Die Blut-Hirn-Schranke (BBB) kann vorübergehend mit mikrobubble-vermitteltem fokussiertem Ultraschall (FUS) gestört werden. Hier beschreiben wir ein Schritt-für-Schritt-Protokoll für bBB-Hochdurchsatzöffnung envivo mit einem modularen FUS-System, das für Nicht-Ultraschall-Experten zugänglich ist.
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Methodenartikel
Ein hochdurchsatzgesteuertes, stereotaktisches Neuronavigations- und fokussiertes Ultraschallsystem für die Öffnung der Blut-Hirn-Barriere bei Nagetieren
* These authors contributed equally
In diesem Artikel
Zusammenfassung
Zusammenfassung
Die Blut-Hirn-Schranke (BBB) war eine große Hürde für die Behandlung verschiedener Hirnerkrankungen. Endothelzellen, die durch enge Knoten verbunden sind, bilden eine physiologische Barriere, die verhindert, dass große Moleküle (>500 Da) in das Gehirngewebe gelangen. Mikrobubble-vermittelter fokussierter Ultraschall (FUS) kann verwendet werden, um eine transiente lokale BBB-Öffnung zu induzieren, so dass größere Medikamente in das Blutparenchym gelangen.
Zusätzlich zu groß angelegten klinischen Geräten für die klinische Übersetzung erfordert die präklinische Forschung zur Beurteilung von Therapiereaktionen von Wirkstoffkandidaten spezielle Kleintier-Ultraschall-Setups für eine gezielte BBB-Öffnung. Vorzugsweise ermöglichen diese Systeme Hochdurchsatz-Workflows sowohl mit hoher räumlicher Präzision als auch bei integrierter Kavitationsüberwachung, während sie sowohl bei den Anfangsinvestitionen als auch bei den betriebskostenden Kosten kostengünstig sind.
Hier präsentieren wir ein biolumineszierendes und röntgengeführtes stereotaktisches Kleintier-FUS-System, das auf handelsüblichen Komponenten basiert und die oben genannten Anforderungen erfüllt. Ein besonderer Schwerpunkt wurde auf einen hohen Automatisierungsgrad gelegt, der die Herausforderungen erleichtert, die typischerweise in hochvolumigen präklinischen Arzneimittelbewertungsstudien auftreten. Beispiele für diese Herausforderungen sind die Notwendigkeit einer Standardisierung, um die Reproduzierbarkeit der Daten sicherzustellen, die gruppeninterne Variabilität zu reduzieren, die Stichprobengröße zu reduzieren und damit ethische Nonden zu erfüllen und unnötige Arbeitsbelastung zu verringern. Das vorgeschlagene BBB-System wurde im Rahmen der BBB-Eröffnung erleichterter Arzneimittelabgabestudien an patientenabgeleiteten Xenograft-Modellen von Glioblastom multiforme und diffusem Mittelliniengliom validiert.
Einleitung
Die Blut - Hirn-Schranke (BBB) ist ein großes Hindernis für die Verabreichung von Medikamenten in das Gehirn Parenchym. Die meisten therapeutischen Medikamente, die entwickelt wurden, kreuzen die BBB aufgrund ihrer physikalisch-chemischen Parameter (z. B. Lipophilie, Molekulargewicht, Wasserstoffbindungsakzeptoren und Spender) nicht oder werden aufgrund ihrer Affinität zu Efflux-Transportern im Gehirn nicht beibehalten1,2. Die kleine Gruppe von Medikamenten, die die BBB überqueren können, sind in der Regel kleine lipophile Moleküle, die nur bei einer begrenzten Anzahl von Gehirnerkrankungen wirksam sind
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Protokoll
Alle In-vivo-Experimente wurden von der niederländischen Ethikkommission (Lizenznummer AVD114002017841) und dem Tierschutzorgan der Vrije Universiteit Amsterdam, Niederlande, genehmigt. Die Forscher wurden in den Grundlagen des FUS-Systems geschult, um das Unbehagen der Tiere zu minimieren.
1. Fokussiertes Ultraschallsystem
HINWEIS: Das beschriebene Setup ist ein eigens gebautes BBB-Disruptionssystem, das auf handelsüblichen Komponenten basiert und eine 3D-gedruckte, maßgeschneiderte Kegel- und abnehmbare stereotaktische Plattform enthält. Das System ist modular aufgebaut, was Änderungen je nach verfügbarer Ausrüst....
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Ergebnisse
Das beschriebene FUS-System (Abbildung 1 und Abbildung 2) und der zugehörige Workflow wurden bei über 100 Tieren eingesetzt und produzierten reproduzierbare Daten sowohl über gesunde als auch an tumortragende Mäuse. Basierend auf der aufgezeichneten Kavitation und der Spektraldichte an den Oberschwingungen im Spitzenmoment der Mikroblasen-Bolusinjektion kann die Spektralleistung jeder Frequenz mit der Fourier-Analyse berechnet werden, wie in Schritt 4 des Protok.......
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Diskussion
In dieser Studie haben wir ein kostengünstiges bildgesteuertes FUS-System für vorübergehende BBB-Störungen zur erhöhten Medikamentenabgabe in das Gehirnparenchym entwickelt. Das System wurde größtenteils mit handelsüblichen Komponenten und in Verbindung mit Röntgen und BLI gebaut. Die Modularität des vorgeschlagenen Designs ermöglicht den Einsatz mehrerer bildgebender Verfahren für die Planung und Bewertung in Workflows mit hohem Durchsatz. Das System kann mit umfassenderen hochauflösenden 3D-Bildgebungsmodalitäten kombi.......
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Offenlegungen
Die Autoren haben nichts zu verraten.
Danksagungen
Dieses Projekt wurde vom KWF-STW (Drug Delivery by Sonoporation in Childhood Diffuse Intrinsic Pontine Glioma and High-grade Glioma) finanziert. Wir danken Ilja Skachkow und Charles Mougenot für ihren Beitrag zur Entwicklung des Systems.
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Materialien
| Name | Unternehmen | Katalognummer | Kommentare |
|---|---|---|---|
| 1 mL Luer-Lock-Spritze | Becton Dickinson | 309628 | Plastipak |
| 19 G Nadel | Terumo Agani | 8AN1938R1 | |
| 23 G Nadel | Terumo Agani | 8AN2316R1 | |
| 3M Transpore OP-Band | Wissenschaft angewandt auf das Leben | 7000032707 | oder ähnliches |
| Arbiträrsignalgenerator | Siglent | n.a.SDG1025 | , 25 MHz, 125 Msa/s |
| Automatisierter Stereotakt | Eigenbau | n.a.Stereotakt | mit allen Elementen Eigenbau |
| Bruker In-Vivo Xtreme | Bruker | n.a.Enthält | Software |
| Gepufferte NaCl-Lösung | B. Braun Melsungen AG | 220/12257974/110 | |
| Buprenorfinhydrochlorid | Indivior UK limitd | n.a.0,324 | mg |
| Käfiganreicherung: Papier-Zellstoff Smart Home | Bio Dienstleistungen | n.a.Kohlefilter | |
| Bickford | NC0111395 | Omnicon f/air | |
| Keramiklöffel | n.a.n.a.Wattestäbchen | ||
| n.a.n.a.D-Luciferin | |||
| , Kaliumsalz | Gold Biotechnologie | LUCK-1 | |
| Ethanol | VUmc Apotheke | n.a.70 | % |
| Evans Blue | Sigma Aldrich | E2129 | |
| Fresenius NaCl 0,9 % | Fresenius Kabi | n.a.NaCl | 0,9 %, 1000 mL |
| Histoacryl | Braun Surgical | n.a.Histoacryl | 0,5 mL |
| Hydrophone | Precision Acoustics | n.a.Insulinspritze | |
| Becton Dickinson | 324825/324826 | 0,5 mL und 0,3 mL | |
| Isofluran | TEVA Pharmachemie BV | 8711218013196 | 250 mL |
| Ketamin | Alfasan | n.a.10 | %, 10 mL |
| Mausfutter: Teklad global 18% Protein Nagetierfutter | Envigo | 2918-11416M | |
| Neoflon-Katheter | Becton Dickinson | 391349 | 26 GA 0,6 x 19 mm |
| Oszilloskop | Keysight technologies | n.a.InfiniiVision | DSOX024A |
| Kunststofftuben | Greiner bio-one | 210261 | 50 mL |
| Endstufe | Elektronik & Innovation Ltd | 210L | Modell 210L |
| Vorverstärker DC Koppler | Precision Acoustics | n.. | Seriennummer: DCPS94 |
| Schere | Sigma Aldrich | S3146-1EA | oder ähnlich |
| Sedazine | AST Farma | n.a.2 | % |
| SonoVue Mikroblasen | Bracco | n.a.8 | µ l/ml |
| Steriles Wasser | Fresenius Kabi | n.a.1000 | mL |
| Spritze | n.a.n.a.verschiedene | Spritzen können verwendet werden | |
| Temgesic | Indivior UK limitd | n.a.0,3 | mg/ml |
| Schallkopf | Precision Acoustics | n.a.1 | MHz |
| Pinzette | Sigma Aldrich | F4142-1EA | oder ähnlich |
| Ultraschallgel | Parker Laboratories Inc. | 01-02 | Aquasonic 100 |
| Vidisic Gel | Bausch + Lomb | n.a.10 | g |
Referenzen
- Lipinski, C. A. Lead- and drug-like compounds: the rule-of-five revolution. Drug Discovery Today: Technologies. 1 (4), 337-341 (2004).
- Pardridge, W. M. Blood-brain barrier delivery. Drug Discovery Today. 12 (1-2), 54-61 (2007).
- Alli, S., et al.
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Nachdrucke und Genehmigungen
