A عالية الإنتاجية صورة موجهة الخلايا العصبية المجسمة ونظام الموجات فوق الصوتية مركزة لفتح حاجز الدم في الدماغ القوارض
يوليو 16, 2020
يمكن تعطيل حاجز الدم في الدماغ (BBB) مؤقتا باستخدام الموجات فوق الصوتية المركزة بوساطة الميكروببل (FUS). هنا، نقوم بوصف بروتوكول خطوة بخطوة لفتح BBB عالي الإنتاجية في الجسم الحي باستخدام نظام FUS نمطي يمكن للخبراء غير الموجات فوق الصوتية الوصول إليه.
الأورام الدبقية عالية الدرجة مثل الورم الدبقي الجسري الجوهري المنتشر هي أورام شديدة التوغل مع معدل وفيات مرتفع. على الرغم من سنوات من البحث المكثف ، فإن الحاجز الدموي الدماغي هو جانب مهم لأن العلاج الكيميائي غير قادر على الوصول إلى الدماغ بشكل فعال. لحسن الحظ ، فإن الموجات فوق الصوتية المركزة قادرة على فتح الحاجز الدموي الدماغي مؤقتا وموضعيا لعلاجات فعالة.
قمنا بتطوير نظام الموجات فوق الصوتية المركزة العصبي الصغير والفعال من حيث التكلفة لاضطراب الحاجز الدموي الدماغي. تم تصميم هذا النظام بمكونات متوفرة تجاريا وبدرجة عالية من الأتمتة ، فإنه يسمح بدراسات تقييم الأدوية قبل السريرية. يعرف الطب الدقيق بأنه الدواء المناسب بالجرعة المناسبة للمريض المناسب في الوقت المناسب.
لتحقيق ذلك ، يجب فحص العديد من الأدوية المختارة مسبقا. يسمح لنا نظام الموجات فوق الصوتية المركزة المدمج عالي الإنتاجية لاضطراب الحاجز الدموي الدماغي بالقيام بذلك. سيظهر الإجراء ريان هومان وإلفين تي هارت ، وهما طالبان دكتوراه من مجموعتي البحثية.
يتضمن سير العمل للموجات فوق الصوتية المركزة للملاحة العصبية التجسيمية الموجهة بالصور التصوير التداخلي والاقتران الصوتي للصوت في منصة الموجات فوق الصوتية. بعد ذلك ، يمكن إجراء تصوير المتابعة. حدد محول طاقة مناسبا بناء على متطلبات التجربة المصممة.
ضعه في مخروط مطبوع ثلاثي الأبعاد مملوء بالماء منزوع الغاز وأغلقه في الأسفل بغشاء مايلر شفاف صوتيا. قم بتوصيل محول الطاقة بمولد وظائف ومضخم طاقة. قم بتركيب محول الطاقة على مرحلة خطية آلية لتحديد المواقع الرأسية التلقائية وتوصيله بمضخم الطاقة.
استخدم منصة تجسيمية قابلة للفصل تتضمن تسخينا منظما لدرجة الحرارة ، وقضبان عضة وأذن ، وتخدير ، وعلامات إيمانية متعددة الوسائط. نعلق المنصة على المرحلة الخطية 2D. قبل استخدام نظام FUS ، قم بمعايره وتحديد نقطة التركيز البؤري لمحول الطاقة.
تتوافق نقطة التركيز مع الوضع الرأسي للحيوان على المنصة التجسيمية. تأقلم مع المنشأة لمدة أسبوع على الأقل بعد وصوله ووزنه بانتظام. في يوم التجربة، يتم تطبيق البوبرينورفين عن طريق الحقن تحت الجلد قبل 30 دقيقة من علاج FUS.
بعد تخدير الماوس ، ضع مرهم العين لمنع جفاف العين. إذا لزم الأمر ، قم بإزالة الشعر الموجود أعلى رأس باستخدام ماكينة حلاقة وكريم مزيل للشعر. اغسل الجلد بالماء لإزالة أي بقايا.
للتجارب على نماذج أورام BLI، قم بحقن 150 ميكرولترا من D-luciferin داخل الصفاق باستخدام حقنة أنسولين قياس 29. لإدارة الفقاعات الدقيقة لفتح BBB ، أدخل قسطرة وريد الذيل قياس 26 إلى 30 وقم بغسل الوريد بحجم صغير من محلول الهيبارين. قم بتأمين القسطرة بشريط منديل لمنع الانفصال.
إذا نجحت القسطرة ، املأ القسطرة بمحلول الهيبارين لتجنب تخثر الدم. ضع على المنصة التجسيمية التي تنظم درجة الحرارة لتجنب انخفاض حرارة الجسم. قم بإصلاح رأس باستخدام قضيب لدغة وقضبان أذن وقم بلصق الذيل والقسطرة على المنصة.
إصلاح جسم الماوس مع حزام. ضع المنصة التجسيمية مع الماوس المركب في طريقة التصوير والتقط صورا للحيوان. حدد ما إذا كان قد تم وضعه بشكل صحيح على المنصة.
حدد موضع باستخدام العلامات الائتمانية متعددة الوسائط جنبا إلى جنب مع خط أنابيب معالجة الصور وفقا لنقطة تركيز محول الطاقة. حدد المنطقة المستهدفة عن طريق وضع مخطط للدماغ فوق صورة الأشعة السينية المكتسبة أو باستخدام صور BLI لتحديد مركز الورم. قبل وضع محول الطاقة ، قم بحماية فتحتي أنف وفم بشريط لاصق لمنع هلام الموجات فوق الصوتية من التدخل في التنفس.
ضع جل الموجات فوق الصوتية فوق رأس الماوس لتوصيل الصوت بشكل صحيح. سجل تجويف الفقاعات الدقيقة باستخدام هيدروفون الإبرة ، والذي يتم وضعه في المنطقة المجاورة مباشرة للعظم القذالي. بناء على قيم المعايرة ، قم بتوجيه محول الطاقة إلى الموضع الصحيح فوق.
قم بتطبيق الإعدادات التي تم تكوينها مسبقا على جميع الأجهزة المتصلة لاستهداف منطقة الدماغ التي تهمك. بعد وضع محول الطاقة في الموضع الصحيح ، قم بإذابة وتنشيط الفقاعات الدقيقة كما هو موضح من قبل الشركة المصنعة. قبل حقن الفقاعات الدقيقة ، اغسل قسطرة وريد الذيل بالمحلول الملحي لتأكيد وصول وريد الذيل.
ابدأ مسار الرنين وحقن الفقاعات الدقيقة في نفس الوقت. في الوقت نفسه ، سيكتشف الهيدروفون الإبرة وتتحقق من تجويف الفقاعات الدقيقة في الوقت الفعلي. إذا رغبت في ذلك ، قم بإعطاء عامل تباين داخل الأوعية الدموية أو دواء بعد التنقيب.
راقب حتى نقطة زمنية محددة مسبقا. قدم الضغط الصوتي بمؤشر ميكانيكي 0.4 بالاشتراك مع الفقاعات الدقيقة وسيلة حساسة وموثوقة للغاية للكشف عن التجويف المستقر مقارنة بعدم الكشف عن التوافقيات الفرعية عند عدم حقن الفقاعات الدقيقة أو ملاحظة التجويف بالقصور الذاتي عند تطبيق MI 0.6. في حين أن الضغط الصوتي مع MI يصل إلى 0.6 لم ينتج عنه أي ضرر عياني ، فقد تم إثبات الضرر المجهري من الناحية النسيجية عند MI 0.6.
أدى سعة الضغط مع MI 0.8 إلى نزيف دماغي عياني للأوعية الكبيرة وتحليق الأنسجة على نطاق واسع مع تسرب كريات الدم الحمراء. تم حقن إيفانز الأزرق عن طريق الوريد للتحقق من صحة فتح BBB في منطقة الجسر. لوحظ تسرب الألبومين المترافق الأزرق إيفانز على مستوى الجسر والمخيخ في الفأر المعالج ب FUS والفقاعات الدقيقة مما يدل على استهداف دقيق لمنطقة الاهتمام.
تتمثل أهم خطوات هذا البروتوكول في الوضع الصحيح لقسطرة وريد الذيل ، وتحديد موضع واستهدافه ، وحقن الفقاعات الدقيقة بالموجات فوق الصوتية المركزة مع اكتشاف التجويف. يمكن تكييف نظام الموجات فوق الصوتية المركز هذا وإعادة تصميمه لأسئلة بحثية متعددة ، مع كونه فعالا من حيث التكلفة وله سير عمل آلي ، مما يجعله مناسبا للباحثين عديمي الخبرة نسبيا.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
المراجعة
تقدم هذه الدراسة بروتوكولاً عالي الإنتاجية للتعطيل المؤقت للحاجز الدموي الدماغي (BBB) باستخدام نظام صوتك دقيق التركيز (FUS) وحدوي. من خلال الاستفادة من الصوتيات الناجمة عن الميكروبات، تسهل هذه التقنية التسليم الفعّال للعلاجات لحالات مثل الأورام الدبقية التي تعيقها الحاجز الدموي الدماغي. تم تصميم المنهجية لتكون متاحة، مما يسمح لغير الخبراء بتنفيذ فتح الحاجز الدموي الدماغي في الجسم الحي.
مكونات الدراسة الرئيسية
مجال العلم
- علم الأعصاب
- الهندسة الطبية الحيوية
- التسليم العلاجي
الخلفية
- تعتبر الأورام الدبقية عالية الدرجة أورامًا غازية للغاية مع خيارات علاجية محدودة بسبب الحاجز الدموي الدماغي.
- انتشر استخدام الموجات فوق الصوتية المركزة كوسيلة واعدة لتعطيل الحاجز الدموي الدماغي.
- هناك حاجة لأجهزة فعالة من حيث التكلفة ويمكن تشغيلها بسهولة من قبل غير الخبراء.
- يهدف البروتوكول الموضح هنا إلى تقوية دراسات تقييم الأدوية ما قبل السريرية.
هدف الدراسة
- تطوير نظام FUS عالي الإنتاجية لتعطيل الحاجز الدموي الدماغي.
- تسهيل فحص الأدوية المختارة مسبقًا لتطبيقات الطب الدقيق.
- تبيان الإجراء بشكل فعّال باستخدام نظام آلي.
الطرق المستخدمة
- تم استخدام نظام صوتك دقيق التركيز وحدوي لتجارب في الجسم الحي.
- تم استخدام نماذج الفئران لدراسة تعطيل الحاجز الدموي الدماغي وتسليم الوكلاء العلاجية.
- يتضمن الإجراء التصوير التداخلي والاتصال الصوتي للصوتيات.
- تشمل الخطوات الحرجة تكييف الحيوان، وإدارة التخدير، والقسطرة، والموضع الدقيق لمحول الموجات فوق الصوتية.
النتائج الرئيسية
- أظهر الإجراء بشكل موثوق القدرة على تعزيز تسليم الدواء عبر الحاجز الدموي الدماغي.
- كان اكتشاف تجويف الميكروبات ضروريًا لمراقبة فعالية العلاج.
- أكدت النتائج الكمية الموقع الدقيق لتعطيل الحاجز الدموي الدماغي.
- تم قياس التأثيرات الجهازية بعد تطبيق الموجات فوق الصوتية، مما يدل على السلامة والفعالية.
الاستنتاجات
- تحدد هذه الدراسة طريقة عملية وفعالة لتعطيل الحاجز الدموي الدماغي، مما يسمح بتدخلات علاجية محسنة.
- يوفر نظام FUS القابل للتخصيص أساسًا لمزيد من البحث في تسليم الدواء وعلاج أمراض الجهاز العصبي المركزي.
- قد تقدم الرؤى المكتسبة فهمًا أفضل للطب الدقيق والاستهداف العلاجي في الحالات العصبية.
الأسئلة المتداولة
Executive Industry Relevance
This high-throughput focused ultrasound system enables precise, reproducible blood-brain barrier opening in rodent models, directly supporting preclinical drug evaluation for CNS therapeutics. By integrating image-guided stereotactic navigation with automated cavitation monitoring, the system reduces variability and enhances data reliability in high-volume screening campaigns. Its cost-effective, modular design facilitates scalable implementation across discovery workflows targeting glioma and other brain diseases.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables mechanistic interrogation of blood-brain barrier permeability for target validation in glioma models.
- Operational Value: Supports standardized, automated workflows that reduce intra-group variability and improve reproducibility in target engagement studies.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Provides quantitative, real-time cavitation detection as a biomarker for successful blood-brain barrier opening.
- Operational Value: Enables high-throughput screening of preselected drug compounds through automated transducer positioning and microbubble delivery.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Validated in patient-derived xenograft models of glioblastoma and diffuse midline glioma, ensuring disease-relevant preclinical modeling.
- Operational Value: Facilitates risk-adjusted advancement decisions by confirming precise, localized drug delivery across the blood-brain barrier.
Pipeline & Workflow Integration
The system integrates into the discovery continuum from target validation through lead identification, enabling image-guided, reproducible blood-brain barrier disruption for therapeutic screening.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing of blood-brain barrier modulation in glioma models through precise, stereotactic targeting.
- Screening: Delivers assay readiness via automated workflows, standardized microbubble injection, and real-time cavitation monitoring for compound evaluation.
- Analytics: Generates quantitative outputs including cavitation signals, Evans blue extravasation, and histological confirmation of barrier opening.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity through validation in patient-derived glioma models, supporting biomarker-aligned therapeutic assessment.
- Enterprise Reuse: Built from commercially available components with a modular design, enabling adaptation across multiple research questions and repeated use in discovery pipelines.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence in blood-brain barrier penetration data, reducing mechanistic ambiguity in CNS drug delivery.
- Operational Value: Delivers standardization, reproducibility, and scalability through automation and image-guided targeting.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by providing reliable, quantitative blood-brain barrier opening data, reducing late-stage biological risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization of CNS drug candidates based on confirmed, localized barrier disruption and drug delivery.
Implementation Considerations
- Requires expertise in stereotactic surgery, ultrasound physics, and microbubble handling.
- Needs instrumentation including function generator, power amplifier, motorized linear stage, needle hydrophone, and imaging modalities (X-ray, bioluminescence).
- Demands cross-team standardization of animal preparation, catheterization, and transducer calibration procedures.
- Involves adaptation considerations for different transducer frequencies, targeting coordinates, and model systems (e.g., rat vs. mouse).
- Practical limitations include the need for surgical skill in tail vein catheterization and potential variability in skull thickness affecting ultrasound transmission.
