Articolo metodologico

MRI-guidato Interruzione della barriera emato-encefalica transcranica con ultrasuoni focalizzati in un modello murino

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DOI:

10.3791/3555

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13 marzo 2012

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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

In questo articolo

Sommario

Microbolle-mediata interruzione ultrasuoni focalizzati della barriera ematoencefalica (BBB) ​​è una tecnica promettente per non invasiva somministrazione di farmaci mirati nel cervello 1-3. Questo protocollo descrive la procedura sperimentale per la MRI-guidato interruzione transcranica BBB in un modello murino.

Abstract

Focused Ultrasound (FUS) a un'interruzione della barriera emato-encefalica (BBB) ​​è una tecnica sempre più indagato per aggirare il 1-5 BBB. Il BBB è un ostacolo significativo per trattamenti farmacologici dei disturbi cerebrali quanto limita il passaggio delle molecole dalla vascolatura nel tessuto cerebrale di molecole meno di circa 500 Da dimensioni 6. FUS perturbazione indotta BBB (BBBD) è temporanea e reversibile 4 e ha un vantaggio rispetto chimica mezzo per indurre BBBD essendo altamente localizzata. FUS indotta BBBD fornisce un mezzo per verificare gli effetti di una vasta gamma di agenti terapeutici nel cervello, che non sarebbero altrimenti essere erogabili per il tessuto in concentrazione sufficiente. Mentre una vasta gamma di parametri ecografici si sono dimostrate efficaci a interrompere il BBB 2,5,7, ci sono diversi passaggi critici nella procedura sperimentale per garantire interruzioni di successo con la destinazione precisa. Questo protoccontorni olo come raggiungere MRI-guida FUS indotte BBBD in un modello murino, con un focus sulla preparazione degli animali critico e le fasi di manipolazione microbolle dell'esperimento.

Protocollo

1. L'ecografia e la risonanza magnetica Setup

Una risonanza magnetica compatibile con tre assi ultrasuoni focalizzati è stato utilizzato in questo studio (FUS Instruments, Inc., Toronto, Ontario, Canada). Due trasduttori di ultrasuoni sono stati utilizzati differenti: uno in casa costruita 551,5 kHz sfericamente focalizzato trasduttore (raggio di curvatura = 60 mm, diametro esterno = 75 mm, diametro interno = 20 mm), e un 1,503 MHz, 8-settore matrice con integrato PZT idrofono (Imasonic Inc., Voray-sur-L'Orgnon, Francia), guidato come un unico elemento trasduttore sferico concentrato (FN = 0.8, apertura = 10 cm). Una risonanza magnetica compatibile PVDF ricevitore 8 è stato utilizzato per registrare le emissioni acustiche quando il trasduttore 551,5 kHz è stato utilizzato. Se si utilizza attrezzature diverse, vengono proposte le seguenti:

  1. Selezionare un appropriato, trasduttore ad ultrasuoni calibrato con una frequenza centrale nella gamma di 0,25 MHz -1,5 MHz e un numero f (raggio di curvatura / apertura) di 1 o meno.
  2. Posizionare un bagno d'acqua firiempito con acqua calda, degasato, acqua deionizzata sul letto di un 1,5 T e 3 T MRI. Il bagno d'acqua dovrebbe avere un top-plate che può contenere gli animali. Montare il trasduttore di ultrasuoni nel serbatoio in un MRI compatibile tre assi fasi di posizionamento o sistema 9, rivolta verso la superficie dell'acqua.
  3. Eseguire il cavo del trasduttore alle apparecchiature di guida ad ultrasuoni attraverso un pannello di penetrazione.
  4. Generare il segnale di pilotaggio del trasduttore utilizzando un generatore di funzione e amplificatore di potenza. Utilizzare un circuito esterno corrispondenza di minimizzare la potenza riflessa elettrica.
  5. Conoscendo la lunghezza focale del trasduttore, posizionare il trasduttore di messa a fuoco sulla superficie dell'acqua e sonicare la superficie dell'acqua per generare una fontana di acqua visibile. Fasi 1.6 e 1.7 descrivono come registrare la messa a fuoco utilizzando la fontana d'acqua generato. Un metodo più preciso per localizzare la messa a fuoco, che comporta uno sonicazione gel di assorbimento di calore e di imaging dell'aumento di temperatura risultante al fuoco con MRI, può essere trovato in 9 </ Sup>.
  6. Segnare la posizione della messa a fuoco con un pennarello che sarà visibile sulle immagini RM. Ciò può essere fatto utilizzando una piastra con un foro centrale che si riempie di acqua viene posizionato sopra il fuoco. L'acqua-riempita foro sarà visibile in MRI e fornirà coordinate focali in due piani, mentre la coordinata nella direzione assiale del trasduttore può essere determinata dalla superficie dell'acqua.
  7. Utilizzo di un 3-piano sequenza localizzatore, l'immagine del marcatore fuoco e registrare la posizione del fuoco nel sistema di coordinate MRI.
  8. Per controllare le emissioni acustiche, montare un MR-compatibile 8 idrofoni che viene utilizzata come rivelatore cavitazione passiva (PCD) in bagno d'acqua diretta al fuoco trasduttore, o utilizzare un trasduttore con idrofono integrato.
  9. Far passare i cavi PCD su una scheda di ambito che è sufficientemente veloce per catturare raffiche fino a 10 ms a PRFs fino a 2 Hz (ad esempio ATS460, AlazarTech, Pointe-Claire, Quebec, Canada). I cavi devono essere messi a terra al penestrazione pannello o schermatura RF per minimizzare il rumore.

2. Preparazione degli animali

  1. Anestetizzare gli animali che utilizzano gas isofluorano. Poiché isofluorano ha un effetto sulla disgregazione BBB 10, gli animali devono essere tolti i gas 10 minuti prima dell'inizio dell'esperimento. Luogo unguento lubrificante oculare in ciascun occhio all'inizio di anestesia per proteggere la cornea da essiccazione o altre lesioni.
  2. L'utilizzo di un rasoio elettrico accorciare il pelo dalla parte superiore della testa dell'animale e del collo, quindi rimuovere il pelo rimanente utilizzando una crema depilatoria (ad esempio Nair, Church & Dwight Co., Princeton, NJ, USA) e risciacquare il cuoio capelluto con sapone neutro e acqua.
  3. Preparare la coda con uno scrub della pelle betadine seguito da un lavaggio bridine. Eseguire un Wipedown finale con l'alcol, al fine di visualizzare la vena della coda.
  4. Inserire un catetere calibro 22 con 3-rubinetto a tre vie nella vena della coda e lavare con una miscela di eparina / soluzione salina (33 U / mL) per prevenire la formazione del coagulonel catetere.
  5. Fornire anestetici iniettabili ketamina (40-50 mg / kg, 10 mg / kg xilazina) tramite iniezione intramuscolare, e rimuovere l'animale dal isofluorano.
  6. Posizionare il supina anestetizzato animale sul sistema di posizionamento ultrasuoni con la sommità della testa contatto bagnomaria attraverso un foro nella piastra superiore (Fig.1). Una piccola quantità di gel ultrasuoni forse applicato alla parte superiore della testa dell'animale per ridurre al minimo il rischio di bolle d'aria intrappolate.
  7. Nastro le gambe per il sistema di posizionamento. La testa può essere tenuta in posizione utilizzando una barra di morso, se disponibile, o nastro adesivo collocato saldamente in tutto il mento.
  8. Coprire l'animale con un asciugamano e una coperta circolazione acqua per mantenerlo caldo.

3. Obiettivo di selezione

  1. Acquisire basale assiale T 2-pesate e T 1-pesate immagini RM del cervello. Se si utilizza una risonanza magnetica 1,5 T e dedicato la testa di dimensioni ricezione RF-bobina di superficie, adatto scun parametri potrebbero essere:

    T 2 ponderata: FSE, TE = 60 ms, TR = 2000 ms
    T 1 pesata: FSE, TE = 10 ms, TR = 500 ms

  2. Selezionare il bersaglio dalla T 2-pesate, evitando i ventricoli e la linea mediana del cervello, e selezionando un mesencefalo profondità.
  3. Spostare lo stato attivo trasduttore nel percorso di destinazione.

4. Preparazione microbolle

Microbolle DEFINITY (Lantheus Medical Imaging, MA, USA) sono utilizzati da diversi gruppi per FUS mediate microbolle indotte BBBD 2,5,7. Dosaggi appropriati per gli altri tipi di microbolle possono trovare nella letteratura 11,12.

  1. Attivare le microbolle DEFINITY e lentamente elaborare un piccolo volume in una siringa da 1 ml con un ago calibro 18.
  2. Rimuovere aria intrappolata dalla siringa delicatamente spostando lo stantuffo avanti e indietro. Non toccare la siringa in quanto può rompere le bolle.
  3. Diluire il Definity nella normale soluzione salina in un rapporto di 10:1 salina Definty iniettando lentamente il volume richiesto di Definity in una siringa di soluzione fisiologica. Se una consegna infusione viene utilizzato, il Definity può essere ulteriormente diluita, a 50:1 o 100:1.
  4. Capovolgere delicatamente la siringa per mescolare completamente l'Definity e alle nebbie saline fino ad un aspetto ancora è raggiunto. Inversione della siringa immediatamente prima dell'iniezione può essere necessaria anche se le bolle hanno cominciato a galleggiare di sospensione.
  5. Calcolare il volume richiesto dosaggio in base a 0,02 ml / kg di Definity, o 0,2 mL / kg della soluzione (a 10:1 diluizione).

5. Ecografia di consegna

  1. Impostare i parametri sonicazione, utilizzando bassi scoppia duty cycle, non sonications onda continua. Sonicazione parametri adeguati a 0,5 MHz è 0,23 MPa di pressione situ, 10 ms scoppia a 1 Hz PRF, 2 min. sonicazione tempo totale. A 1,5 MHz appropriato in situ pressioni cadono attorno 0,45-0,5 MPa.
_content "> pressioni appropriate a diverse frequenze può essere stimato utilizzando un indice di 0,46 meccanica 13.

  1. Verificare che la testa dell'animale è ancora accoppiata all'acqua.
  2. Iniettare le microbolle lentamente nella vena della coda del catetere e lavare con 0,5 ml di soluzione salina normale. Iniziare la sonicazione contemporaneamente con l'inizio dell'iniezione.

6. Valutazione risonanza magnetica l'esito del trattamento

  1. Dopo la sonicazione, iniettare un agente di contrasto MRI (ad esempio 0,2 ml / kg Omniscan, GE Healthcare) attraverso il catetere vena della coda seguita da un lavaggio 0,5 mL soluzione fisiologica.
  2. Eseguire T 1-weighted imaging fino a quando il picco di contrasto è passato. Sonicazione siti che sono stati con successo perturbazione mostrerà miglioramenti più consistenti rispetto al tessuto circostante.
  3. Eseguire T 2-weighted imaging per verificare edema. Segnale alto nei siti sonicazione è indicativo di edema.

7. RappresentanteRisultati

Agenti di contrasto per risonanza magnetica può essere consegnato con successo attraverso la BBB con ultrasuoni focalizzati e diffusione microbolle. La figura 2 mostra pre e post-tipica FUS T 1-w immagini. Figura 2B mostra un maggiore contrasto (CE) T 1-w immagine con aperture focali distinte in quattro sedi sonicati. Sonicazione posizioni 1 e 2 mostrano enhancement particolarmente brillanti. In Fig.3 posizioni 1 e 2 può essere visto anche a corrispondere con T 2-w segnale alto, indicando edema.

L'estensione della T 2-w edema a volte può essere più facilmente visualizzati su fette sagittali. Figura 4 mostra CE-1-T e T w 2-w fette sagittali mediante sonicazione posizioni 1 e 3. L'edema è visibile nella posizione 1, ma non posizione 3.

Analisi spettrale dei dati acustici acquisiti sulle emissioni (Fig.5) possono mostrare le emissioni armoniche e / o delle emissioni armoniche sub / ultra quando cavitazione stabile è che si verificano. HarmonIC possono anche derivare da tessuto non-linearità, mentre le emissioni secondarie e ultraharmonic possono verificarsi come risultato di attività bolla 14. A pressioni più elevate emissioni a banda larga che indicano la cavitazione inerziale può anche essere rilevato. Tuttavia, questi sono stati associati con una maggiore quantità di stravasi eritrocitari e microlesioni che sonications senza cavitazione inerziale 11.

L'utilizzo dei risultati sonicazione frequenze più alte in aperture più localizzati a causa delle dimensioni più piccole macchia focale. Figura 6 mostra che alte frequenze può essere utilizzato per creare piccole regioni di apertura. Ciò consente analisi degli effetti a metà del cervello con un minor numero quasi cranio effetti.

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Figura 1. Impostazione sperimentale.

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Figura 2. Pre (sinistra) e dopo (a destra) trattamento T 1-w immagini di cervello di ratto mostra enhancement in quattro sedi sonicazione.

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Figura 3. Pre (sinistra) e dopo (a destra) trattamento T 2-w immagini di cervello di ratto (come animale Fig.2) mostra T 2-w edema sonicazione in posizioni 1 e 2.

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Figura 4. Post trattamento sagittale T 1-w (sinistra) e T 2-w (destra) immagini dal cervello del ratto stesso come Figg. 2 e 3. L'apertura nella posizione 1 (a sinistra) è correlata con T 2-w edema (a destra). Posizione 3 mostra edema di apertura (a sinistra), ma non T 2-w.

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Figura 5. Spettro delle frequenze a partire dai dati acquisiti nel corso di una singola raffica 10 ms a 551,5 kHz. La frequenza fondamentale (f 0) nonché armoniche (f 2 0) e sub / ultraharmonics (0,5 f 0, 1,5 f 0) sono visibili.

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Figura 6. Post trattamento CE-T 1-w assiale (a sinistra) e sagittale (a destra) le immagini da un cervello di ratto sonicato in quattro punti a 1,503 MHz. Aperture BBB a questa frequenza sono visti per essere più localizzata.

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Discussione

Preparazione degli animali e microbolle sono gli aspetti più critici di questa procedura. I capelli sulla testa dell'animale deve essere completamente rimosso per evitare attenuazione del fascio di ultrasuoni. Il BBB può essere interrotto in isofluorano anestesia, tuttavia, diventa più difficile ottenere Dall'apertura.

Le microbolle devono sempre essere maneggiati con cura e di piccolo calibro, aghi di grande diametro deve essere utilizzato in sede di elaborazione, al fine di evitare...

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Dichiarazioni

K. Hynynen e R. Chopra sono co-fondatori del FUS Instruments, Inc. R. Chopra, A. e K. Waspe Hynynen sono azionisti in FUS Instruments, Inc. K. Hynynen riceve il sostegno alla ricerca dal FUS strumenti, Inc.

Ringraziamenti

Gli autori desiderano ringraziare Shawna Rideout-Gros e Garces Alexandra per il loro aiuto con la cura degli animali, e Wu Ping per la sua assistenza tecnica. Il supporto per questo lavoro è stato fornito dal National Institutes of Health in concessione n. EB003268, e il Canada Research Chairs programma.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Nome del reattivo Azienda Numero di catalogo
Piccoli Animali sistema a ultrasuoni focalizzati FUS Instruments, Inc. RK-100
Definity Lantheus Medical Imaging
Omniscan GE Healthcare

Riferimenti

  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).

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