Przełamywanie bariery krew-mózg pod kontrolą MRI z użyciem przezczaszkowego ultradźwiękowego ogniskowania w modelu szczura

Ogólnym celem tej procedury jest miejscowe przerwanie bariery krew-mózg, co umożliwia przedostanie się do tkanki cząsteczek, które normalnie są ograniczone do naczyń krwionośnych mózgu. Osiąga się to poprzez przygotowanie zwierzęcia i ułożenie go w pozycji grzbietowej na łaźni wodnej nad przetwornikiem ultradźwięków skupionych oraz trójosiowym systemem pozycjonowania przetwornika. Drugim krokiem procedury jest wykonanie obrazów MRI w celu dostarczenia systemu pozycjonowania informacji niezbędnych do celowania.

Trzecim krokiem procedury jest przygotowanie i wstrzyknięcie roztworu mikropęcherzyków. Ostatnim etapem procedury jest ustawienie parametrów ultradźwięków i ich podanie. W rezultacie można uzyskać wyniki wykazujące przepuszczalność bariery krew-mózg w miejscach poddanych sonikacji za pomocą obrazowania MRI w obrazach T1 wzmocnionych kontrastem.

Implikacje tej techniki rozciągają się na terapię schorzeń mózgu i ośrodkowego układu nerwowego, ponieważ ta lokalna i powtarzalna przerwa w barierze krew-mózg umożliwia badanie interwencji farmakologicznych w stanach, które wcześniej wykazywały słabą odpowiedź na terapię lekową. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą będą napotykać trudności, ponieważ manipulowanie pęcherzykami i ich wstrzykiwanie wymagają cierpliwości i ostrożności, aby uniknąć ich pęknięcia przed dotarciem do celu. Przygotowanie zwierzęcia zostanie zademonstrowane w dalszej części.

Technik z naszego laboratorium wybiera odpowiedni, skalibrowany przetwornik ultradźwiękowy. Następnie w kąpieli wodnej wypełnionej odgazowaną wodą dejonizowaną, wewnątrz skanera MRI o natężeniu pola 1,5 Tesla lub trzech Tesli, montuje przetwornik ultradźwiękowy w zbiorniku na kompatybilnej z MRI trójosiowej platformie lub systemie pozycjonującym, skierowanej w stronę powierzchni wody. Kąpiel wodna powinna posiadać górną płytę do unieruchamiania zwierząt; po znieczuleniu gazem izofluranowym należy zgolić sierść z górnej części głowy i szyi.

Następnie należy usunąć pozostałą sierść za pomocą kremu depilacyjnego. Wprowadzić kaniulę o rozmiarze 22 G z trójdrożnym kranikiem do żyły ogonowej i przemyć mieszaniną soli fizjologicznej z heparyną, aby zapobiec tworzeniu się skrzepów w kaniuli. Podać środki znieczulające w formie zastrzyku domięśniowego i wyjąć zwierzę z izofluranu.

Na 10 minut przed rozpoczęciem eksperymentu nanieś niewielką ilość żelu ultradźwiękowego na czubek głowy zwierzęcia, aby zminimalizować ryzyko powstania pęcherzyków powietrza. Następnie umieść znieczulone zwierzę w pozycji na plecach w systemie pozycjonowania do badań USG, tak aby czubek głowy stykał się z kąpielą wodną poprzez otwór w górnej płycie.

Głowę można unieruchomić, używając listwy do gryzienia, jeśli jest dostępna, lub taśmy mocno przyklejonej w poprzek podbródka. Następnie należy przymocować nogi do systemu pozycjonującego za pomocą taśmy. Przykryj zwierzę ręcznikiem lub kocem, aby utrzymać jego ciepłotę.

W trakcie eksperymentu wykonaj bazowe osiowe obrazy MR mózgu ważone T2 oraz ważone T1, stosując odpowiednie parametry skanowania. Wybierz cel na obrazach ważonych T2, unikając komór oraz linii środkowej mózgu i wybierając głębokość na poziomie śródmózgowia.

Przesuń punkt ogniskowania przetwornika do miejsca docelowego. Aktywuj mikroprzypływy zgodnie z protokołem producenta i powoli pobierz niewielką objętość do strzykawki o pojemności jednego mililitra. Używając igły o rozmiarze 18 G, usuń uwięzione powietrze ze strzykawki, delikatnie przesuwając tłok w przód i w tył, zamiast stukania w ścianki.

Ponieważ czynność ta może doprowadzić do rozpadu mikropęcherzyków, rozcieńcz mikropęcherzyki w soli fizjologicznej w stosunku 10:1 (sól fizjologiczna do mikropęcherzyków), powoli wstrzykując wymaganą objętość mikropęcherzyków do strzykawki z solą fizjologiczną. Delikatnie odwróć strzykawkę, aby dokładnie wymieszać mikropęcherzyki z solą fizjologiczną, aż do uzyskania jednorodnego wyglądu. Oblicz wymaganą objętość dawki w oparciu o 0,02 milliliters per kilogram mikropęcherzyków lub 0,2 milliliters per kilogram roztworu.

Przy rozcieńczeniu 10:1. Ustaw parametry sonikacji, stosując krótkie impulsy przy niskim cyklu pracy zamiast sonikacji falą ciągłą. Sprawdź, czy głowa zwierzęcia nadal jest w kontakcie z wodą.

Rozpocznij sonikację, jednocześnie powoli wstrzykując mikropęcherzyki do cewnika w ogonowej żyle. Następnie, po zakończeniu sonikacji, przemyj cewnik 0,5 ml soli fizjologicznej. Wstrzyknij środek kontrastowy do MRI przez cewnik w żyle ogonowej, a następnie przemyj go 0,5 ml soli fizjologicznej.

Wykonaj obrazowanie T1-zależne do czasu przejścia szczytu kontrastowego. Sonikacja. Miejsca, w których doszło do skutecznej destrukcji, wykażą większe wzmocnienie niż tkanka otaczająca. Wykonaj obrazowanie T2-zależne, aby sprawdzić obecność wysokiego sygnału w miejscach sonikacji, co w tym przypadku wskazuje na obrzęk.

Przedstawione są typowe obrazy MR ważone T1 przed i po zabiegu FUST. Obraz ważony T1 z kontrastem wykazuje wyraźne otwory ogniskowe. Widoczne są cztery miejsca sonikacji, z których lokalizacje jeden i dwa wykazują szczególnie jasne wzmocnienie kontrastu.

Lokalizacje pierwsza i druga wykazują również wysoką intensywność sygnału w obrazowaniu T2-zależnym po FUS, co wskazuje na obrzęk. Zakres obrzęku w obrazowaniu T2-zależnym można czasami łatwiej zwizualizować na przekrojach strzałkowych; tutaj przedstawiono strzałkowe przekroje T1-zależne i T2-zależne przez obszar sonacji. Przedstawiono lokalizacje pierwszą i trzecią; obrzęk po FUS jest widoczny w lokalizacji pierwszej, ale nie w lokalizacji trzeciej.

Analiza widmowa zarejestrowanych danych emisji akustycznej może wykazywać emisje harmoniczne oraz lub emisje sub- i ultraharmoniczne w przypadku występowania stabilnej kawitacji. Dane zarejestrowane podczas pojedynczego impulsu trwającego 10 milisekund przy częstotliwości 551,5 kilohertz wykazują częstotliwość podstawową, jak również harmoniczne oraz zarówno sub-, jak i ultraharmoniczne. Zastosowanie wyższych częstotliwości sonikacji prowadzi do bardziej zlokalizowanych otwarć ze względu na mniejszą wielkość plamki ogniskowej, co pokazano tutaj.

Wyższe częstotliwości mogą być wykorzystywane do tworzenia mniejszych obszarów otwarcia, co pozwala na badanie śródmózgowia przy ograniczonym wpływie efektów bliskości czaszki. Podczas wykonywania tej procedury należy pamiętać, że ostrożne obchodzenie się z mikropęcherzykami jest kluczowe dla osiągnięcia dobrych wyników. Po dopracowaniu tej techniki badacze mogą zacząć odpowiadać na inne pytania, takie jak: jaka jest skuteczność dostarczania terapeutyku do konkretnego celu w mózgu?