    Small Animal Focused Ultrasound System FUS Instruments, Inc. RK-100
    Definity Lantheus Medical Imaging
    Omniscan GE Healthcare

    References

    1. Kinoshita, M., McDannold, N., Jolesz, F.A., & Hynynen, K. Noninvasive localized delivery of Herceptin to the mouse brain by MRI-guided focused ultrasound-induced blood-brain barrier disruption. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 11719-11723 (2006).
    2. Jordão, J.F., Ayala-Grosso, C.A., Markham, K., Huang, Y., Chopra, R., McLaurin, J., Hynynen, K., & Aubert, I. Antibodies targeted to the brain with image-guided focused ultrasound reduces amyloid-beta plaque load in the TgCRND8 mouse model of Alzheimer's disease. PLoS One. 5 (5), e10549 (2010).
    3. Liu, H.-L., Hua, M.-Y., Chen, P.-Y., Chu, P.-C., Pan, C.-H., Yang, H.-W., Huang, C.-Y., Wang, J.-J., Yen, T.-C., & Wei, K.-C. Blood-brain barrier disruption with focused ultrasound enhances delivery of chemotherapeutic drugs for glioblastoma treatment. Radiology. 255, 415-425 (2010).
    4. Hynynen, K., McDannold, N., Vykhodtseva, N., & Jolesz, F.A. Noninvasive MR imaging-guided focal opening of the blood-brain barrier in rabbits. Radiology. 220, 640-646 (2001).
    5. Choi, J.J., Wang, S., Tung, Y.-S., Morrison, B., & Konofagou, E.E. Molecules of various pharmacologically-relevant sizes can cross the ultrasound-induced blood-brain barrier opening in vivo. Ultrasound Med. Biol. 36, 58-67 (2010).
    6. Pardridge, W.M. The blood-brain barrier: bottleneck in brain drug development. NeuroRx. 2, 3-14 (2005).
    7. Bing, K.F., Howles, G.P., Qi, Y., Palmeri, M.L., & Nightingale, K.R. Blood-brain barrier (BBB) disruption using a diagnostic ultrasound scanner and Definity in mice. Ultrasound Med. Biol. 35, 1298-1308 (2009).
    8. O'Reilly, M.A. & Hynynen, K. A PVDF receiver for ultrasound monitoring of transcranial focused ultrasound therapy. IEEE Trans. Biomed. Eng. 57, 2286-2294 (2010).
    9. Chopra, R., Curiel, L., Staruch, R., Morrison, L., & Hynynen, K. An MRI-compatible system for focused ultrasound experiments in small animal models. Med. Phys. 36, 1867-1874 (2009).
    10. 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 Med. Biol., doi:10.1016/j.ultrasmedbio.2011.04.019 (2011).
    11. McDannold, N., Vykhodtseva, N., & Hynynen, K. Targeted disruption of the blood-brain barrier with focused ultrasound: association with cavitation activity. Phys. Med. Biol. 51, 793-807 (2006).
    12. Yang, F.-Y., Liu, S.-H., Ho, F.-M., & Chang, C.-H. Effect of ultrasound contrast agent dose on the duration of focused-ultrasound-induced blood-brain barrier disruption. J. Acoust. Soc. Am. 126, 3344-3349 (2009).
    13. McDannold, N., Vykhodtseva, N., & Hynynen, K. Blood-brain barrier disruption induced by focused ultrasound and circulating preformed microbubbles appears to be characterized by the mechanical index. Ultrasound Med. Biol. 34, 834-840 (2008).
    14. Neppiras, E.A. Acoustic Cavitation. Physics Reports (Review Section of Physics Letters). 61, 159-251 (1980).
    15. O'Reilly, M.A., Huang, Y., & Hynynen, K. The impact of standing wave effects on transcranial focused ultrasound disruption of the blood-brain barrier in a rat model. Phys. Med. Biol. 55, 5251-5267 (2010).

    Comments

    1 Comment

    Were there any debilitating effects, from the procedure, to the mouse?
    Reply

    Posted by: AnonymousMarch 20, 2012, 2:32 PM

    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Metrics

    Waiting
    simple hit counter