초음파 혈액 - 뇌 장벽 파괴 및 망간 향상된 MRI를 사용하여 기능성 Neuroimaging
July 12th, 2012
기술은 광범위하게 microbubbles와 초음파를 사용하여 마우스의 혈액 - 뇌 장벽을 여는 대해 설명되어 있습니다. 이 기법을 사용하여, 망간은 마우스 뇌에 관리할 수 있습니다. 망간은 depolarized 뉴런에 축적 MRI 대비 에이전트이기 때문에, 이러한 방식의 연결 활동의 이미징을 가능하게합니다.
다음 실험의 전반적인 목표는 망간 강화 MRI로 마우스의 신경 활동을 이미지화하는 것입니다. 그것은 일방적으로 활력을 자극하고 반대쪽 배럴장 피질(contralateral barrel field cortex)에서 뉴런 반응을 매핑함으로써 수행됩니다. 첫 번째 단계는 실험을 위해 신호 발생기와 증폭기에 의해 구동되는 초점이 맞지 않는 초음파 변환기로 구성된 초음파 시스템을 조립하고 보정하는 것입니다.
망간의 복강 내 주사 후 초음파와 미세 기포로 혈액 뇌 장벽을 열어 망간이 뇌 실질로 들어갈 수 있도록 합니다. 다음으로, 마우스는 신경 자극 패러다임의 영향을 받게 되며, 이로 인해 뇌의 더 활동적인 영역에서 망간의 축적이 더 많아집니다. 마지막으로, 뇌 내 망간 축적의 다양한 수준에 따라 T 1 가중 MR 이미지 강도의 지역적 차이를 보여주는 MRI 이미지를 얻습니다.
신경과학에서 마우스는 뇌 발달과 질병에 대한 유전적 및 분자적 기반을 연구하기 위한 지배적인 모델 시스템입니다. 이 기술은 이러한 마우스 모델에서 신경 활동을 매핑하기 위한 비침습적 도구를 제공합니다. 혈액-뇌 장벽의 초음파 파괴는 기능적 신경 이미징을 위해 망간을 뇌 실질에 전달하는 데 사용할 수 있을 뿐만 아니라 가돌리늄 기반 조영제 또는 화학 요법을 포함하여 다양한 다른 화합물을 뇌 실질에 전달하는 데에도 사용할 수 있습니다.
일반적으로 이 방법을 처음 접하는 개인은 초음파 시스템을 교정하고 마이크로 루블을 처리하는 데 어려움을 겪을 것입니다. 절차를 시연하는 것은 우리 실험실의 각 기술자가 될 것입니다. 초음파 시스템은 쥐의 뇌를 커버할 수 있을 만큼 넓은 직경과 2메가헤르츠 범위의 중심 주파수를 가진 단일 소자 초음파 변환기로 구성됩니다.
변환기는 신호 발생기와 50 데시벨 전력 증폭기에 의해 구동되며, 이는 초음파 펄스 시퀀스를 생성했습니다. 물 탱크에서 초음파 시스템을 보정합니다. 수중청음기를 탱크 바닥에 놓고 3축 변환 스테이지를 사용하여 그 위에 변환기를 배치합니다.
그런 다음 트랜스듀서에 짧은 정현파 펄스의 트레인을 적용하고 스테이지를 조정하여 초음파 빔의 중심과 트랜스듀서의 자연스러운 초점에 있어야 하는 피크 응답을 찾습니다. 다음으로, 입력 전압 범위에 대해 여러 음압을 측정하고 선형 회귀를 사용하여 입력 전압과 음압 간의 관계를 추정합니다. 펄스 진폭을 찾아 약 0.36메가파스칼의 피크 음압을 생성합니다.
이 단계에서는 콧방울을 통해 불소를 전달하여 동물을 마취합니다. 노즈콘 장치는 동물의 머리를 두개골 평면 위치로 유지할 때마다 동일한 위치에 정확하고 안정적으로 고정해야 하며, 실험 중 평평한 자세는 호흡수를 모니터링하고 마취제를 적정하여 분당 85회에서 125회 사이의 호흡수를 유지하기 위해 공압식 베개입니다. 동시에 직장 프로브로 동물의 체온을 모니터링하고 열 램프나 불어온 공기를 사용하여 동물의 체온을 유지합니다.
그 후, 꼬리 정맥 카테터와 복강 내 카테터를 동물에게 삽입하십시오. 다음 단계는 VII의 일방적 자극을 보여주기 위해 머리카락을 자르고 반대쪽 배럴장 피질의 신경 반응을 매핑하는 것입니다. 반대쪽 VII을 모낭이나 주변 피부에 자극을 주지 않고 피부 표면에 최대한 가깝게 절단합니다.
그런 다음 동물을 초음파 시스템으로 옮기고 초음파 젤을 두피 아래쪽의 얇은 플라스틱 시트에 바르고 머리에 물기둥이 들어 있습니다. 면봉으로 물기둥을 통해 손을 뻗어 초음파 젤에 갇힌 기포를 밀어냅니다. 그런 다음 초음파 변환기를 마우스 뇌 바로 위의 자연스러운 초점 거리에있는 물에 놓고 손가락으로 변환기를 닦아 갇힌 기포를 제거합니다.
그 후, 작업하는 동안 교반기에서 바이알을 45초 동안 흔들어 페린 지질 미세구를 생성합니다. 보라색은 실내 온도는 그대로 두되 첫 사용 전날 마지막 사용 후에는 냉장고에 보관하십시오. 다음 날에는 교반기에 저장된 바이알을 교반합니다. 다시.
다음으로, 복강내 염화망간 1kg당 0.5밀리몰을 주입하고 분포가 허용될 때까지 10분 동안 기다립니다. 그런 다음 마이크로 스피어를 재현탁시키기 위해 1분 동안 마이크로 버블의 바이알을 손으로 교반합니다. 그런 다음 30마이크로리터와 카테터의 데드 볼륨을 빼냅니다.
바이알에 공기를 주입하면 남아 있는 미세 기포가 저하되므로 주의하세요. 즉시 초음파 펄스 시퀀스를 시작하고 최소 지연으로 꼬리 정맥 카테터를 통해 미세구를 주입합니다. 3분 동안 음향을 계속합니다.
그런 다음 초음파 시스템을 끕니다. 뇌의 망간 수치가 약 40분 동안 안정된 후 불소 이소를 끄고 콧방울을 제거합니다. 이 시점에서 배럴장 피질을 매핑하기 위해 뉴런 자극 패러다임을 시작합니다.
90분 동안 반대쪽 바이브라 배열을 통해 약 1-5헤르츠의 속도로 원을 그리며 붓을 움직입니다. 자극 후 마취를 재개한 다음 체온을 계속 유지하고 불소 수치를 분당 85-125회의 호흡수로 적정합니다. 그런 다음 마우스를 MRI 코일에 넣고 MRI 시스템으로 전송합니다.
그런 다음 여기에 표시된 대로 고해상도 3개의 DT 1 가중치 이미지를 획득합니다. 망간과 같은 T one 단축 조영제 또는 가돌리늄 기반 제제의 투여 후 혈액-뇌 장벽의 파괴는 BOMA가 수행되지 않은 뇌와 비교할 때 T one 가중 영상에서 뇌 실질의 신호 증가를 초래합니다. 다음은 첫 번째 열에 있는 7마리의 동물에서 리시를 일방적으로 자극하여 생성된 신경 활동 지도입니다.
서로 다른 두 위치의 차이 맵은 강모에 의해 자극된 것과 반대쪽으로 증가된 MRI 신호를 보여줍니다. 두 번째 열에서 p-값 맵은 이러한 차이의 상대적 유의성을 나타냅니다. 세 번째 열에서, 해당 뇌 아틀라스 다이어그램은 이러한 활성 영역이 1차 감각 피질의 배럴 필드에 해당한다는 것을 보여줍니다.
연습을 통해 이 기법은 약 2시간 내에 소요 시간 시뮬레이션을 더한 값으로 수행할 수 있습니다. 시술을 수행할 때 주입하기 전에 마이크로 기포가 있는 바이알을 교반하는 것을 기억하고 바이알에 공기를 주입하지 않도록 주의하는 것이 중요합니다. 또한 초음파 젤이나 초음파 변환기 아래에 공기 방울이 갇히지 않도록 하는 것이 중요합니다.
이 시연을 위해 우리는 수염을 자극하기로 선택했지만, 분명히 이 기술은 관심 있는 자극을 연구하는 데 적용할 수 있습니다. 절차에 따라 동물은 완전히 회복 할 수 있으며 종단 연구를 할 수 있습니다.
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개요
이 기사는 마이크로버블과 초음파를 사용하여 쥐의 혈액-뇌 장벽을 열고 망간을 뇌에 투여하는 기술을 설명합니다. 망간은 활성화된 뉴런에 축적되는 MRI 조영제로서 뉴런 활동의 이미징을 용이하게 합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 신경과학
- 이미징 기술
- 혈액-뇌 장벽 연구
배경
- 혈액-뇌 장벽은 뇌를 보호하는 선택적 투과성 장벽입니다.
- 혈액-뇌 장벽을 열면 뇌로의 약물 전달을 향상시킬 수 있습니다.
- 망간은 활성 뉴런 영역에서 MRI 조영 효과를 향상시키는 것으로 알려져 있습니다.
- 초음파와 마이크로버블은 비침습적으로 혈액-뇌 장벽을 열기 위한 신흥 기술입니다.
연구 목적
- 망간 강화 MRI를 사용하여 뉴런 활동을 이미징하는 방법을 시연합니다.
- 뉴런 자극이 뇌에서의 망간 축적에 미치는 영향을 탐구합니다.
- 초음파를 사용하여 혈액-뇌 장벽을 열 가능성을 평가합니다.
사용된 방법
- 비집중형 변환기를 사용한 초음파 시스템 조립 및 보정.
- 복강 내 주사를 통한 망간 투여.
- 초음파 및 마이크로버블을 사용하여 혈액-뇌 장벽 열기.
- 뇌 활동을 매핑하기 위한 뉴런 자극 패러다임 수행.
주요 결과
- 뉴런 활동이 증가한 영역에서 더 높은 망간 축적이 관찰되었습니다.
- 망간 수준에 따라 T1-강조 MRI 강도의 지역적 차이가 나타났습니다.
- 이 기술은 마우스 뇌의 뉴런 활동을 시각화하는 능력을 성공적으로 입증했습니다.
- 초음파는 혈액-뇌 장벽을 효과적으로 열어 망간이 들어갈 수 있게 했습니다.
결론
- 이 연구는 뉴런 활동의 MRI 이미징을 향상시키는 새로운 접근법을 제공합니다.
- 초음파를 사용하여 혈액-뇌 장벽을 열기는 신경과학 연구를 위한 유망한 기술입니다.
- 망간 강화 MRI는 뇌 기능 연구를 위한 귀중한 도구가 될 수 있습니다.
자주 묻는 질문
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
