ラットモデルでの経頭蓋集束超音波を用いた血液脳関門のMRI誘導破壊

この手順の全体的な目的は、血液脳関門を局所的に破壊し、通常は脳血管内に限定されている分子を組織内へ透過させることです。これは、まず動物を準備し、集束超音波トランスデューサおよび3軸トランスデューサポジショニングシステム上のウォーターバスに仰向けに配置することで達成されます。手順の第2段階では、ポジショニングシステムにターゲット情報を供給するためにMRI画像を取得します。

手順の3番目のステップは、マイクロバブル溶液を調製し、注入することです。手順の最終ステップは、超音波パラメータを設定し、超音波を照射することです。最終的に、造影剤増強T1強調MRIを通じて、超音波照射部位における血液脳関門の透過性を示す結果を得ることができます。

この技術の意義は、脳および中枢神経系（CNS）疾患の治療へと広がります。なぜなら、血液脳関門を局所的かつ再現性よく破綻させることができるため、これまで薬物療法への反応が悪かった疾患に対する薬理学的介入の検討が可能になるからです。一般的に、この手法に不慣れな方は、気泡が標的に到達する前に壊れるのを防ぐため、気泡の取り扱いと注入に忍耐と細心の注意が必要となるため、苦労することがあります。動物の準備手順については、後半で実演します。

当研究室の技術者が、適切に校正された超音波トランスデューサを選択します。次に、1.5 Teslaまたは3 TeslaのMRIベッド上に、脱気された脱イオン水で満たされた水槽を設置し、水面に向いたMRI対応の3軸ポジショニングステージまたはシステムを用いて、水槽内に超音酸トランスデューサを取り付けます。水槽には、動物を固定するためのトッププレートを備えている必要があります。イソフルランガスで麻酔をかけた後、頭頂部と首の被毛を剃毛します。

次に、除毛クリームを使用して残りの被毛を除去します。尾静脈に3方活栓付きの22ゲージカテーテルを挿入し、カテーテル内での血栓形成を防ぐためにヘパリン生理食塩水混合液でフラッシュします。注射用麻酔薬を筋肉内注射し、動物をイソフルランから出します。

実験開始の10分前に、気泡が混入する可能性を最小限にするため、動物の頭頂部に少量の超音波用ジェルを塗布します。次に、麻酔をかけた動物を超音波ポジショニングシステムの上に仰向けに配置し、トッププレートの穴を通して頭頂部をウォーターバスに接触させます。

頭部は、バイトバー（利用可能な場合）または顎にしっかりと貼ったテープを使用して固定します。次に、脚をポジショニングシステムにテープで固定します。動物をタオルや毛布で覆い、保温します。

実験の過程において、適切なスキャンパラメータを用いて、脳のベースラインとなる軸方向の T2 強調および T1 強調 MR 画像を取得します。T2 強調スキャンから、脳室と脳正中線を避け、中脳の深さを選択してターゲットを決定します。

トランスデューサーのフォーカスを標的部位に合わせます。メーカーのプロトコルに従って定義的マイクロバブルを活性化し、1 mLシリンジに少量をゆっくりと吸い上げます。18Gの針を使用し、プランジャーを軽く前後に動かして、タッピングせずにシリンジ内の気泡を取り除きます。

マイクロバブルが破壊される可能性があるため、生理食塩水が入ったシリンジに必要量のマイクロバブルをゆっくりと注入し、生理食塩水とマイクロバブルの比率が10:1になるように希釈します。シリンジを静かに反転させ、外観が均一になるまでマイクロバブルと生理食塩水を十分に混合します。必要投与量は、マイクロバブルとして0.02 milliliters per kilogram、または溶液として0.2 milliliters per kilogramに基づき算出してください。

10倍に希釈します。超音波処理のパラメータは、連続波ではなく、低デューティサイクルのバーストを用いて設定してください。動物の頭部が依然として水に接触していることを確認します。

マイクロバブルを尾静脈カテーテルにゆっくりと注入しながら、同時に超音波処理を開始します。その後、超音波処理に続いて0.5 millilitersの生理食塩水でフラッシュします。尾静脈カテーテルからMRI造影剤を注入し、続いて0.5 milliliterの生理食塩水でフラッシュします。

コントラストのピークが過ぎるまで、T1強調画像撮影を行います。超音波照射を行います。正常に破壊された部位は、周囲の組織よりも強い造影増強を示します。超音波照射部位に高信号（ここでは浮腫を示す）があるかを確認するため、T2強調画像撮影を行います。

ここには、一般的なFUST施行前後のT1強調MR画像を示します。明瞭な局所的な開口部を伴う造影T1強調画像です。4箇所の超音波照射部位が示されており、特に部位1と2において強い造影効果が認められます。

部位1および2においても、FUS後のT2強調画像で高い信号強度が見られ、浮腫が示されています。T2強調による浮腫の範囲は、矢状断スライスの方が視覚的に捉えやすい場合があります。ここでは、ソネーション部位を通過するT1強調およびT2強調の矢状断スライスを示します。部位1および3が示されており、部位1ではFUS後の浮腫が確認できますが、部位3では見られません。

捕捉した音響放出データのスペクトル解析では、安定空洞現象が発生している場合に、高調波放出、および／または低調波および超高調波放出が認められることがあります。551.5 kilohertzで10 millisecondの単一バースト中に捕捉されたデータは、基本周波数のほか、高調波、ならびに低調波と超高調波の両方を示しています。ここで示されているように、より高い超音波照射周波数を使用すると、焦点スポットサイズが小さくなるため、より局所的な開口が得られます。

より高い周波数を使用することで、より小さな開口領域を作成でき、頭蓋骨近傍の影響を抑えて中脳の調査を行うことが可能になります。この手順を行う際は、良好な結果を得るためにマイクロバブルを慎重に取り扱うことが極めて重要であるという点に留意してください。この手法を精緻化できれば、脳内の特定の標的に治療薬を届ける際の有効性はどの程度か、といった他の疑問への回答に取り組むことができるようになります。