Monitoring Blood-Brain Barrier Opening in Rats with a Preclinical Focused Ultrasound System

Kisoo Kim; Marco Gallus; Tianrun Xiao; Akshay S. Parchure; Bhavya R. Shah; Hideho Okada; Chris Diederich; Eugene Ozhinsky; Kazim Narsinh

doi:10.3791/66793

مراقبة فتح الحاجز الدموي الدماغي في الفئران باستخدام نظام الموجات فوق الصوتية المركز قبل السريري

JoVE Journal
Neuroscience
Author Produced

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Journal Neuroscience

Monitoring Blood-Brain Barrier Opening in Rats with a Preclinical Focused Ultrasound System

مراقبة فتح الحاجز الدموي الدماغي في الفئران باستخدام نظام الموجات فوق الصوتية المركز قبل السريري

Full Text

1,052 Views

03:32 min

September 13, 2024

DOI: 10.3791/66793-v

Kisoo Kim^1,2, Marco Gallus³, Tianrun Xiao¹, Akshay S. Parchure⁴, Bhavya R. Shah⁴, Hideho Okada³, Chris Diederich⁵, Eugene Ozhinsky*¹, Kazim Narsinh*¹

¹Department of Radiology & Biomedical Imaging,University of California, San Francisco, ²Department of Biomedical Engineering,Kyung Hee University, ³Department of Neurological Surgery,University of California, San Francisco, ⁴University of Texas Southwestern Medical Center, ⁵Department of Radiation Oncology,University of California, San Francisco

Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.

Overview

This study describes a protocol that combines magnetic resonance imaging (MRI) with low-intensity pulsed focused ultrasound (FUS) to investigate blood-brain barrier (BBB) opening in living rats. Utilizing jugular vein catheterization, the approach allows for rapid medication delivery and precise monitoring of BBB dynamics.

Key Study Components

Area of Science

Neuroscience
Imaging Techniques
Blood-Brain Barrier Research

Background

Understanding BBB permeability is crucial for treating neurological disorders.
Focused ultrasound (FUS) has been shown to alter BBB integrity in a controlled manner.
Dynamic contrast-enhanced MRI (DCE-MRI) allows real-time monitoring of BBB opening.

Purpose of Study

To develop a reliable protocol for studying BBB opening in a preclinical setting.
To enhance reproducibility and precision in BBB research.
To evaluate the real-time effects of sonication parameters during procedures.

Methods Used

Combined MRI and low-intensity pulsed focused ultrasound protocols.
Rat model with jugular vein catheterization for medication administration and monitoring.
Sonication of the left hippocampus while continuous monitoring acoustic emissions.
Use of gadolinium-based MRI contrast agents for imaging post-procedure.

Main Results

Significant increases in MRI signal intensity at target regions following gadolinium administration.
Dynamic contrast-enhanced MRI showed peak signal changes occurring 7-8 minutes post-agent injection.
Visualization of BBB opening was successfully obtained with T1 and T2 weighted images.

Conclusions

This study demonstrates a practical approach for exploring BBB dynamics using combined MRI and FUS techniques.
The protocol facilitates safer and more effective treatments for various neurological conditions.
Implications extend to understanding BBB mechanisms in drug delivery and neurological disease models.

Frequently Asked Questions

What are the advantages of using this rat model?

The rat model enables rapid medication administration and stable monitoring during focused ultrasound procedures, allowing precise control of experimental conditions.

How is the jugular vein catheterization implemented?

Jugular vein catheterization allows for quick and reliable delivery of contrast agents and microbubbles necessary for the FUS and MRI procedures.

What types of imaging outcomes are obtained?

Dynamic contrast-enhanced MRI provides real-time data on BBB changes, while T1 and T2 weightings capture critical alterations following FUS interventions.

Can the method be adapted for other delivery routes?

While this study focuses on jugular vein catheterization, adaptations could potentially explore other routes for medication administration, depending on research needs.

What are key limitations of this protocol?

The study highlights the need for careful control of sonication parameters and monitoring to prevent potential brain damage during BBB opening procedures.

How does this study contribute to drug delivery research?

By elucidating the mechanisms of BBB opening, this protocol may enhance the efficacy of drug delivery systems targeting the central nervous system.

تصف هذه الدراسة التصوير بالرنين المغناطيسي المشترك (MRI) والموجات فوق الصوتية المركزة النبضية منخفضة الكثافة (FUS) ، باستخدام الفئران الحية ذات القسطرة الوريدية الوداجية لمراقبة فتح الحاجز الدموي الدماغي (BBB).

استخدمنا نموذج الفئران مع قسطرة الوريد الوداجي ، والتي تتيح الإدارة السريعة للأدوية ومراقبة التجويف المستقرة أثناء إجراء الموجات فوق الصوتية المركزة. يسمح هذا النموذج بالتحكم الدقيق في ضخ الفقاعات الدقيقة وتوصيل عامل التباين. يمكن أن يساعد في تحسين دراسات فتح BBB وتعزيز قابلية التكاثر في الأبحاث قبل السريرية.

التأكد من أن التكاثر والدقة في فتح BBB في نماذج الصغيرة ، ومعلمات الصوتنة وأنواع الفقاعات الدقيقة ، وتجنب تلف الدماغ المحتمل ، ومراقبة الانبعاثات الصوتية لضمان علاجات آمنة وناجحة. للبدء ، قم بإزالة شعر الفأر المخدر. بعد التأكد من التخدير المناسب ، ضع مؤشرا حادا في موضع Bregma على جمجمة الفئران واحفظ الموضع في النظام.

بعد ذلك ، ضع جل الموجات فوق الصوتية على جمجمة الفئران وضع كيس اقتران الماء مع محول بتردد ميغاهرتز واحد أعلى الجل. على كمبيوتر التحكم ، انقر فوق تحميل لتحميل صور الفئران المسجلة مسبقا. ثم حدد عدد النقاط البؤرية والضغط الصوتي للإجراء.

بعد ذلك ، انقر فوق اختبار الحركة داخل وحدة المعالجة للتأكد من أن محول الطاقة يمكن أن ينتقل بين البقع خلال فترة الانفجار. املأ حقنة سعة خمسة ملليلتر بمحلول كلوريد الصوديوم 0.9٪ الخالي من الإضافات. الآن ، ضع الدبوس في وسط السدادة المطاطية للقارورة.

اضغط لأسفل بقوة حتى يتم إدخال السنبلة بالكامل في السدادة. قم بتوصيل دبوس التوزيع ذو التهوية بالمحقنة ، وأدخله في السدادة ، ثم ادفع قضيب المكبس لتفريغ المحقنة التي يبلغ وزنها خمسة ملليلتر بالكامل في القارورة ، وقم بهز القارورة بقوة لمدة 20 ثانية لخلط جميع المحتويات. اقلب المحقنة واسحب ببطء الحجم المقصود للتعليق فيه.

استخدم مضخة التسريب لتوصيل الفقاعات الدقيقة إلى الفئران وإجراء صوتنة في الحصين الأيسر من الدماغ. بعد الانتهاء من الصوتنة ، ضع الجرذ في وضع الانبطاح داخل الماسح الضوئي الخالي من التبريد 3T قبل السريري على طاولة. بعد ذلك ، قم بحقن عوامل تباين التصوير بالرنين المغناطيسي القائمة على الجادولينيوم بعد تسلسل صدى التدرج بالرنين المغناطيسي المرجح T1 والحصول على صور ما بعد الجادولينيوم.

بعد إعطاء الجادولينيوم ، لوحظت زيادة كبيرة في شدة إشارة الرنين المغناطيسي في المناطق المستهدفة عبر ثلاث تجارب. كشف التصوير بالرنين المغناطيسي المعزز بالتباين الديناميكي أن التغيير الأكثر أهمية في شدة الإشارة حدث بعد سبع إلى ثماني دقائق من حقن بلعة عامل التباين. عرضت الصور الموزونة T1 و T2 منطقة من فتح الحاجز الدموي الدماغي ، بينما لم يلاحظ أي تغييرات كبيرة في خريطة T1 قبل إعطاء الجادولينيوم.

View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos

Explore More Videos

الحاجز الدموي الدماغي BBB الموجات فوق الصوتية المركزة قبل السريرية التصوير بالرنين المغناطيسي الفقاعات الدقيقة عوامل تباين الجادولينيوم نفاذية الأوعية الدموية النموذج الحيواني محول الطاقة الموجه بالتجسيم التدخلات العلاجية الاضطرابات العصبية