超音波血液脳関門の破壊とマンガン増強MRIを用いた脳機能イメージングの試み
2012年7月12日
技術が広くマイクロバブルと超音波を用いたマウスにおける血液脳関門を開くために記述されています。このテクニックを使用して、マンガンは、マウスの脳に投与することができる。マンガンは脱分極の神経細胞に蓄積するMRI造影剤であるため、このアプローチは、神経活動のイメージングを可能にします。
次の実験の全体的な目標は、マンガン増強MRIでマウスのニューロン活動を画像化することです。これは、一方的に活気を刺激し、対側バレルフィールド皮質のニューロン応答をマッピングすることによって行われます。最初のステップは、実験用の信号発生器と増幅器によって駆動される集束していない超音波トランスデューサで構成される超音波システムを組み立てて校正することです。
マンガンの腹腔内注射後、超音波とマイクロバブルで血液脳関門が開き、マンガンが脳実質に入ることができます。次に、マウスはニューロン刺激パラダイムを受け、その結果、脳のより活発な領域にマンガンが大量に蓄積されます。最後に、脳内のマンガン蓄積の異なるレベルに基づいて、T one 加重 MR 画像強度の地域差を示す MRI 画像が得られます。
神経科学では、マウスは脳の発達と疾患の遺伝的および分子的基盤を研究するための主要なモデルシステムです。この手法は、これらのマウスモデルの神経活動をマッピングするための非侵襲的なツールを提供します。血液脳関門の超音波破壊は、機能的神経イメージングの目的で脳実質にマンガンを送達するために使用できるだけでなく、ガドリニウムベースの造影剤または化学療法薬を含む、他の多種多様な化合物を脳実質に送達するためにも使用できます。
一般に、この方法に不慣れな個人は、超音波システムのキャリブレーションとマイクロルーブルの取り扱いに困難を感じるでしょう。その手順を実演するのは、当研究室の技術者一人ひとりです。超音波システムは、マウスの脳を覆うのに十分な直径と2メガヘルツの範囲の中心周波数を持つ一振動子超音波トランスデューサーで構成されています。
トランスデューサは、信号発生器と50デシベルのパワーアンプによって駆動され、超音波パルスシーケンスが生成されました。水タンクで超音波システムを校正します。ハイドロフォンをタンクの底に置き、3軸平行移動ステージでトランスデューサーをその上に配置します。
次に、トランスデューサに短い正弦波パルスの列を印加し、ステージを調整して、超音波ビームの中心とトランスデューサの自然な焦点にあるピーク応答を見つけます。次に、入力電圧の範囲にわたっていくつかの音圧測定を行い、線形回帰を使用して入力電圧と音圧の関係を推定します。パルス振幅を求めて、約0.36メガパスカルのピーク負音圧を生成します。
このステップでは、鼻円錐を通してイソフッ素を送達することにより、動物に麻酔をかけます。ノーズコーン装置は、私たちの装置が頭蓋骨のフラット位置に頭を維持するたびに、動物の頭を正確かつ確実に同じ位置に固定する必要があります 実験中のフラットポジションは、呼吸数を監視し、麻酔薬を滴定して毎分85〜125呼吸の呼吸数を維持するための空気圧枕です。同時に、直腸プローブで動物の体温を監視し、ヒートランプまたは吹き付けた空気を使用して体温を維持します。
その後、尾静脈カテーテルと腹腔内カテーテルを動物に挿入します。次のステップは、VIIの片側刺激を実証し、対側バレルフィールド皮質のニューロン応答をマッピングするために、その髪を整えることです。反対側のVIIを、毛包や周囲の皮膚を刺激することなく、皮膚表面にできるだけ近づけて切断します。.
次に、動物を超音波装置に移し、超音波ゲルを頭皮の下部に塗布し、水柱を含む薄いプラスチックシートを頭に貼り付けます。綿棒で水柱に手を伸ばし、超音波ジェルに閉じ込められた気泡を押し出します。次に、超音波トランスデューサーをマウスの脳の真上の自然な焦点距離で水中に置き、トランスデューサーを指で拭いて閉じ込められた気泡を取り除きます。
その後、作業中にバイアルを攪拌機で45秒間振ることにより、ペリン脂質マイクロスフィアを生成します。バイオレットは室温のままにしますが、最初の使用の前日の最後の使用後、冷蔵庫に保管してください。その後の日には、攪拌機に保存されたバイアルを攪拌します。又。
次に、塩化マンガン1キログラムあたり0.5ミリモルを腹腔内に注入し、10分間待って分布させます。次に、マイクロバブルのバイアルを手で1分間攪拌して、マイクロスフェアを再懸濁します。その後、30マイクロリットルとカテーテルのデッドボリュームを引き出します。
バイアルに空気を注入すると、残りのマイクロバブルが劣化するため、注意してください。すぐに超音波パルスシーケンスを開始し、最小限の遅延で尾静脈カテーテルを介してマイクロスフェアを注入します。3分間のソニフィケーションを続けます。
次に、超音波システムの電源を切ります。脳内のマンガン濃度が約40分間安定したら、フッ素アイソフッ素をオフにし、ノーズコーンを取り出します。この時点で、ニューロン刺激パラダイムを開始して、バレルフィールド皮質をマッピングします。
絵筆を約1〜5ヘルツの円運動で反対側のバイブラアレイを90分間動かします。刺激後に麻酔を再開し、体温を維持し続け、イソフッ素レベルを毎分85〜125回の呼吸数に滴定します。.次に、マウスをMRIコイルに入れ、MRIシステムに移します。
次に、ここに示すように、高解像度の 3 つの DT 1 重み付け画像を取得します。マンガンやガドリニウムベースの薬剤などの T one 短縮造影剤の投与後の血液脳関門の破壊は、BOMA が実行されなかった脳と比較した場合、T one 加重イメージングでの脳実質の信号増加をもたらします。これは、最初の列の7匹の動物のrisiを一方的に刺激することによって生成されるニューロン活動マップです。
2つの異なる位置の違いマップは、ブリッシーによって刺激されたものとは反対側のMRI信号の増加を示しています。2 列目の p 値マップは、これらの差の相対的な有意性を示しています。3列目の対応する脳アトラス図は、これらの活性領域が一次感覚野のバレルフィールドに対応していることを示しています。
練習すれば、この手法はシミュレーション期間を合わせて約2時間で実行できます。施術を行う際には、注入前にマイクロバブルのバイアルを攪拌することを忘れず、バイアルに空気を注入しないように注意することが重要です。さらに、超音波ゲル内や超音波トランスデューサーの下に空気の泡が閉じ込められていないことを確認することが重要です。
このデモンストレーションでは、ひげを刺激することを選択しましたが、明らかに、この手法は興味のある刺激を研究するために適応できます。手順の後、動物は完全に回復することができ、縦断的研究が可能になります。
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概要
この記事では、マイクロバブルと超音波を使用してマウスの血液脳関門を開く技術を説明し、脳にマンガンを投与することを可能にします。マンガンはMRI造影剤として機能し、脱分極ニューロンに蓄積され、神経活動の画像化を容易にします。
主要な研究要素
科学の分野
- 神経科学
- イメージング技術
- 血液脳関門研究
背景
- 血液脳関門は脳を保護する選択的透過性バリアです。
- 血液脳関門を開くことで、脳への薬物送達を向上させることができます。
- マンガンは活性神経領域でのMRIコントラストを向上させることが知られています。
- 超音波とマイクロバブルは、非侵襲的に血液脳関門を開く新興技術です。
研究目的
- マンガン強化MRIを用いた神経活動のイメージング方法を実証すること。
- 神経刺激が脳内のマンガン蓄積に与える影響を探ること。
- 超音波を用いて血液脳関門を開くことの実現可能性を評価すること。
使用された方法
- 焦点非調整トランスデューサーを用いた超音波システムの組み立てと校正。
- 腹腔内注射によるマンガンの投与。
- 超音波とマイクロバブルを用いた血液脳関門の開口。
- 脳活動をマッピングするための神経刺激パラダイムの実施。
主要な結果
- 神経活動の増加した領域でマンガンの高い蓄積が観察されました。
- マンガンレベルに基づいて、T1強調MRI強度の地域差が認められました。
- この技術は、マウス脳内の神経活動を可視化する能力を成功裏に実証しました。
- 超音波は効果的に血液脳関門を開き、マンガンの侵入を可能にしました。
結論
- この研究は、神経活動のMRIイメージングを向上させる新しいアプローチを提供します。
- 超音波による血液脳関門の開口は、神経科学研究にとって有望な技術です。
- マンガン強化MRIは脳機能を研究するための貴重なツールとなり得ます。
よくある質問
Executive Industry Relevance
Functional neuroimaging in mice is critical for target validation and mechanistic de-risking in neuroscience drug discovery, yet remains limited by blood-brain barrier impermeability to contrast agents. This method enables manganese-enhanced MRI to map neuronal activity by combining ultrasound-mediated BBB opening with manganese delivery, providing a non-invasive, reversible tool for longitudinal and high-throughput studies. It supports predictive confidence in target engagement and pathway modulation studies, directly informing go/no-go decisions in early discovery pipelines.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses by mapping neuronal activation patterns in response to stimuli or compound exposure.
- Operational Value: Provides quantitative, spatially resolved readouts of brain region engagement to de-risk mechanistic assumptions.
- Strategic Value: Supports target confidence assessment through reproducible, whole-brain activation mapping in disease-relevant neural circuits.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Generates standardized, T1-weighted MRI signal changes as a quantitative dependent variable for compound screening.
- Operational Value: Enables assay reproducibility via reversible BBB opening and consistent manganese delivery across animals.
- Strategic Value: Facilitates platform reuse for screening diverse neuroactive compounds in preclinical models.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Aligns with translational biomarker development by linking electrophysiological stimulation to MRI-detectable manganese accumulation.
- Operational Value: Supports continuity from discovery to preclinical validation through longitudinal imaging capability in awake mice.
- Strategic Value: Enables risk-adjusted advancement decisions by visualizing target-mediated neuronal responses across doses and timepoints.
Pipeline & Workflow Integration
The method integrates into the discovery continuum from early target hypothesis testing through lead identification and preclinical validation, enabling non-invasive functional readouts that bridge in vitro findings and in vivo efficacy.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by mapping stimulus-evoked neuronal activation in sensory cortex.
- Screening: Delivers assay readiness through reproducible manganese enhancement and quantifiable T1-weighted signal changes post-stimulation.
- Analytics: Provides regional signal intensity and p-value maps as quantitative outputs for comparing activation patterns across conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical continuity via longitudinal imaging potential and alignment with established cortical maps like the barrel field.
- Enterprise Reuse: Positions BBB opening with ultrasound and microbubbles as a reusable platform for delivering multiple MRI contrast agents or therapeutics.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Predictive confidence in target modulation, reduction of mechanistic ambiguity in neuronal pathway engagement.
- Operational Value: Standardization, reproducibility, and scalability of BBB opening and contrast delivery across studies.
- Strategic Value: Improved go/no-go decisions, capital efficiency, and reduced late-stage biological risk in CNS programs.
- Portfolio Impact: Risk-adjusted prioritization based on target-mediated neuronal activation profiles.
Implementation Considerations
- Requires expertise in ultrasound system calibration, microbubble handling, and small animal anesthesia and monitoring.
- Needs instrumentation including unfocused ultrasound transducer, signal generator, power amplifier, hydrophone for calibration, and MRI coil for imaging.
- Demands cross-team standardization of ultrasound parameters, microbubble preparation, and manganese dosing protocols.
- Involves adaptation considerations for different stimulation paradigms, anesthetic regimens, and mouse strains.
- Includes practical limitations such as avoiding air bubbles in ultrasound gel and ensuring proper microbubble resuspension prior to injection.
Biopharma FAQs
Chapters in this video
0:05
Title
1:52
Assemble and Calibrate the Ultrasound System
3:03
Animal Preparation
5:12
Blood-brain Barrier Opening with Microbubbles and UltraSound (BOMUS) and Neuronal Stimulation
6:28
Magnetic Resonance Imaging and Analysis
6:58
Results: Functional Neuroimaging using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI
7:54
Conclusion
