נוירון סטראוטקטי מונחה תפוקה גבוהה ומערכת אולטרסאונד ממוקדת לפתיחת מחסום דם-מוח במכרסמים
16 ביולי 2020
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.
גליומות בדרגה גבוהה כגון גליומה פונטינית פנימית מפוזרת הן גידולים פולשניים ביותר עם תמותה גבוהה. למרות שנים של מחקר מקיף, מחסום הדם-מוח הוא היבט חשוב מכיוון שכימותרפיה אינה מסוגלת להגיע ביעילות למוח. למרבה המזל, אולטרסאונד ממוקד מסוגל לפתוח באופן זמני ומקומי את מחסום הדם-מוח לטיפולים יעילים.
פיתחנו מערכת אולטרסאונד ממוקדת קטנה וחסכונית לשיבוש מחסום הדם-מוח. מערכת זו בנויה עם רכיבים זמינים מסחרית ועם רמה גבוהה של אוטומציה, היא מאפשרת מחקרי הערכת תרופות פרה-קליניים. רפואה מדויקת מוגדרת כתרופה הנכונה במינון הנכון לחולה הנכון בזמן הנכון.
כדי להשיג זאת, יש לבדוק תרופות רבות שנבחרו מראש. מערכת האולטרסאונד הממוקדת הקומפקטית שלנו לתפוקה גבוהה לשיבוש מחסום הדם-מוח מאפשרת לנו לעשות בדיוק את זה. ידגימו את ההליך ריאן האומן ואלווין טי הארט, שני דוקטורנטים מקבוצת המחקר שלי.
זרימת העבודה עבור אולטרסאונד ממוקד ניווט נוירולוגי סטריאוטקטי מונחה תמונה כוללת הדמיה התערבותית וצימוד אקוסטי לסונופורציה בפלטפורמת האולטרסאונד. לאחר מכן, ניתן לבצע הדמיית מעקב. בחר מתמר מתאים על פי דרישות הניסוי המתוכנן.
הנח אותו בקונוס מודפס בתלת מימד מלא במים נטולי גז וסגור בתחתיתו עם קרום מיילר שקוף אקוסטית. חבר את המתמר למחולל פונקציות ולכוח ampחיים יותר. התקן את המתמר על שלב ליניארי ממונע למיקום אנכי אוטומטי וחבר אותו למגבר ההספק.
השתמש בפלטפורמה סטריאוטקטית ניתנת להסרה הכוללת חימום מווסת טמפרטורה, מוטות נשיכה ואוזניים, הרדמה וסמני נאמנות רב-מודאליים. חבר את הפלטפורמה לשלב הליניארי הדו-ממדי. לפני שניתן יהיה להשתמש במערכת FUS, כייל אותה וקבע את נקודת המיקוד של המתמר.
נקודת המיקוד תואמת את המיקום האנכי של החיה על הפלטפורמה הסטריאוטקטית. התאקלמו במתקן לפחות שבוע לאחר הגעתם ושקלו אותו באופן קבוע. ביום הניסוי יש לתת בופרנורפין בזריקה תת עורית 30 דקות לפני הטיפול ב-FUS.
לאחר הרדמת העכבר, יש למרוח משחת עיניים למניעת יובש בעיניים. במידת הצורך, הסר את השיער בחלק העליון של ראש החיה בעזרת סכין גילוח וקרם אפילציה. שטפו את העור במים כדי להסיר שאריות.
לניסויים במודלים של גידול BLI, יש להזריק 150 מיקרוליטר של D-luciferin תוך צפקי עם מזרק אינסולין בגודל 29. למתן מיקרו-בועות לפתיחת BBB, הכנס קטטר וריד זנב בגודל 26 עד 30 ושטוף את הווריד בנפח קטן של תמיסת הפרין. אבטח את הקטטר עם סרט טישו כדי למנוע ניתוק.
אם הצנתור הצליח, מלאו את הקטטר בתמיסת הפרין כדי למנוע קרישת דם. הנח את החיה על הפלטפורמה הסטריאוטקטית המווסתת את הטמפרטורה כדי למנוע היפותרמיה. תקן את ראש החיה באמצעות מוט נשיכה ומוטות אוזניים והדביק את הזנב והצנתר לפלטפורמה.
תקן את גוף העכבר בעזרת רצועה. מקם את הפלטפורמה הסטריאוטקטית עם העכבר המותקן בשיטת ההדמיה וצלם תמונות של החיה. קבע אם החיה ממוקמת נכון על הרציף.
סמן את מיקום החיה באמצעות סמני הנאמנות הרב-מודאליים בשילוב עם צינור עיבוד התמונה בהתאם לנקודת המיקוד של המתמר. קבע את אזור המטרה על ידי הצבת מתאר מוחי מעל תמונת הרנטגן הנרכשת או על ידי שימוש בתמונות BLI כדי לקבוע את מרכז הגידול. לפני מיקום המתמר, הגן על הנחיריים והפה של החיה באמצעות סרט כדי למנוע מג'ל אולטרסאונד להפריע לנשימה.
מרחו ג'ל אולטרסאונד על גבי ראש העכבר להולכת קול תקינה. הקלט קוויטציה של מיקרו-בועות עם הידרופון המחט, הממוקם בסביבה הישירה של העצם העורפית. בהתבסס על ערכי הכיול, הנח את המתמר למיקום הנכון מעל החיה.
החילו הגדרות מוגדרות מראש על כל המכשירים המחוברים כדי להתמקד באזור המוח המעניין. לאחר הצבת המתמר במיקום הנכון, ממיסים והפעל את המיקרו-בועות כמתואר על ידי היצרן. לפני הזרקת מיקרו-בועות, שטוף את קטטר וריד הזנב במי מלח כדי לאשר גישה לווריד הזנב.
התחל את מסלול הסוניקציה והזריק בו זמנית את המיקרו-בועות. במקביל, הידרופון המחט יזהה ויאמת קוויטציה של מיקרו-בועות בזמן אמת. אם תרצה, יש לתת חומר ניגוד תוך-וסקולרי או תרופה לאחר סונופורציה.
עקוב אחר החיה עד לנקודת זמן שנקבעה מראש. לחץ אקוסטי עם אינדקס מכני של 0.4 בשילוב עם מיקרו-בועות סיפק אמצעי רגיש ואמין מאוד לזיהוי קוויטציה יציבה בהשוואה לאי זיהוי תת-הרמוניות כאשר לא הוזרקו מיקרו-בועות או תצפית על קוויטציה אינרציאלית כאשר הופעל MI של 0.6. בעוד שלחץ אקוסטי עם MI של עד 0.6 לא הביא לנזק מקרוסקופי, נזק מיקרוסקופי הוכח היסטולוגית ב-MI של 0.6.
משרעת לחץ עם MI של 0.8 הביאה לדימום מוחי מקרוסקופי של כלי דם גדולים יותר וליזיס רקמות נרחב עם אקסטרוואזציה של אריתרוציטים. אוונס כחול תוך ורידי הוזרק כדי לאמת את פתיחת ה-BBB באזור הפונטין. אקסטרוואזציה של אלבומין מצומד כחול של אוונס נצפתה ברמת הפונס והמוח הקטן בעכבר שטופל ב-FUS ומיקרו-בועות המדגימות מיקוד מדויק של אזור העניין.
השלבים החשובים ביותר בפרוטוקול זה הם המיקום הנכון של קטטר וריד הזנב, מיקום ומיקוד החיה, והזרקת מיקרו-בועות עם אולטרסאונד ממוקד עם זיהוי קוויטציה. מערכת אולטרסאונד ממוקדת מתוצרת עצמית זו ניתנת להתאמה ולעיצוב מחדש לשאלות מחקר מרובות, זאת תוך היותה חסכונית ובעלת זרימת עבודה אוטומטית, מה שהופך אותה למתאימה לחוקרים חסרי ניסיון יחסית.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה
מחקר זה מציג פרוטוקול תפוקה גבוהה להפרעה זמנית של מחסום הדם-מוח (BBB) באמצעות מערכת אולטרה-סאונד ממוקדת (FUS) מודולרית. על ידי שימוש בסונופורציה מתווכת מיקרו-בועיות, טכניקה זו מאפשרת מסירה יעילה של טיפולים למצבים כמו גליומות המעוכבים על ידי ה-BBB. המתודולוגיה מתוכננת לנגישות, ומאפשרת ללא מומחים ליישם פתיחת BBB in vivo.
רכיבי מחקר מרכזיים
תחום המדע
- מדעי המוח
- הנדסה ביו-רפואית
- מסירת טיפול
רקע
- גליומות מדרגה גבוהה הן גידולים פולשניים במיוחד עם אפשרויות טיפול מוגבלות בגלל ה-BBB.
- אולטרה-סאונד ממוקד צץ כשיטה מבטיחה להפרעת ה-BBB.
- יש צורך במכשירים יעילים מבחינת עלות שניתן להפעילם בקלות על ידי לא מומחים.
- הפרוטוקול המתואר כאן נועד לחזק את מחקרי הערכת התרופות טרום-קליניות.
מטרת המחקר
- פיתוח מערכת FUS בתפוקה גבוהה להפרעת ה-BBB.
- הקלה על סינון של תרופות שנבחרו מראש ליישומים של רפואה מדוייקת.
- הדגמה של הנוהל ביעילות באמצעות מערכת אוטומטית.
שיטות ששימשו
- מערכת אולטרה-סאונד ממוקדת מודולרית שימשה לניסויים in vivo.
- נעשה שימוש בדגמי עכברים כדי לחקור את הפרעת ה-BBB ומסירת חומרים טיפוליים.
- התהליך כולל הדמיה התערבותית וצימוד אקוסטי לסונופורציה.
- צעדים קריטיים כוללים התאקלמות של בעלי החיים, מתן הרדמה, ביצוע צנתור והתמקמות מדוייקת של מתמר האולטרה-סאונד.
תוצאות עיקריות
- הנוהל הדגים באופן אמין את היכולת להגביר את מסירת התרופות דרך ה-BBB.
- גילוי קביטציה של מיקרו-בועיות היה חיוני לניטור יעילות הטיפול.
- תוצאות כמותיות אישרו את הלוקליזציה המדוייקת של הפרעת ה-BBB.
- נמדדו השפעות מערכתיות לאחר יישום האולטרה-סאונד, תוך הוכחת בטיחות ויעילות.
מסקנות
- מחקר זה קובע שיטה מעשית ויעילה להפרעת ה-BBB, ומאפשר התערבות טיפולית משופרת.
- מערכת ה-FUS הניתנת להתאמה אישית מספקת בסיס למחקר נוסף בתחום מסירת תרופות וטיפול במחלות מערכת העצבים המרכזית.
- התובנות שהושגו יכולות לקדם את ההבנה של רפואה מדוייקת ומיקוד טיפולי במצבים נוירולוגיים.
שאלות נפוצות
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.
