高通量图像引导立体定向神经导航和聚焦超声系统，用于在啮齿动物中打开血脑屏障
2020年7月16日
血脑屏障 （BBB） 可以通过微泡介导的聚焦超声波 （FUS） 暂时中断。在这里，我们描述了一个逐步协议的高通量BBB打开体内使用模块化FUS系统，为非超声专家访问。
高级别胶质瘤，例如弥漫性脑桥脑胶质瘤，是高死亡率的高浸润性肿瘤。尽管经过多年的广泛研究，但血脑屏障是一个重要方面，因为化疗无法有效地到达大脑。幸运的是，聚焦超声能够暂时和局部打开血脑屏障以进行有效治疗。
我们开发了一种小型且经济高效的神经导航聚焦超声系统，用于破坏血脑屏障。该系统由市售组件构建，自动化程度高，可用于临床前药物评估研究。精准医疗被定义为在正确的时间为正确的患者提供正确的剂量的正确药物。
为了实现这一目标，需要筛选许多预选药物。我们用于破坏血脑屏障的紧凑型高通量聚焦超声系统使我们能够做到这一点。演示该程序的是我研究小组的两名博士生 Rianne Haumann 和 Elvin t Hart。
图像引导立体定向神经导航聚焦超声的工作流程包括超声平台上超声的介入成像和声耦合。之后，可以进行随访成像。根据设计实验的要求选择合适的传感器。
将其放入装满脱气水的 3D 打印圆锥体中，并在底部用透声聚酯薄膜封闭。将传感器连接到函数发生器和功率放大器。将传感器安装在电动线性平台上，用于自动垂直定位，并将其连接到功率放大器。
使用可拆卸的立体定向平台，包括温控加热、咬合和耳杆、麻醉和多模态基准标记。将平台连接到 2D 线性平台。在使用 FUS 系统之前，请对其进行校准并确定传感器的焦点。
焦点对应于动物在立体定向平台上的垂直位置。到达后，将动物适应设施至少一周，并定期称重。在实验当天，在 FUS 治疗前 30 分钟通过皮下注射施用丁丙诺啡。
麻醉小鼠后，涂抹眼药膏以防止眼睛干涩。如有必要，用剃须刀和脱毛霜去除动物头顶的毛发。用水清洗皮肤以去除任何残留物。
对于 BLI 肿瘤模型的实验，用 150 号胰岛素注射器腹膜内注射 29 微升 D-荧光素。对于用于 BBB 开放的微泡给药，插入 26 至 30 号尾静脉导管并用少量肝素溶液冲洗静脉。用纸巾固定导管以防止脱落。
如果导管插入术成功，用肝素溶液填充导管以避免血液凝固。将动物放在温度调节的立体定向平台上，以避免体温过低。使用咬杆和耳杆固定动物的头部，并将尾巴和导管用胶带固定在平台上。
用带子固定鼠标的主体。将带有安装鼠标的立体定向平台置于成像模式中，并拍摄动物的图像。确定动物是否正确放置在平台上。
根据换能器的焦点，使用多模态基准标记和图像处理管道标记动物的位置。通过在采集的 X 射线图像上放置大脑轮廓或使用 BLI 图像确定肿瘤中心来确定目标区域。在放置换能器之前，用胶带保护动物的鼻孔和嘴巴，以防止超声凝胶干扰呼吸。
将超声波凝胶涂抹在鼠标的头顶上，以实现适当的声音传导。用针式水听器记录微气泡空化，该水听器放置在枕骨的直接附近。根据校准值，将传感器引导至动物上方的正确位置。
将预配置的设置应用于所有连接的设备，以瞄准感兴趣的大脑区域。将换能器放置在正确的位置后，按照制造商的说明溶解并激活微气泡。在微泡注射之前，用生理盐水冲洗尾静脉导管以确认尾静脉通路。
启动超声处理轨迹并同时注入微泡。同时，针式水听器将实时检测和验证微气泡气蚀。如果需要，超声后给予血管内造影剂或药物。
监测动物直到预定的时间点。与没有注入微气泡时不检测次谐波或在 MI 为 0.6 时观察惯性空化相比，机械指数为 0.4 的声压与微气泡相结合提供了一种非常灵敏和可靠的稳定空化检测方法。虽然 MI 高达 0.6 的声压不会导致宏观损伤，但 MI 为 0.6 时组织学上证明了微观损伤。
MI 为 0.8 的压力振幅导致较大血管的肉眼可见脑出血和广泛的组织溶解伴红细胞外渗。静脉注射 Evans blue 以验证脑桥区 BBB 的开放。在用 FUS 和微泡处理的小鼠的脑桥和小脑水平观察到 Evans 蓝共轭白蛋白的外渗，表明精确靶向感兴趣区域。
该协议最重要的步骤是正确放置尾静脉导管、动物的定位和定位以及使用带空化检测的聚焦超声进行微泡注射。这种自制的聚焦超声系统可以针对多个研究问题进行调整和重新设计，同时具有成本效益并具有自动化工作流程，这使其适合相对缺乏经验的研究人员。
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概述
本研究提出了一种高通量协议，用于通过模块化聚焦超声（FUS）系统暂时破坏血脑屏障（BBB）。通过利用微泡介导的声孔化，该技术促进了对受到BBB阻碍的胶质瘤等疾病的有效治疗方法的递送。该方法旨在易于使用，允许非专家在体内实现BBB开放。
关键研究组成部分
科学领域
- 神经科学
- 生物医学工程
- 治疗递送
背景
- 高级别胶质瘤是高度侵袭性肿瘤，由于BBB的存在，治疗选择有限。
- 聚焦超声已成为破坏BBB的一种有前景的方法。
- 存在对于可以被非专家轻松操作的成本效益设备的需求。
- 这里概述的协议旨在加强临床前药物评估研究。
研究目的
- 开发用于BBB破坏的高通量FUS系统。
- 促进对精准医疗应用的预选药物筛选。
- 使用自动化系统有效地展示该程序。
使用的方法
- 在体实验使用了模块化聚焦超声系统。
- 使用小鼠模型研究BBB破坏和治疗剂的递送。
- 该过程包括介入成像和声孔化的声学耦合。
- 关键步骤包括动物适应、麻醉给药、导管化和超声探头的精确定位。
主要结果
- 该程序可靠地证明了提高BBB药物递送能力的能力。
- 微泡空化检测对于监测治疗有效性至关重要。
- 定量结果确认了BBB破坏的精确定位。
- 测量了超声应用后的系统性影响，证明了安全性和有效性。
结论
- 本研究建立了一种实用且有效的BBB破坏方法，允许增强治疗干预。
- 可定制的FUS系统为药物递送和中枢神经系统疾病治疗的进一步研究提供了基础。
- 获得的见解可能推进对神经系统疾病中精准医疗和治疗靶向的理解。
常见问题
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.
