MRI-geführten Störung der Blut-Hirn-Schranke mit Hilfe der transkraniellen fokussiertem Ultraschall in einem Rattenmodell

Summary

Mikroblasen-vermittelte fokussiertem Ultraschall Störung der Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist eine vielversprechende Technik zur nicht-invasiven gezielten Verabreichung von Medikamenten im Gehirn

Abstract

Fokussiertem Ultraschall (FUS) Störung der Blut-Hirn-Schranke (BHS) ist ein zunehmend untersuchte Methode zur Umgehung des BBB ^05.01. Die BBB ist ein wesentliches Hindernis für pharmazeutische Behandlungen von Erkrankungen des Gehirns, wie sie den Durchtritt von Molekülen aus dem Gefäßsystem begrenzt in das Gehirngewebe, um Moleküle weniger als etwa 500 Da in der Größe ^6. FUS BBB induzierten Störungen (BBBD) ist eine vorübergehende, reversible ⁴ und hat einen Vorteil gegenüber chemischen Mitteln zu induzieren, indem sie stark lokalisierten BBBD. FUS induzierte BBBD stellt ein Mittel zur Untersuchung der Wirkungen einer Vielzahl von therapeutischen Mitteln auf das Gehirn, die sonst nicht lieferbar sein, um das Gewebe in einer ausreichenden Konzentration. Während eine Vielzahl von Ultraschall-Parameter bewährt haben zu stören die BBB ^2,5,7, gibt es mehrere wichtige Schritte im experimentellen Verfahren zur erfolgreichen Störungen genaue Ausrichtung zu gewährleisten. Dieses Protokollol beschrieben, wie Sie zu erreichen unter MRT-FUS in einem Rattenmodell BBBD induziert wird, mit einem Schwerpunkt auf der kritischen Tier Vorbereitung und Mikroblasen-Handling-Schritte des Experiments.

Protocol

1. Ultraschall-und MRT-Setup

Eine MRT-kompatiblen Drei-Achsen-fokussiertem Ultraschall-System wurde in dieser Studie verwendet (FUS Instruments, Inc., Toronto, Ontario, Kanada). Zwei verschiedene Ultraschallwandler wurden verwendet: ein In-House gebaut 551,5 kHz sphärisch fokussierter Wandler (Krümmungsradius = 60 mm, Außendurchmesser = 75 mm, Innendurchmesser = 20 mm) und ein 1,503 MHz, 8-Sektor-Array mit integrierter PZT Hydrophon (Imasonic Inc., Voray-sur-L'Orgnon, Frankreich) als ein einziges Element sphärisch konzentriert Wandler (FN = 0,8, Blende = 10 cm) angetrieben wird. Eine MRT-kompatiblen Empfänger ⁸ PVDF wurde eingesetzt, um akustische Emissionen aufnehmen, wenn die 551,5 kHz Wandler verwendet wurde. Wenn andere Geräte verwendet wird, werden die folgenden vorgeschlagen:

1. Wählen eines geeigneten, kalibriert Ultraschallwandler mit einer Mittenfrequenz im Bereich von 0,25 MHz -1,5 MHz und einem f-Wert (Krümmungsradius / Apertur) von 1 oder weniger.
2. Setzen Sie ein Wasserbad fiullt mit warmem, entgast, entionisiertem Wasser auf dem Bett von einem 1,5 T oder 3 T MR. Das Wasserbad sollte eine Top-Platte, die die Tiere aufnehmen kann. Montieren Sie den Ultraschallwandler im Tank auf einer MRT-kompatibel Drei-Achsen-Positionierung der Bühne oder System ^9, mit Blick auf die Wasseroberfläche.
3. Führen Sie das Kabel mit dem Wandler Ultraschall Fahren Ausrüstung durch ein Eindringen Panel.
4. Generieren Sie den Schallkopf Ansteuersignal mit einem Funktionsgenerator und Leistungsverstärker. Verwenden Sie eine externe Anpassungsschaltung, um die reflektierte elektrische Energie zu minimieren.
5. Das Wissen des Wandlers Brennweite, platzieren Sie den Schallkopf Schwerpunkt an der Wasseroberfläche und beschallen die Wasseroberfläche, um eine sichtbare Wasserfontäne zu erzeugen. Die Schritte 1.6 und 1.7 beschrieben, wie Sie den Fokus mithilfe der generierten Wasserfontäne registrieren. Eine genauere Methode zur Lokalisierung des Fokus, die Beschallung einer Wärme absorbierenden Gel Imaging und die daraus resultierende Temperaturerhöhung in den Fokus mit der MRT beinhaltet, kann in ⁹ gefunden werden ^</ Sup>.
6. Markieren Sie die Stelle des Fokus mit Hilfe eines Markers, der sichtbar sein auf den MR-Bildern werden. Dies kann unter Verwendung einer Platte mit einem zentralen Loch, das mit Wasser zu füllen, wenn über den Fokus gebracht werden. Die mit Wasser gefüllten Loch sichtbar auf dem MRT und Schwerpunkt-Koordinaten in zwei Ebenen zu schaffen, während die Koordinate in der axialen Richtung des Aufnehmers von der Wasseroberfläche bestimmt werden kann.
7. Mit einem 3-Ebene Lokalisierungsbilder-Sequenz, Bild den Fokus Marker und Aufzeichnung der Position des Fokus in der MR-Koordinatensystem.
8. Um akustische Emissionen zu überwachen, montieren ein MR-kompatibler Hydrophon ^8, die als passive Kavitation Detektor (PKD) im Wasserbad bei dem Wandler Fokus gerichtet eingesetzt wird, oder verwenden Sie einen Wandler mit integrierter Hydrophon.
9. Führen Sie die PCD-Kabel mit einem Rahmen-Karte, die ausreichend schnell, um Ausbrüche von bis zu 10 ms erfassen PRFs bei bis zu 2 Hz (z. B. ATS460, AlazarTech, Pointe-Claire, Quebec, Kanada) ist. Die Kabel müssen an die Pene geerdet werdentration Panel oder HF-Abschirmung Rauschen zu verringern.

2. Tierische Vorbereitung

1. Betäuben die Tiere mit Isofluran-Gas. Da Isofluoran wirkt sich auf Störungen BBB ^10, sind die Tiere ausgeschaltet werden die Gas 10 Minuten vor dem Beginn des Experiments entnommen. Platz okularen Schmiermittel Salbe in jedes Auge zu Beginn der Anästhesie, um die Hornhaut vor Austrocknung oder anderen Verletzungen zu schützen.
2. Mit einem elektrischen Rasierer rasieren das Fell von der Spitze des Tieres Kopf und Hals, dann nehmen Sie das übrige Fell mit einer Enthaarungscreme (zB Nair, Church & Dwight Co., Princeton, NJ, USA) und spülen Sie die Kopfhaut mit milder Seife und Wasser.
3. Bereiten Sie den Schwanz mit einem Betadin Haut durch ein Peeling bridine Wäsche gefolgt. Eine abschließende wipedown mit Alkohol, um die Schwanzvene zu visualisieren.
4. Legen Sie eine 22-Gauge-Katheter mit 3-Wege-Hahn in die Schwanzvene und bündig mit einer Heparin / Kochsalz-Gemisch (33 U / ml) zur Gerinnselbildung verhindernin dem Katheter.
5. Deliver Injektionsnarkosemittel (40-50 mg / kg Ketamin, 10 mg / kg Xylazin) durch intramuskuläre Injektion, und entfernen Sie das Tier aus der Isofluoran.
6. Setzen Sie den narkotisierten Tier in Rückenlage auf dem Ultraschall-Ortungssystem mit der Oberseite des Kopfes Kontakt mit dem Wasserbad durch ein Loch in der oberen Platte (Abb. 1). Eine kleine Menge Ultraschallgel vielleicht an die Spitze der den Kopf des Tieres, um die Chance der eingeschlossenen Luftblasen zu minimieren angewendet.
7. Band die Beine an dem Positionierungssystem. Der Kopf kann an ihrem Platz gehalten werden, entweder mit einem Biss bar, wenn verfügbar, oder ein Band gelegt fest über dem Kinn.
8. Decken Sie das Tier mit einem Handtuch und Decke zirkulierende Wasser, um es warm zu halten.

3. Zielauswahl

1. Erwerben Sie Grundlinie axiale T _2-gewichtete und T _{1-gewichteten} MR-Bilder des Gehirns. Wenn Sie mit einem 1,5 T MRT und engagierten kopfgroßen HF-Spule empfangen Oberfläche, geeignet scein Parameter sein könnte:
   
   T _{2-gewichteten:} FSE, TE = 60 ms, TR = 2000 ms
   T ₁ gewichtete: FSE, TE = 10 ms, TR = 500 ms

2. Wählen Sie das Ziel aus dem T _{2-gewichteten} Scans, die Vermeidung und die Ventrikel des Gehirns Mittellinie, und zum Auswählen einer mittleren Tiefe des Gehirns.
3. Setzen Sie den Schallkopf Fokus auf den Zielort.

4. Mikroblasen-Vorbereitung

Definity Mikrobläschen (Lantheus Medical Imaging, MA, USA) werden von mehreren Gruppen für Mikroblasen vermittelte FUS induziert BBBD ^2,5,7 verwendet. Geeignete Dosierungen für andere Typen von Mikrobläschen in der Literatur ^11,12 gefunden werden.

1. Aktivieren Sie die Definity Mikrobläschen und langsam erarbeiten ein kleines Volumen in einer 1 ml Spritze mit einer 18-Gauge-Nadel.
2. Entfernen eingeschlossene Luft aus der Spritze durch vorsichtiges Bewegen des Kolbens hin und her. Tippen Sie nicht auf die Spritze, da dies die Blasen brechen können.
3. Verdünnen Sie die Definity im normalen Kochsalzlösung in einem Verhältnis von 10:1 Kochsalzlösung Definty durch langsames Einspritzen der erforderlichen Menge von Definity in eine Spritze mit Kochsalzlösung. Wenn eine Infusion Lieferung verwendet wird, kann die Definity weiter verdünnt werden, bis 50:1 oder 100:1.
4. Vorsichtig auf den Kopf, um die Spritze gründlich mischen die Definity und Kochsalzlösung, bis eine gleichmäßige Optik erreicht wird. Vorsichtiges Schwenken der Spritze unmittelbar vor der Injektion kann auch erforderlich sein, wenn die Bläschen angefangen haben zu schweben aus der Suspension.
5. Berechnen Sie die erforderliche Dosis-Volumen auf 0,02 ml / kg Definity oder 0,2 ml / kg der Lösung (bei 10:1 Verdünnung) basiert.

5. Ultraschall-Abgabesystem

1. Stellen Sie die Sonikationsparameter mit niedrigem Tastverhältnis platzt, nicht Dauerstrich sonications. Entsprechende Sonikationsparameter bei 0,5 MHz sind 0,23 MPa Druck in situ, 10 ms platzt bei 1 Hz PRF, 2 min. Insgesamt Beschallungszeit. Bei 1,5 MHz geeignete in-situ-Druck fallen um 0,45-0,5 MPa.

_content "> Geeignete Drücke bei verschiedenen Frequenzen kann unter Verwendung eines mechanischen Index von 0,46 ^{13 aufzunehmen.}

2. Prüfen Sie, ob der Kopf des Tieres noch mit dem Wasser verbunden.
3. Injizieren der Mikroblasen langsam in die Schwanzvene Katheter und bündig mit 0,5 ml normaler Kochsalzlösung. Beginnen Sie mit der Beschallung gleichzeitig mit dem Beginn der Einspritzung.

6. MRT-Auswertung der Behandlungsergebnisse

1. Nach der Ultraschallbehandlung, injizieren ein MRT-Kontrastmittel (z. B. 0,2 ml / kg Omniscan, GE Healthcare) über die Schwanzvene Katheter durch eine 0,5 ml Kochsalzlçsung.
2. Führen T _{1-gewichteter} Bildgebung, bis der Kontrast Gipfel ist vorbei. Ultraschallbehandlung Seiten, die erfolgreich gestört wird zeigen größere Steigerung als das umgebende Gewebe.
3. Führen T _{2-gewichteter} Bildgebung, für Ödeme zu überprüfen. High-Signal an den Standorten Beschallung ist ein Hinweis auf Ödeme.

7. VertreterErgebnisse

MRI-Kontrastmittel können erfolgreich durch die BBB geliefert werden mittels fokussiertem Ultraschall und Mikrobläschen zirkulieren. Abbildung 2 zeigt typische Pre-und Post-FUS T _1-w Bildern. 2B zeigt einen kontrastverstärkten (CE) T _1-w-Bild mit deutlichen Schwerpunkt Öffnungen in vier beschallten Standorten. Ultraschallbehandlung Standorten 1 und 2 zeigen besonders hell Verbesserung. In 3 Stellen 1 und 2 ist auch ersichtlich, mit T _2-w hohes Signal entspricht, der angibt, Ödeme werden.

Das Ausmaß der T _2-w Ödem kann manchmal leichter sichtbar gemacht werden auf sagittalen Schichten. Abbildung 4 zeigt CE-T _1-w und T _2-w sagittal durch Ultraschall 1 und 3 Standorten. Ödem ist sichtbar am Standort 1 Standort, aber nicht 3.

Die Spektralanalyse der aufgenommenen akustischen Emissionen Daten (Abb. 5) kann zeigen, harmonische Emissionen und / oder Sub / ultra harmonische Emissionen, wenn stabile Kavitation auftritt. HarmonICs können auch aus Gewebe Nichtlinearitäten entstehen, während sub ​​und ultraharmonischen-Emissionen kann nur als Folge der Blase ¹⁴ Aktivität auftreten. Bei höheren Drücken Breitband-Emissionen angibt inertialen Kavitation kann auch erkannt werden. Diese wurden jedoch größere Mengen von roten Blutkörperchen und Extravasationen Mikroschädigung als sonications ohne Inertial Kavitation ¹¹ in Verbindung gebracht.

Die Verwendung höherer Frequenzen Beschallung führt zu lokalisierten Öffnungen aufgrund der kleineren Brennfleckgröße. 6 zeigt, dass höhere Frequenzen verwendet werden, um kleinere Bereiche der Öffnung zu erzeugen. Dies ermöglicht Untersuchung von Wirkungen Mitte Gehirn mit weniger nahe Schädel-Effekte.

Abbildung 1. Versuchsaufbau.

Abbildung 2. Pre (links) und nach (rechts) Behandlung T _1-w-Bilder durch ein Rattenhirn zeigen Erweiterung an vier Standorten Beschallung.

Abbildung 3. Pre (links) und nach (rechts) Behandlung T _2-w-Bilder durch ein Rattenhirn (dasselbe Tier wie Abb. 2) zeigt T _2-w Ödeme bei Beschallung Standorten 1 und 2.

Abbildung 4. Nachbehandlung sagittale T _1-w (links) und T _2-w (rechts) Bilder von der gleichen Rattenhirn wie Feigen. 2 und 3. Die Öffnung am Standort 1 (links) korreliert mit T _2-w Ödem (rechts). Lage 3 zeigt Öffnung (links), aber keine T _2-w Ödem.
Abbildung 5. Frequenzspektrum von Daten während eines einzigen 10 ms Burst bei 551,5 kHz erfasst. Die Grundfrequenz (f ₀₎ sowie Oberwellen (2 f ₀₎ und Sub / ultraharmonics (0,5 f _0, 1,5 f ₀₎ sichtbar sind.

Abbildung 6. Nachbehandlung CE-T _1-w axiale (links) und sagittaler (rechts) Bilder von einem Rattenhirn an vier Standorten auf 1,503 MHz beschallt. BBB Öffnungen bei dieser Frequenz zu sehen sind, um mehr lokalisiert.

Discussion

Vorbereitung der Tiere und Mikrobläschen sind die kritischsten Aspekte dieses Verfahrens. Das Haar auf dem Kopf des Tieres muss vollständig entfernt werden, um zu vermeiden Dämpfung des Ultraschalls. Die BBB unter Isofluran Anästhetikum kann unterbrochen werden, jedoch wird es schwierig, konsistente Öffnung zu erreichen.

Die Mikrobläschen immer sollte auch mit Sorgfalt und kleinen Spurweite gehandhabt werden, so großen Durchmesser Nadeln verwendet bei der Aufstellung, um zu vermeiden, sie zu brechen sein. Ebenso sollte die kleinste Spurweite Katheter, die vernünftigerweise in die Schwanzvene verwendet werden angestellt (22-Gauge wird empfohlen) werden. Wenn ein kleiner Katheter wird benötigt, um die richtige Platzierung in der Vene zu erreichen dann besonders vorsichtig müssen während der Mikrobläschen Injektion eingenommen werden. Die Mikroblasen-Injektionen sollte immer langsam erfolgen.

Burst-Modus sonications sollte immer verwendet werden. Wenn Dauerstrich sonications verwendet werden die Mikrobläschen nicht wieder auffüllen in die Gefäße an den Wandler Fokus und BBBD nicht erreicht werden. Wenn CE-T _1-w-Bilder nach der Behandlung nicht zeigen Unterbrechung kann die Behandlung wiederholt überprüfen, dass der Wasserstand bis gekrönt wird, so dass die Tiere den Kopf im Wasser ist und dass es keine Luftblasen auf der Hautoberfläche abgefangen werden .

Höhere Frequenzen eine bessere Lokalisierung in kleinen Tiermodellen, sondern erfordern höhere Drücke in situ, um das Öffnen zu induzieren. Es ist auch wichtig zu beachten, dass Verluste durch den Schädel höher bei höherem Druck und müssen bei der Schätzung in situ Druck berücksichtigt werden. Bei 0,5 MHz-Übertragung durch Ratten-Schädel ist etwa 73% ^8, sondern sinkt auf ca. 50% ¹⁵ bei 1,5 MHz. Die Dämpfung ist davon auszugehen, bis 5 m ^-1 Np MHz ^-1 liegen im Hirngewebe ⁴ werden. Höhere Frequenzen sind besser für die Arbeit in kleinen Tiermodellen geeignet sind aber weniger klinisch relevant.

Zelt "> Diese MRI-geführten Ansatz bietet Vorteile gegenüber US-gestützte Techniken, indem sie sehr präzise Targeting sowie Behandlungsergebnis Beurteilung sofort nach der Behandlung.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Small Animal Focused Ultrasound System	FUS Instruments, Inc.	RK-100
Definity	Lantheus Medical Imaging
Omniscan	GE Healthcare