נוירון סטראוטקטי מונחה תפוקה גבוהה ומערכת אולטרסאונד ממוקדת לפתיחת מחסום דם-מוח במכרסמים

Rianne Haumann; Elvin ’t Hart; Marc  P. P. Derieppe; Helena  C. Besse; Gertjan  J. L. Kaspers; Eelco Hoving; Dannis  G. van Vuurden; Esther Hulleman; Mario Ries

doi:10.3791/61269

מאמר שיטה

נוירון סטראוטקטי מונחה תפוקה גבוהה ומערכת אולטרסאונד ממוקדת לפתיחת מחסום דם-מוח במכרסמים

DOI:

10.3791/61269

⸱

16 ביולי 2020

Rianne Haumann^*¹^,² , Elvin ’t Hart^*² , Marc P. P. Derieppe² , Helena C. Besse³ , Gertjan J. L. Kaspers¹^,² , Eelco Hoving² , Dannis G. van Vuurden¹^,² , Esther Hulleman¹^,² , Mario Ries³

¹Amsterdam UMC, Vrije Universiteit Amsterdam, Pediatric Oncology, Cancer Center Amsterdam, ²Princess Máxima Center for Pediatric Oncology, ³Imaging Division, Utrecht University

^* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחסום הדם - מוח (BBB) יכול להיות משובש באופן זמני עם אולטרסאונד ממוקד microbubble בתיווך (FUS). כאן, אנו מתארים פרוטוקול צעד אחר צעד לפתיחת BBB בתפוקה גבוהה ב vivo באמצעות מערכת FUS מודולרית נגישה למומחים שאינם אולטרסאונד.

תקציר

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחסום הדם - מוח (BBB) היה משוכה גדולה לטיפול במחלות מוח שונות. תאי אנדותל, המחוברים באמצעות צמתים הדוקים, יוצרים מחסום פיזיולוגי המונע ממולקולות גדולות (>500 Da) להיכנס לרקמת המוח. אולטרסאונד ממוקד בתיווך Microbubble (FUS) יכול לשמש כדי לגרום לפתיחת BBB מקומית חולפת, המאפשרת לתרופות גדולות יותר להיכנס לפרנצ'ימה במוח.

בנוסף למכשירים קליניים בקנה מידה גדול לתרגום קליני, מחקר פרה-קליני להערכת תגובה טיפולית של מועמדים לתרופות דורש הגדרות ייעודיות של אולטרסאונד לבעלי חיים קטנים לפתיחת BBB ממוקדת. רצוי, מערכות אלה מאפשרות זרימות עבודה בעלות תפוקה גבוהה הן עם דיוק מרחבי גבוה והן עם ניטור משולב של cavitation, ועדיין להיות חסכוני הן בהשקעה הראשונית והן בעלויות התפעול.

כאן, אנו מציגים ביולומינציה ורנטגן מונחה מערכת FUS בעלי חיים קטנים סטראוטקטיים המבוססת על רכיבים זמינים מסחרית וממלאת את הדרישות הנ"ל. דגש מיוחד הושם על רמה גבוהה של אוטומציה המאפשרת את האתגרים בדרך כלל נתקל במחקרים בנפח גבוה להערכת תרופות פרה-קוליניות. דוגמאות לאתגרים אלה הן הצורך בתקינה על מנת להבטיח שחזור נתונים, להפחית את השונות הפנים-קבוצתית, להקטין את גודל המדגם ובכך לעמוד בדרישות אתיות ולהפחית עומס עבודה מיותר. מערכת BBB המוצעת אומתה בהיקף של BBB פתיחת ניסויים אספקת תרופות הקלה על מודלים קסנוגרפט שמקורם בחולה של גליובלסטומה multiforme ו glioma קו בינוני מפוזר.

מבוא

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מחסום הדם - מוח (BBB) הוא מכשול מרכזי להעברת סמים לתוך parenchyma המוח. רוב התרופות הטיפוליות שפותחו אינן חוצות את ה- BBB בשל הפרמטרים הפיזיוכימיים שלהן (למשל, ליפופיליות, משקל מולקולרי, מקבלי קשר מימן ותורמים) או אינן נשמרות בשל זיקתן למובילי קולוקס במוח¹^,². הקבוצה הקטנה של תרופות שיכולות לחצות את BBB הם בדרך כלל מולקולות ליפופיליות קטנות, אשר יעילים רק במספר מוגבל של מחלות מוח¹^,². כתוצאה מכך, עבור רוב מחלות המוח, אפשרויות הטיפול הפרמקולוגי מוגבלות ואסטרטגיות אספקת תרופות חדשות נדרשות³^,⁴.

אולטרסאונד טיפולית היא טכניקה מתפתחת שניתן להשתמש בה עבור יישומים נוירולוגיים שונים כגון הפרעה BBB (BBBD), נוירומודולציה, אבלציה⁴^,⁵^,⁶^,⁷. על מנת להשיג פתיחת BBB עם פולט אולטרסאונד חוץ גשמי דרך הגולגולת, אולטרסאונד ממוקד (FUS) משולב עם microbubbles. תוצאות FUS בתיווך Microbubble הזמינות הביולוגית מוגברת של תרופות parenchyma המוח⁵^,⁸^,⁹. בנוכחות גלי קול, microbubbles מתחילים להתנדנד ייזום transcytosis ושיבוש של הצמתים ההדוקים בין תאי האנדותל של BBB, המאפשר הובלה paracellular של מולקולות גדולות^{יותר 10}. מחקרים קודמים אישרו את המתאם בין עוצמת הפליטה האקוסטית לבין ההשפעה הביולוגית על פתיחת BBB¹¹^,¹²^,¹³^,¹⁴. FUS בשילוב עם microbubbles כבר נעשה שימוש בניסויים קליניים לטיפול גליובלסטומה באמצעות temozolomide או דוסורוביצ'ין ליפוזומלי כסוכן כימותרפי, או לטיפול במחלת אלצהיימר וטרשת לרוחב amyotrophic⁵^,⁹^,¹⁵^,¹⁶.

מאז אולטרסאונד בתיווך BBB תוצאות אפשרויות חדשות לחלוטין עבור פרמקותרפיה, דרוש מחקר פרה-קליני לתרגום קליני כדי להעריך את התגובה הטיפולית של מועמדים נבחרים לתרופות. פעולה זו דורשת בדרך כלל זרימת עבודה בעלת תפוקה גבוהה עם דיוק מרחבי גבוה ועדיף זיהוי cavitation משולב לניטור פתיחת BBB ייעודית עם יכולת רבייה גבוהה. במידת האפשר, מערכות אלה צריכות להיות חסכוניות הן בהשקעה הראשונית והן בעלויות התפעול על מנת להיות מדרגיות בהתאם לגודל המחקר. רוב מערכות FUS פרה-קוליניות משולבות עם MRI להנחיית תמונה ותכנון טיפול¹⁵^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹. למרות MRI נותן מידע מפורט על האנטומיה הגידול ונפח, זוהי טכניקה יקרה, אשר מבוצעת בדרך כלל על ידי מפעילים מאומנים / מיומנים. בנוסף, MRI ברזולוציה גבוהה לא תמיד יכול להיות זמין לחוקרים במתקנים פרה-קוליניים ודורש זמני סריקה ארוכים לכל בעל חיים, מה שהופך אותו פחות מתאים למחקרים תרופתיים בתפוקה גבוהה. ראוי לציין כי, עבור מחקר פרה-קליני בתחום הנוירו-אונקולוגיה, במיוחד מודלים של גידולים מסתננים, האפשרות לדמיין ולמקד את הגידול חיונית להצלחת הטיפול²⁰. נכון לעכשיו, דרישה זו מתקיימת רק על ידי MRI או על ידי גידולים transduced עם photoprotein, המאפשר הדמיה עם הדמיה bioluminescence (BLI) בשילוב עם ניהול של מצע photoprotein.

מערכות FUS מונחות MRI משתמשות לעתים קרובות באמבט מים כדי להבטיח התפשטות גלי אולטרסאונד ליישומים טרנס-קרניים, לפיה ראש החיה שקוע בחלקו במים, מה שמכונה מערכות 'מלמטה למעלה'¹⁵^,¹⁷^,¹⁸. בעוד עיצובים אלה עובדים בדרך כלל היטב במחקרים בבעלי חיים קטנים יותר, הם פשרה בין זמני הכנת בעלי חיים, ניידות ותקנים היגייניים הניתנים לתחזוקה מציאותית במהלך השימוש. כחלופה MRI, שיטות הדרכה אחרות לניווט סטראוטקטי להקיף את השימוש אטלס אנטומי מכרסמים²¹^,²²^,²³, מצביע לייזר סייע ראייה^{חזותית 24}, סיכה בסיוע מכשיר סריקה מכני²⁵, או BLI²⁶. רוב העיצובים הללו הם מערכות "מלמעלה למטה" שבהן המתמר ממוקם על ראשו של בעל החיים, כאשר החיה נמצאת במצב טבעי. זרימת העבודה 'מלמעלה למטה' מורכבת מאמבט מים²²^,²⁵^,²⁶ או חרוט מלא מים²¹^,^24. היתרון של שימוש במתמר בתוך חרוט סגור הוא טביעת הרגל הקומפקטית יותר, זמן התקנה קצר יותר ואפשרויות טיהור ישר קדימה המפשטות את זרימת העבודה כולה.

האינטראקציה של השדה האקוסטי עם microbubbles הוא תלוי בלחץ נע בין תנודות משרעת נמוכה (המכונה cavitation יציב) כדי התמוטטות בועה חולפת (המכונה cavitation אינרציאלי)²⁷^,²⁸. יש קונצנזוס מבוסס כי אולטרסאונד-BBBD דורש לחץ אקוסטי הרבה מעל סף cavitation יציב כדי להשיג BBBD מוצלח, אבל מתחת לסף cavitation אינרציאלי, אשר קשורה בדרך כלל עם נזק כלי דם / עצביים²⁹. הצורה הנפוצה ביותר של ניטור ובקרה היא ניתוח של האות האקוסטי המפוזר (האחורי) באמצעות זיהוי cavitation פסיבי (PCD), כפי שהוצע על ידי McDannold ואח^'12. PCD מסתמך על ניתוח ספקטרום פורייה של אותות פליטת microbubble, שבו הכוח והמראה של סימני ההיכר cavitation יציב (הרמוניקה, subharmonics, ו ultraharmonics) וסמני cavitation אינרציאלי (תגובת פס רחב) ניתן למדוד בזמן אמת.

"מידה אחת מתאימה לכולם" PCD-ניתוח לבקרת לחץ מדויקת מסובך בשל polydispersity של ניסוח microbubble (משרעת תנודה תלויה מאוד בקוטר הבועה), ההבדלים בתכונות מעטפת בועה בין מותגים, ואת התנודה האקוסטית, אשר תלוי מאוד בתדירות ולחץ³⁰^,³¹^,³². כתוצאה מכך, הוצעו פרוטוקולי זיהוי PCD רבים ושונים, אשר הותאמו לשילובים מסוימים של כל הפרמטרים הללו ושימשו בתרחישי יישומים שונים (החל מניסויים במבחנה על פרוטוקולים קטנים של בעלי חיים ועד PCD לשימוש קליני) לגילוי cavitation חזק ואפילו לבקרת משוב רטרואקטיבית של הלחץ¹¹^,¹⁴^,³⁰^,³¹^,³²^,³³^,³⁴^,³⁵. פרוטוקול PCD המועסקים בהיקף של מחקר זה נגזר ישירות מ McDannold ואח^'12 ומנטר את הפליטה ההרמונית לנוכחות של cavitation יציב ורעש פס רחב לגילוי cavitation אינרציאלי.

פיתחנו מערכת FUS נוירון מונחה תמונה לפתיחה חולפת של BBB כדי להגדיל את אספקת הסמים לתוך parenchyma המוח. המערכת מבוססת על רכיבים מסחריים זמינים וניתן להתאים אותה בקלות למספר שיטות הדמיה שונות, בהתאם לטכניקות ההדמיה הזמינות במתקן בעלי החיים. מכיוון שאנו זקוקים לזרימת עבודה בעלת תפוקה גבוהה, בחרנו להשתמש בצילום רנטגן ו- BLI להנחיית תמונה ותכנון טיפול. תאים סרטניים שעברו עירוי עם פוטופרוטאין (למשל, לוציפראז) מתאימים להדמיית BLI²⁰. לאחר מתן מצע photoprotein, תאים סרטניים ניתן לפקח vivo וצמיחה הגידול ואת המיקום ניתן לקבוע²⁰^,³⁶. BLI הוא מודאליות הדמיה בעלות נמוכה, הוא מאפשר לעקוב אחר הגידול לאורך זמן, יש לו זמני סריקה מהירים והוא מתואם היטב עם צמיחת הגידול נמדד עם MRI³⁶^,³⁷. בחרנו להחליף את אמבט המים בקונוס מלא מים המחובר לתמר כדי לאפשר גמישות להזיז בחופשיות את הפלטפורמה שעליה רכוב המכרסם^8,^24. העיצוב מבוסס על פלטפורמה נתיקת המצוידת בשילוב של (I) סמנים סטריאוטקטיים לבעלי חיים קטנים (II) עם מערכת חימום בעלי חיים מווסתת רנטגן ותמונות אופטיות (III) הניתנת להסרה מהירה, ומערכת חימום בעלי חיים משולבת (IV). לאחר האינדוקציה הראשונית של הרדמה, החיה מותקנת במיקום מדויק על הרציף שבו היא נשארת במהלך ההליך כולו. כתוצאה מכך, האסדה כולה עוברת את כל התחנות של זרימת העבודה של ההתערבות כולה, תוך שמירה על מיקום מדויק וניתן לשחזור והרדמה מתמשכת. תוכנת הבקרה מאפשרת זיהוי אוטומטי של סמני fiducial ורושמת באופן אוטומטי את כל סוגי התמונות ודרכי התמונה (כלומר, מיקרו-CT, רנטגן, BLI והדמיה פלואורסצנטית) למסגרת הייחוס של הפלטפורמה הסטראוטקטית. בעזרת הליך כיול אוטומטי, אורך המוקד של מתמר אולטרסאונד ידוע בדיוק בפנים, המאפשר היתוך אוטומטי של תכנון התערבותי, משלוח אקוסטי וניתוח הדמיה מעקב. כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 2, הגדרה זו מספקת רמה גבוהה של גמישות בתכנון זרימות עבודה ניסיוניות ייעודיות ומאפשרת טיפול משולב בבעלי החיים בתחנות שונות, מה שמאפשר ניסויים בתפוקה גבוהה. השתמשנו בטכניקה זו להעברת סמים מוצלחת בקסנוגרפטים של עכברים של גליומה ברמה גבוהה כגון גליומה דו-קוית מפוזרת.

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

פרוטוקול

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

כל הניסויים ב vivo אושרו על ידי ועדת האתיקה ההולנדית (מספר רישיון היתר AVD114002017841) ואת הגוף לרווחת בעלי חיים של אוניברסיטת Vrije אמסטרדם, הולנד. החוקרים הוכשרו ביסודות מערכת FUS על מנת למזער את אי הנוחות של בעלי החיים.

1. מערכת אולטרסאונד ממוקדת

הערה: ההתקנה המתוארת היא מערכת שיבוש BBB מובנית המבוססת על רכיבים זמינים מסחרית וכוללת חרוט בהתאמה אישית בהדפסה תלת-ממדית ופלטפורמה סטראוטקטית הניתנת להסרה. המערכת מתוכננת מודולרית, המאפשרת שינויים בהתאם לציוד הזמין ושימוש ספציפי. הפרוטוקול מתאר את ההליך עבור sonoporation של שטח גדול יותר באזור פונטין של מוח העכבר. על ידי התאמת מיקום היעד, חלקים שונים של המוח יכולים להיות ממוקדים. במחקר זה נעשה שימוש במתמר מונו-אלמנט של 1 מגה-הרץ באורך מוקד של 75 מ"מ, צמצם של 60 מ"מ ואזור מוקד של 1.5 x 1.5 x 5 מ"מ (FWHM של לחץ שיא). מישור המוקד של המתמר ממוקם דרך הגולגולת של החיה במישור האופקי המצטלב עם מוטות האוזן.

בחר מתמר מתאים לפתיחת BBB במכרסמים.
הערה: בהתבסס על המאפיינים של microbubbles ואת התדירות המועסקים, ההגדרות האקוסטיות, במיוחד את האינדקס המכני (MI), כפופים^{לשינויים 13}^,³⁸.
הנח את המתמר בקונוס המודפס בתלת-ממד.
השתמש קרום מיילר שקוף אקוסטית בקצה התחתון של החרוט כדי להשיג צימוד אקוסטי של נתיב התפשטות הקרן, ולמלא את הקונוס עם מים degassed.
הר את המתמר מעל החיה על במה ליניארית ממונעת כפי שמוצג באיור 1 ומאפשר מיקום אנכי אוטומטי של המתמר.
תכננו פלטפורמה סטראוטקטית נתיקת המבוססת על דרישות המחקר, הכוללת מוטות חימום, ביס ואוזן מווסתים בטמפרטורה, הרדמה וסמנים פידוקאליים רב-מודאליים, כפי שמוצג באיור 1 ובאיור 2. ההרכבה של הפלטפורמה הסטריאוטקטית מורכבת ממערכת שלבים ליניארית דו-מימדית, המאפשרת מיקום אוטומטי מדויק (< 0.1 מ"מ) של החיה מתחת לקורה.
חבר את המתמר לשרשרת הפליטה האקוסטית המוצגת באיור 1 המורכבת ממתמר, מחולל פונקציות ומגבר חשמל.
לתכנן צינור עיבוד תמונה כדי לזהות את סמנים fiducial רב מודאלי המאפשר מיקוד sonoporation מדויק של אזור המוח של עניין ואיסוף של נתוני cavitation זוהה על ידי הידרופון המחט.
כייל את המערכת וקבע את נקודת המיקוד של המתמר בהתכתבות עם מיקום אנכי של החיה בפלטפורמה הסטריאוטקטית.

2. הכנת בעלי חיים

הערה: הפרוטוקול הבא מצוין עבור עכברים אך ניתן להתאים אותו לחולדות. עבור ניסויים אלה נעשה שימוש בעכברים בעירום אתימי נקבה Foxn1-/- (בן 6-8 שבועות).

אפשרו לבעל החיים להתאקלם לפחות שבוע במתקן החיות ולשקול את החיה באופן קבוע.
ניהול buprenorphine (0.05 מ"ג /ק"ג) באמצעות הזרקה תת עורית (s.c.) 30 דקות לפני הטיפול FUS כדי להתחיל טיפול משכך כאבים.
יש להרדים את החיה עם 3% isoflurane, 2 L/min O₂ ולוודא כי החיה מורדמת עמוקות. שמור על בעלי החיים מורדמים במהלך כל ההליך ולפקח על תדירות הנשימה ואת קצב הלב כדי להתאים את הריכוז של isoflurane כנדרש.
יש למרוח משחת עיניים כדי למנוע עיניים יבשות ולמנוע פגיעה אפשרית.
הסר שיער על החלק העליון של הראש עם סכין גילוח קרם depilatory לשטוף לאחר מכן עם מים כדי להסיר את כל השאריות, כדי למנוע גירוי על העור.
לניסויים עם מודלים גידול BLI, להזריק 150 μL של D-לוציפרין (30 מ"ג / מ"ל) תוך-פיטוני (i.p.) עם מזרק אינסולין 29 G עבור BLI תמונה הדרכה.
הכנס קטטר וריד זנב 26-30 G ורוקן את הקטטר והווריד עם נפח קטן של פתרון הפרין (5 ממשק משתמש / מ"ל). ממלאים את הקטטר בתמיסת הפרין כדי למנוע קרישת דם.
הערה: צנתור טוב נראה כאשר יש ריפלוקס של דם לתוך הקטטר. הימנע בועות אוויר בקטטר כדי למנוע emboli. כדי למנוע לחץ הזרקה מוגזם, ודא את אורך הקטטר הוא קצר ככל האפשר.
מניחים את החיה על הפלטפורמה הסטריאוטקטית המווסתת בטמפרטורה כדי למנוע היפותרמיה.
הערה: היפותרמיה מפחיתה את זרימת הדם, אשר יכול להשפיע על הזרקה / זרימת הדם של microbubbles ואת הפרמקוקינטיקה של התרופות³⁹.
לשתק ולתקן את הראש של החיה על הפלטפורמה הסטריאוטיפית באמצעות מוטות אוזניים ובר ביס. מקובעים את הגופה ברצועה ומדביקים את זנב החיה לרציף.

3. באולטרסאונד ממוקד מונחה תמונה vivo

הערה: עבור פרוטוקול זה מתמר מונו-אלמנט 1 MHz עם דופק פרץ טון עם משך 10 ms, MI של 0.4 ותדר חזרה על הדופק של 1.6 הרץ עם 40 מחזורים עבור 240 s שימש. הפרוטוקול מותאם למיקרו-בועות המיוצבות על ידי פוספוליפידים המכילים הקספלואוריד גופרית (SF₆₎כגז בלתי מזיק, לפיו קוטר הבועה הממוצע הוא 2.5 מיקרומטר ויותר מ -90% מהבועות קטנות מ -8 מיקרומטר.

הנח את הפלטפורמה הסטריאוטקטית עם החיה הרכובה במדולי ההדמיה(למשל, BLI או רנטגן) וצלם תמונות של החיה.
השתמש בסמנים פידוקאליים רב-מודאליים בשילוב עם צינור עיבוד התמונה כדי לסמן את מיקום החיה בהתאם לנקודת המוקד של המתמר.
קבעו את אזור היעד על ידי הצבת קו מתאר של המוח מעל תמונת הרנטגן הנרכשת או שימוש בתמונות BLI כדי לקבוע את מרכז הגידול (איור 2). המיקום של חלקים מסוימים של המוח מצוינים אטלס המוח Paxinos⁴⁰ באמצעות סימוני הגולגולת bregma ו lambda כנקודות התייחסות. לדוגמה, ה-pons ממוקם x=-1.0, y=-0.8 ו- z=-4.5 ממבדה.
להגן על הנחיריים והפה של החיה עם סרט דבק כדי למנוע ג'ל אולטרסאונד להפריע לנשימה.
החל ג'ל אולטרסאונד על ראשה של החיה.
לחזור בו מעור צווארם של בעלי החיים, לשמן את המחט הידרופון עם ג'ל אולטרסאונד ומניחים את ההידרופון המחט בסביבה הישירה של עצם העורף.
הנחה את המתמר למיקום הנכון באמצעות צינור עיבוד התמונה ונקודת המוקד.
החל את ההגדרות שנקבעו מראש על כל המכשירים המחוברים ולמקד את אזור המוח של עניין.
הערה: בהתאם לשאלת המחקר, ניתן לציין אזורי גידול או מוח כמוקד יחיד או כצורה נפחית, כפי שמוצג באיור 2.
הפעל microbubbles כמתואר על ידי היצרן. להזריק בולוס אחד של 120 μL (5.4 מיקרוגרם) של microbubbles.
לשטוף את קטטר וריד הזנב עם מלוחים כדי לבדוק את פתיחת הקטטר.
להזריק את microbubbles ולהתחיל את ההסתבכות.
הקלט קיבוץ מיקרו-בובל עם ההידרופון של המחט.
לנהל סוכן ניגודיות תוך וסקולרי או תרופה לאחר sonoporation. המינון, העיתוי והתכנון תלויים במטרת המחקר והתרופה.
הערה: כחול אוונס הוא סוכן צבע נפוץ להעריך BBB פתיחת⁴¹.
לפקח על החיה עד לנקודת הזמן שנקבעה מראש או לפני נקודת הקצה ההומנית.

4. ניתוח של cavitation microbubble

הערה: כאן מתואר ההליך החל, אשר מתאים ניסויים vivo עבור SF₆-phospholipid microbubbles עם קוטר ממוצע של 2.5 מיקרומטר (80% של בועות מתחת 8 מיקרומטר) נרגש עם דופק פרץ טון של 10 ms משך בתדירות של 1 MHz, כפי שהוצע במקור על ידי McDannold ואח^'.

Fourier-להפוך את אות PCD מוקלט מקבוצת הזמן לתוך תחום התדירות.
שלב את העוצמה הספקטרלית המתקבלת לגילוי יציבות של cavitation סביב^{ההרמוניה} השנייה^{והשלישית} (± 50 קילו-הרץ), כפי שמוצג באיור 3 (תיבה ירוקה ב- 2 ו- 3 מגה-הרץ).
שלבו את העוצמה הספקטרלית לגילוי קוויציה אינרציאלי, בין התדר הראשי, ההרמוניה^{2 nd},^3rd, ^ה- 1 st ו- 2^nd ultraharmonic והתת-הרמוני הראשון (± 150 קילו-הרץ), כפי שמוצג באיור 3 (תיבות אדומות).
שלב את העוצמה הספקטרלית סביב התדר העקרוני (1 מגה-הרץ ± 50 קילו-הרץ) לנורמליזציה של אותות PCD שהושגו בעבר.
הערה: אות ה-PCD, עבור מיקרו-בועות SF₆-פוספוליפידים בניסויי vivo במהירות של 1 מגה-הרץ, אינו מציג אולטרה-הרמוניה או תת-הרמוניה לפני שההתלכדות האינרטיבית מופיעה, כפי שמוצג באיור 3.

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

תוצאות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

מערכת FUS המתוארת (איור 1 ואיור 2) וזרימת העבודה המשויכת שימשו ביותר מ-100 בעלי חיים והפיקו נתונים הניתנים לשחזור הן על עכברים בריאים והן על עכברים הנושאים גידולים. בהתבסס על cavitation נרשם ואת הצפיפות הספקטרלית בהרמוניה ברגע השיא של הזרקת בולוס microbubble, הכוח הספקטרלי של כל תדר ניתן לחשב באמצעות ניתוח פורייה כפי שהוסבר בשלב 4 של הפרוטוקול. בהתבסס על הפרוטוקול האקוסטי (1 מגה-הרץ, משך פעימה של 10 אלפיות השנייה) עם MI של 0.4 בשילוב עם microbubbles, ספקטרום הכו...

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

דיון

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

במחקר זה, פיתחנו מערכת FUS מבוססת תמונה חסכונית עבור שיבוש BBB חולף לאספקת תרופות מוגברת לתוך parenchyma המוח. המערכת נבנתה ברובה עם רכיבים מסחריים זמינים בשילוב עם רנטגן ו- BLI. המודולריות של העיצוב המוצע מאפשרת שימוש במספר שיטות הדמיה לתכנון והערכה בתזומות עבודה בעלות תפוקה גבוהה. המערכת יכולה להיות משולבת עם אופנים מקיפים יותר ברזולוציה גבוהה הדמיה תלת-ממדית, למשל MRI ברזולוציה גבוהה או מיקרו-CT, ואילו עבור החלק הארי של המחקר 2D הדמיה אופנים כגון רנטגן 2D ו / או BLI משמשים. רנטגן דו מימדי ו/או BLI הם שניהם הרבה יותר ח...

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

גילויים

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פרויקט זה מומן על ידי KWF-STW (אספקת סמים על ידי Sonoporation בילדות מפוזרת פנימית פונטין Glioma ו Glioma בדרגה גבוהה). אנו מודים לאליה סקצ'קוב וצ'ארלס מוגנות על תשומת ליבם בפיתוח המערכת.

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

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
1 מ"ל מזרק luer-lock	בקטון דיקינסון	309628	פלסטיפאק
19 גרם מחט	Terumo Agani	8AN1938R1
23 G מחט	Terumo Agani	8AN2316R1
3M סרט כירורגי Transpore מדע	מיושם על חיים	7000032707	או דומה
מחולל צורות גל שרירותי	Siglent	n.a.SDG1025	, 25 מגה-הרץ, 125 Msa/s
סטריאוטאקט אוטומטי	נבנה בבית	n.a.Stereotact	עם כל האלמנטים נבנו בבית
Bruker In-Vivo Xtreme	Bruker	n.a.כולל	תוכנה
Buffered NaCl solution	B. Braun Melsungen AG	220/12257974/110
Buprenorfine hydrochloride	Indivior UK מוגבל	n.a.0.324	מ"ג
העשרה בכלוב: עיסת נייר בית חכם	שירותי ביו	n.a.מסנן
פחמן	ביקפורד	NC0111395	Omnicon f/air
כף קרמיקה	n.a.a.צמר
גפן
, מלח אשלגן	זהב ביוטכנולוגיה	LUCK-1
אתנול	VUmc בית מרקחת	n.a.70	%
אוונס בלו	סיגמא אולדריץ'	E2129
Fresenius NaCl 0.9%	Fresenius Kabi	n.a.NaCl	0.9%, 1000 מ"ל
היסטואקריל	בראון כירורגי	n.a.Histoacryl	0.5 מ"ל
הידרופון	אקוסטיקה מדויקת	n.a.מזרק
אינסולין	בקטון דיקינסון	324825/324826	0.5 מ"ל ו-0.3 מ"ל
איזופלורן	TEVA Pharmachemie BV	8711218013196	250 מ"ל
קטמין	אלפסן	n.a.10%,	10 מ"ל
מזון עכברים: Teklad גלובלית 18% חלבון דיאטת מכרסמים	Envigo	2918-11416M
קטטר ניאופלון	בקטון דיקינסון	391349	26 GA 0.6 x 19 מ"מ
אוסצילוסקופ	טכנולוגיות Keysight	n.a.InfiniiVision	DSOX024A
צינורות פלסטיק	גריינר ביו-וואן	210261	50 מ"ל
מגבר כוח אלקטרוניקה	& חדשנות בע"מ	210L	דגם 210L
קדם מגבר DC מצמד	אקוסטיקה מדויקת	n..	מספר סידורי: DCPS94
מספריים	Sigma Aldrich	S3146-1EA	או דומה
Sedazine	AST Farma	n.a.2	%
SonoVue microbubbles	Bracco	n.a.8	µ l/ml
מים סטריליים	Fresenius Kabi	n.a.1000	mL
מזרק	n.a.n.a.a.ניתן		להשתמש במזרקים שונים
Temgesic	Indivior UK מוגבל	n.a.0.3 mg/ml
מתמר	אקוסטיקה מדויקת	n.a.1	MHz
פינצטה	Sigma Aldrich	F4142-1EA	או
ג'ל אולטרסאונד	מעבדות פרקר בע"מ	01-02	Aquasonic 100
Vidisic gel	Bausch + Lomb	n.a.10	גרם

n.a.n.a.D-לוציפרין דומה

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

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. Brainstem blood brain barrier disruption using focused ultrasound: A demonstration of feasibility and enhanced doxorubicin delivery. Journal of Controlled Release. 281, 29-41 (2018).
Burgess, A., Hynynen, K. Noninvasive and targeted drug delivery to the brain using focused ultrasound. ACS Chemical Neuroscience. 4 (4), 519-526 (2013).
Meng, Y., et al. Safety and efficacy of focused ultrasound induced blood-brain barrier opening, an integrative review of animal and human studies. Journal of Controlled Release. 309, 25-36 (2019).
Darrow, D. P. Focused Ultrasound for Neuromodulation. Neurotherapeutics. 16 (1), 88-99 (2019).
Zhou, Y. F. High intensity focused ultrasound in clinical tumor ablation. World Journal of Clinical Oncology. 2 (1), 8-27 (2011).
O'Reilly, M. A., Hough, O., Hynynen, K. Blood-Brain Barrier Closure Time After Controlled Ultrasound-Induced Opening Is Independent of Opening Volume. Journal of Ultrasound in Medicine. 36 (3), 475-483 (2017).
Mainprize, T., et al. Blood-Brain Barrier Opening in Primary Brain Tumors with Non-invasive MR-Guided Focused Ultrasound: A Clinical Safety and Feasibility Study. Scientific Reports. 9 (1), 321(2019).
Dasgupta, A., et al. Ultrasound-mediated drug delivery to the brain: principles, progress and prospects. Drug Discovery Today: Technologies. 20, 41-48 (2016).
O'Reilly, M. A., Waspe, A. C., Chopra, R., Hynynen, K. MRI-guided disruption of the blood-brain barrier using transcranial focused ultrasound in a rat model. Journal of Visualized Experiments. (61), (2012).
McDannold, N., Vykhodtseva, N., Hynynen, K. Targeted disruption of the blood-brain barrier with focused ultrasound: association with cavitation activity. Physics in Medicine & Biology. 51 (4), 793(2006).
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 in Medicine and Biology. 34 (5), 834-840 (2008).
Sun, T., et al. Closed-loop control of targeted ultrasound drug delivery across the blood-brain/tumor barriers in a rat glioma model. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114 (48), 10281-10290 (2017).
Lipsman, N., et al. Blood-brain barrier opening in Alzheimer's disease using MR-guided focused ultrasound. Nature Communications. 9 (1), 2336(2018).
Carpentier, A., et al. Clinical trial of blood-brain barrier disruption by pulsed ultrasound. Science Translational Medicine. 8 (343), 342(2016).
Chopra, R., Curiel, L., Staruch, R., Morrison, L., Hynynen, K. An MRI-compatible system for focused ultrasound experiments in small animal models. Medical Physics. 36 (5), 1867-1874 (2009).
Kinoshita, M., McDannold, N., Jolesz, F. A., Hynynen, K. Targeted delivery of antibodies through the blood–brain barrier by MRI-guided focused ultrasound. Biochemical and Biophysical Research Communications. 340 (4), 1085-1090 (2006).
Larrat, B., et al. MR-guided transcranial brain HIFU in small animal models. Physics in Medicine & Biology. 55 (2), 365(2009).
Contag, C. H., Jenkins, D., Contag, P. R., Negrin, R. S. Use of reporter genes for optical measurements of neoplastic disease in vivo. Neoplasia. 2 (1-2), New York, NY. 41(2000).
Choi, J. J., Pernot, M., Small, S. A., Konofagou, E. E. Noninvasive, transcranial and localized opening of the blood-brain barrier using focused ultrasound in mice. Ultrasound in Medicine & Biology. 33 (1), 95-104 (2007).
Bing, C., et al. Trans-cranial opening of the blood-brain barrier in targeted regions using astereotaxic brain atlas and focused ultrasound energy. Journal of Therapeutic Ultrasound. 2 (1), 13(2014).
Marquet, F., et al. Real-time, transcranial monitoring of safe blood-brain barrier opening in non-human primates. PloS One. 9 (2), (2014).
Anastasiadis, P., et al. characterization and evaluation of a laser-guided focused ultrasound system for preclinical investigations. Biomedical Engineering Online. 18 (1), 36(2019).
Liu, H. L., Pan, C. H., Ting, C. Y., Hsiao, M. J. Opening of the blood-brain barrier by low-frequency (28-kHz) ultrasound: a novel pinhole-assisted mechanical scanning device. Ultrasound in Medicine & Biology. 36 (2), 325-335 (2010).
Zhu, L., et al. Focused ultrasound-enabled brain tumor liquid biopsy. Scientific Reports. 8 (1), 1-9 (2018).
Bader, K. B., Holland, C. K. Gauging the likelihood of stable cavitation from ultrasound contrast agents. Physics in Medicine & Biology. 58 (1), 127(2012).
Neppiras, E. Acoustic cavitation series: part one: Acoustic cavitation: an introduction. Ultrasonics. 22 (1), 25-28 (1984).
Aryal, M., Arvanitis, C. D., Alexander, P. M., McDannold, N. Ultrasound-mediated blood-brain barrier disruption for targeted drug delivery in the central nervous system. Advanced Drug Delivery Reviews. 72, 94-109 (2014).
Tung, Y. S., Choi, J. J., Baseri, B., Konofagou, E. E. Identifying the inertial cavitation threshold and skull effects in a vessel phantom using focused ultrasound and microbubbles. Ultrasound in Medicine & Biology. 36 (5), 840-852 (2010).
Arvanitis, C. D., Livingstone, M. S., Vykhodtseva, N., McDannold, N. Controlled ultrasound-induced blood-brain barrier disruption using passive acoustic emissions monitoring. PloS One. 7 (9), (2012).
Tsai, C. H., Zhang, J. W., Liao, Y. Y., Liu, H. L. Real-time monitoring of focused ultrasound blood-brain barrier opening via subharmonic acoustic emission detection: implementation of confocal dual-frequency piezoelectric transducers. Physics in Medicine & Biology. 61 (7), 2926(2016).
Chen, W. S., Brayman, A. A., Matula, T. J., Crum, L. A. Inertial cavitation dose and hemolysis produced in vitro with or without Optison. Ultrasound in Medicine & Biology. 29 (5), 725-737 (2003).
Qiu, Y., et al. The correlation between acoustic cavitation and sonoporation involved in ultrasound-mediated DNA transfection with polyethylenimine (PEI) in vitro. Journal of Controlled Release. 145 (1), 40-48 (2010).
Sun, T., Jia, N., Zhang, D., Xu, D. Ambient pressure dependence of the ultra-harmonic response from contrast microbubbles. The Journal of the Acoustical Society of America. 131 (6), 4358-4364 (2012).
Rehemtulla, A., et al. Rapid and quantitative assessment of cancer treatment response using in vivo bioluminescence imaging. Neoplasia. 2 (6), 491-495 (2000).
Puaux, A. L., et al. A comparison of imaging techniques to monitor tumor growth and cancer progression in living animals. International Journal of Molecular Imaging. 2011, (2011).
Wu, S. K., et al. Characterization of different microbubbles in assisting focused ultrasound-induced blood-brain barrier opening. Scientific Reports. 7, 46689(2017).
van den Broek, M. P., Groenendaal, F., Egberts, A. C., Rademaker, C. M. Effects of hypothermia on pharmacokinetics and pharmacodynamics. Clinical Pharmacokinetics. 49 (5), 277-294 (2010).
Paxinos, G., Franklin, K. B. Paxinos and Franklin's the mouse brain in stereotaxic coordinates. , Academic press. (2019).
Saunders, N. R., Dziegielewska, K. M., Møllgård, K., Habgood, M. D. Markers for blood-brain barrier integrity: how appropriate is Evans blue in the twenty-first century and what are the alternatives. Frontiers in Neuroscience. 385, 385(2015).
Yao, L., Xue, X., Yu, P., Ni, Y., Chen, F. Evans blue dye: a revisit of its applications in biomedicine. Contrast Media & Molecular Imaging. 2018, (2018).
Caretti, V., et al. Monitoring of tumor growth and post-irradiation recurrence in a diffuse intrinsic pontine glioma mouse model. Brain Pathology. 21 (4), 441-451 (2011).
Yoshimura, J., Onda, K., Tanaka, R., Takahashi, H. Clinicopathological study of diffuse type brainstem gliomas: analysis of 40 autopsy cases. Neurologia Medico-Chirurgica. 43 (8), 375-382 (2003).
Yang, F. Y., et al. Micro-SPECT/CT-based pharmacokinetic analysis of 99mTc-diethylenetriaminepentaacetic acid in rats with blood-brain barrier disruption induced by focused ultrasound. Journal of Nuclear Medicine. 52 (3), 478-484 (2011).
Sirsi, S., Borden, M. Microbubble compositions, properties and biomedical applications. Bubble Science, Engineering & Technology. 1 (1-2), 3-17 (2009).
Greis, C. Technology overview: SonoVue. European Radiology. 14, Bracco, Milan. 11-15 (2004).
Schneider, M. Characteristics of sonovue. Echocardiography. 16, 743-746 (1999).
Talu, E., Powell, R. L., Longo, M. L., Dayton, P. A. Needle size and injection rate impact microbubble contrast agent population. Ultrasound in Medicine & Biology. 34 (7), 1182-1185 (2008).
Pinton, G., et al. Attenuation, scattering, and absorption of ultrasound in the skull bone. Medical Physics. 39 (1), 299-307 (2012).
Constantinides, C., Mean, R., Janssen, B. J. Effects of isoflurane anesthesia on the cardiovascular function of the C57BL/6 mouse. ILAR journal/National Research Council, Institute of Laboratory Animal Resources. 52, 21(2011).
McDannold, N., Zhang, Y., Vykhodtseva, N. The effects of oxygen on ultrasound-induced blood-brain barrier disruption in mice. Ultrasound in Medicine & Biology. 43 (2), 469-475 (2017).
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 in Medicine and Biology. 37 (8), 1259-1270 (2011).

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

Focused Ultrasound Blood Brain Barrier Stereotactic Navigation Microbubble Cavitation High Throughput System Image Guided Targeting Preclinical Drug Evaluation Rodent Models Glioblastoma Treatment Automated Workflow

נוירון סטראוטקטי מונחה תפוקה גבוהה ומערכת אולטרסאונד ממוקדת לפתיחת מחסום דם-מוח במכרסמים

במאמר זה

סיכום

תקציר

מבוא

פרוטוקול

תוצאות

דיון

גילויים

תודות

חומרים

מקורות

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

מאמרים קשורים