מאמר שיטה

MRI-מודרך שיבוש של מחסום דם מוח באמצעות אולטרסאונד ממוקד Transcranial מודל עכברים

17.4K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/3555

⸱

13 במרץ 2012

 ,  ,  , 
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

במאמר זה

סיכום

Microbubble בתיווך הפרעה אולטרסאונד ממוקד של מחסום דם מוח (BBB) ​​היא טכניקה מבטיחה למסירה פולשני התרופה ממוקדת במוח 1-3. פרוטוקול זה מתאר את הליך ניסיוני הפרעה MRI-BBB מודרך transcranial במודל חולדה.

תקציר

ממוקד (FUS) אולטרסאונד שיבוש מחסום דם מוח (BBB) ​​היא טכניקה לחקור יותר ויותר עבור עקיפת 1-5 BBB. BBB מהווה מכשול משמעותי טיפולים התרופות של הפרעות במוח כפי שהיא מגבילה את מעבר מולקולות בין בכלי הדם לרקמת המוח מולקולות פחות מ דה כ 500 בגודל 6. FUS הפרעה הנגרמת BBB (BBBD) הוא זמני והפיך 4 ויש לו יתרון על פני כימי אמצעי גרימת BBBD ידי להיות מקומית מאוד. FUS המושרה BBBD מספק אמצעי לחקור את ההשפעות של מגוון רחב של סוכני טיפולית על המוח, אשר לא היה אחרת להיות תוצר לרקמות בריכוז מספיק. בעוד מגוון רחב של פרמטרים אולטרסאונד הוכיחו מצליחים לשבש BBB 2,5,7, ישנם צעדים קריטיים מספר הליך ניסיוני על מנת להבטיח שיבוש מוצלח עם מיקוד מדויק. זה protocקווי המתאר ol איך להשיג MRI מונחי FUS המושרה BBBD במודל של עכברים, עם דגש על הכנת החיה ביקורתית צעדים לטיפול microbubble הניסוי.

פרוטוקול

1. אולטראסאונד ו-MRI ההתקנה

MRI תואם בשלושה צירים מערכת אולטרה סאונד ממוקד נעשה שימוש במחקר זה (FUS מכשירים, Inc, טורונטו, אונטריו, קנדה). שני מתמרים אולטרסאונד שונות נעשה שימוש: בתוך הבית נבנה 551.5 כדורית ממוקד kHz מתמר (רדיוס עקמומיות = 60 מ"מ, קוטר חיצוני = 75 מ"מ, קוטר פנימי = 20 מ"מ), ו 1.503 MHz, 8-במגזר מערך משולב עם PZT hydrophone (Imasonic בע"מ, Voray-sur-L'Orgnon, צרפת) מונעים ככל מתמר אחת אלמנט כדורית ממוקד (FN = 0.8, צמצם = 10 ס"מ). MRI תואם PVDF מקלט 8 שימש להקליט פליטת אקוסטיות כאשר מתמר 551.5 kHz היה בשימוש. אם ציוד אחר המשמש, להלן הצעתי:

  1. בחר מתמר מתאים, אולטרסאונד מכויל בתדירות מרכז MHz 0.25 MHz טווח -1.5 ו-F-מספר (רדיוס עקמומיות / צמצם) של 1 או פחות.
  2. מניחים Fi אמבט מיםlled עם מים חמים, degassed דה מיונן, על המיטה של ​​1.5 T או T-MRI 3. אמבט מים צריך צלחת העליונה אשר יכול להכיל את בעלי החיים. הר מתמר אולטראסאונד במיכל על הבמה MRI בשלושה צירים תואם מיקום או מערכת 9, מול פני המים.
  3. הפעל את כבל מתמר לציוד נהיגה אולטרסאונד דרך לוח חדירה.
  4. צור נהיגה מתמר אותות באמצעות מחולל פונקציה מגבר כוח. השתמש במעגל התאמה חיצונית כדי לצמצם את החשמל לידי ביטוי.
  5. לדעת אורך המוקד מתמר, מקם את המוקד מתמר על פני השטח מים sonicate פני המים כדי ליצור מעיין מים גלויים. צעדים 1.6 ו 1.7 מתארים כיצד לרשום את המיקוד באמצעות מזרקת המים שנוצר. שיטה מדויקת יותר לאיתור המוקד, הכוללת sonicating חום סופג ג'ל והדמיה העלאת הטמפרטורה וכתוצאה מכך במוקד עם MRI, ניתן למצוא 9 </ Sup>.
  6. לסמן את המיקום של המוקד באמצעות סמן שיוצגו על תמונות MR. ניתן לעשות זאת באמצעות צלחת עם חור במרכז, כי ימלא מים כאשר הניח על המוקד. בור מלא מים יהיה גלוי על MRI ותספק קואורדינטות המוקד בשני מישורים, תוך תיאום בכיוון צירית של מתמר ניתן לקבוע מעל פני המים.
  7. באמצעות רצף 3-מטוס Localizer, התמונה סמן מוקד ולהקליט את מיקום המוקד במערכת קואורדינטות MRI.
  8. כדי לפקח על פליטת אקוסטיים, הר 8 MR תואם hydrophone המשמש כגלאי cavitation פסיבית (PCD) באמבט מים כלפי המוקד מתמר, או להשתמש מתמר עם hydrophone משולבת.
  9. הפעל את הכבלים PCD לכרטיס היקף כי הוא מהיר מספיק כדי לתפוס את פרצי עד 10 מילישניות ב PRFs עד 2 הרץ (למשל ATS460, AlazarTech, Pointe-קלייר, קוויבק, קנדה). הכבלים חייבות להיות מבוססות על פןהכל Total לוח או RF המגן כדי למזער את הרעש.

2. בעלי חיים הכנה

  1. להרדים את בעלי החיים באמצעות גז isofluorane. מאז isofluorane יש השפעה על הפרעה BBB 10, החיות יש לקחת את הגז 10 דקות לפני תחילת הניסוי. עינית במקום משחת סיכה בכל עין בתחילת הרדמה כדי להגן על הקרנית מפני התייבשות או פציעה אחרת.
  2. באמצעות מכונת גילוח לגלח את הפרווה מהחלק העליון של הראש והצוואר של בעל החיים, ולאחר מכן להסיר את הפרווה הנותרים באמצעות קרם מקריח (למשל נאיר, כנסיית דווייט & Co, פרינסטון, ניו ג'רזי, ארה"ב) ולשטוף את הקרקפת עם סבון עדין מים.
  3. מכינים את הזנב עם שיחים בבטאדין העור ואחריו רחצה bridine. בצע wipedown הסופי עם אלכוהול כדי להמחיש את הווריד הזנב.
  4. הכנס קטטר 22 מד עם שסתום 3 כיווני לווריד הזנב לשטוף בתערובת הפרין / מלוחים (33 U / ml), כדי למנוע היווצרות קריש דםב קטטר.
  5. לספק הרדמה בזריקות (40-50 מ"ג / ק"ג קטמין, 10 מ"ג / ק"ג xylazine) באמצעות זריקה תוך שרירית, ולהסיר את החיה מ isofluorane.
  6. מניחים את פרקדן חיים הרדים במערכת מיקום אולטרסאונד עם הראש לפנות waterbath דרך חור בצלחת העליונה (תמונה 1). כמות קטנה של ג 'ל אולטרסאונד להחיל אולי לחלק העליון של ראשו של בעל החיים כדי למזער את הסיכוי airbubbles הלכודים.
  7. קלטת הרגליים למערכת מיצוב. ראש ניתן לקיים במקום גם באמצעות סרגל ביס, אם ניתן, או קלטת ממוקם היטב על פני הסנטר.
  8. כסה את בעל החיים במגבת במחזור שמיכה מים כדי לשמור אותו חם.

3. היעד הנבחר

  1. לרכישת המחקר צירית T 2-T משוקלל 1-משוקלל תמונות MR של המוח. אם אתה משתמש 1.5 T-MRI ומסור ראש בגודל RF-לקבל פני סליל, מתאים SCהפרמטרים עשוי להיות:

    T 2 משוקלל: FSE, TE = 60 מילישניות, TR = 2000 ms
    T 1 משוקלל: FSE, TE = 10 מילישניות, ר = 500 ms

  2. בחר את היעד מ T 2-משוקלל סריקות, הימנעות החדרים ואת קו האמצע במוח, ובחירת עומק אמצע המוח.
  3. העבר את המוקד מתמר למיקום היעד.

4. Microbubble הכנה

Microbubbles Definity (Lantheus הדמיה רפואית, מסצ'וסטס, ארה"ב) נמצאים בשימוש על ידי מספר קבוצות של FUS בתיווך microbubble המושרה BBBD 2,5,7. במינונים המתאימים לסוגים microbubble אחרים ניתן למצוא בספרות 11,12.

  1. הפעל את microbubbles Definity ולאט לאט להכין נפח קטן לתוך המזרק 1 מ"ל באמצעות מחט 18-מד.
  2. הסרה של אוויר לכוד בין המזרק בעדינות על ידי נעה הבוכנה קדימה ואחורה. אין להקיש על המזרק כמו זה יכול לשבור את הבועות.
  3. לדלל את Definity ב רגיל מי מלח ביחס של 10:01 כדי מלוחים Definty ידי הזרקת לאט נפח הנדרש Definity לתוך המזרק של תמיסת מלח. אם הלידה עירוי משמש, Definity יכול להיות מדולל עוד יותר, כדי 50:1 או 100:1.
  4. להפוך בעדינות את המזרק ביסודיות לערבב Definity ו מלוחים עד ההופעה אפילו מושג. היפוך עדין של מזרק מיד לפני ההזרקה יכול להיות גם הכרחי אם הבועות החלו לצוף מתוך ההשעיה.
  5. חשב את נפח המנה הדרושה על 0.02 מ"ל / ק"ג של Definity, או 0.2 מ"ל / ק"ג של פתרון (בדילול 10:01).

5. אולטראסאונד משלוח

  1. להגדיר את הפרמטרים sonication, באמצעות מחזור נמוך חובה התפרצויות, לא sonications גל רציף. הפרמטרים sonication המתאים MHz 0.5 הם MPa 0.23 בלחץ באתרו, 10 התפרצויות מילי ב 1 הרץ PRF, 2 דק '. sonication סה"כ זמן. ב 1.5 MHz המתאים לחצים באתרו ליפול סביב 0.45-0.5 מגפ"ס.
_content "> לחצי המתאים תדרים שונים ניתן לאמוד באמצעות מדד מכני של 0.46 13.

  1. בדוק את ראשו של בעל החיים הוא עדיין יחד למים.
  2. להזריק את microbubbles לאט לתוך קטטר לווריד הזנב לשטוף עם מי מלח 0.5 מ"ל נורמלי. בגין sonication בד בבד עם תחילת ההזרקה.

6. הערכת ה-MRI של תוצאות הטיפול

  1. בעקבות sonication, מזריקים חומר ניגוד MRI (למשל 0.2 מ"ל / ק"ג Omniscan, GE Healthcare) באמצעות קטטר לווריד הזנב ואחריו סומק 0.5 מ"ל תמיסת מלח.
  2. בצע T 1-משוקלל הדמיה עד לשיא לעומת זאת עבר. אתרי sonication אשר היו משובשים בהצלחה תציג שיפור גדול יותר מאשר הרקמה הסובבת.
  3. בצע T 2-משוקלל הדמיה כדי לבדוק אם הבצקת. האות גבוה באתרי sonication מעיד על בצקת.

7. נציגתוצאות

בניגוד סוכני ה-MRI יכול להיות מועברת בהצלחה דרך BBB באמצעות אולטרסאונד ממוקד במחזור microbubbles. תרשים 2 מציג מראש טיפוסי ופוסט FUS T 1-W תמונות. איור 2B מראה בניגוד משופרת (CE) T 1-W תמונה עם פתחים מוקד ברורים ארבעה מקומות sonicated. מקומות 1 ו 2 sonication להראות שיפור מזהיר במיוחד. ב Fig.3 במקומות 1 ו -2 ניתן לראות להתכתב עם T 2-W האות גבוה, המעיד על בצקת.

היקף T 2-W בצקת לפעמים יכול להיות קל יותר לדמיין את פרוסות sagittal. איור 4 מראה CE-T 1-W ו-T-W 2 פרוסות sagittal דרך sonication מקומות 1 ו 3. בצקת גלוי במקום 1, אבל לא במיקום 3.

ניתוח ספקטרלי של אקוסטיים פליטת הנתונים המתועדים (necatrix תמונה 5) עשוי להראות פליטת הרמוניים ו / או תת / אולטרה פליטות הרמוניים כאשר cavitation יציבה היא התרחשות. הרמוןICS יכול גם לנבוע רקמות שאינם linearities, בעוד פליטת Sub ו ultraharmonic יכול להתרחש רק כתוצאה מפעילות בועה 14. בלחצים גבוהים יותר פליטות פס רחב המעידים cavitation אינרציה עלול גם להתגלות. אולם אלה קושרו עם כמויות גדולות יותר של תאים אדומים extravasations דם microdamage מאשר sonications ללא cavitation אינרציה 11.

השימוש גבוהים יותר תדרים תוצאות sonication ב פתחים יותר נקודתיים עקב גודל קטן יותר במקום מיקוד. איור 6 מראה כי תדירות גבוהה יותר יכול לשמש כדי ליצור אזורים קטנים יותר של הפתח. דבר זה מאפשר בדיקה של אפקטים באמצע המוח עם גולגולת כמעט תופעות פחות.

figure-protocol-1
באיור 1. התקנה ניסיונית.

figure-protocol-2
איור 2. מראש (משמאל) ואחרי (מימין) טיפול T 1-W תמונות של המוח עכברוש מראה שיפור בארבעה אתרים sonication.

figure-protocol-3
איור 3. קדם (משמאל) ואחרי (מימין) טיפול T 2-W תמונות של המוח עכברוש (בעלי חיים כמו Fig.2) מראה T 2-W בצקת במקומות sonication 1 ו 2.

figure-protocol-4
איור 4. טיפול פוסט sagittal T 1-W (משמאל) ו-T 2-w (מימין) תמונות במוח החולדה כמו תאנים. 2 ו 3. הפתיחה במקום 1 (משמאל) בקורלציה עם T 2-W בצקת (מימין). מיקום 3 מראה בצקת הפתיחה (משמאל), אך לא T 2-W.

figure-protocol-5
איור 5. ספקטרום תדרים מנתונים שנתפסו במהלך התפרצות אחת MS 10 על 551.5 kHz. התדירות הבסיסית (ו 0), כמו גם הרמוניות (2 ו 0) ותת / ultraharmonics (0.5 F 0, 1.5 ו 0) גלויים.

figure-protocol-6
איור 6. הודעה טיפול CE-T 1-W צירית (משמאל) sagittal (מימין) תמונות במוח חולדה sonicated בארבעה מקומות על 1.503 MHz. פתחים BBB בתדירות זו נראים להיות מקומי יותר.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

הכנת החיות microbubbles הם ההיבטים הקריטיים ביותר של הליך זה. השיער על הראש של החיה יש להסיר לחלוטין כדי למנוע הפחתת קרן אולטרסאונד. BBB יכול להשתבש תחת הרדמה isofluorane, לעומת זאת, הוא הופך להיות קשה יותר כדי להשיג פתיחת עקבי.

את microbubbles צריך תמיד להיות מטופלים בזהירות מד קטן, מחטים בקוטר גדול יש להשתמש בעת עריכת, על מנת שלא לשבור אותם. באופן דומה, קטטר מד הקטן ביותר אשר ניתן להשתמש בהם באופן סביר ברוח הזנ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

ק Hynynen ור 'צ'ופרה הם המייסדים של מכשירים FUS, Inc ר' צ'ופרה, א Waspe ו ק Hynynen הם בעלי המניות במכשירים FUS, Inc ק Hynynen מקבל תמיכה מחקר FUS מכשירים, Inc

תודות

המחברים מבקשים להודות Shawna Rideout-גרוס ו Garces אלכסנדרה על עזרתם בזהירות חיה, פינג וו לקבלת סיוע טכני שלה. תמיכה עבור עבודה זו ניתן על ידי מכון הבריאות הלאומי על פי המענק לא. EB003268, ואת תוכנית המחקר קנדה כיסאות.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
שם מגיב חברה מספר קטלוגי
חיים קטן ממוקד מערכת אולטרסאונד FUS מכשירים, Inc RK-100
Definity Lantheus הדמיה רפואית
Omniscan GE Healthcare

מקורות

  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-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. , (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).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

MRI T1MRI T2

מאמרים קשורים