Guidée par IRM rupture de la barrière hémato-encéphalique en utilisant transcrânienne d'ultrasons focalisés dans un modèle de rat

Summary

Microbulles médiée par la perturbation des ultrasons focalisés de la barrière hémato-encéphalique (BHE) est une technique prometteuse pour les non-invasive administration ciblée de médicaments dans le cerveau

Abstract

Ultrasons focalisés (FUS) la perturbation de la barrière hémato-encéphalique (BHE) est une technique de plus en plus d'une enquête pour contourner le ^1-5 BBB. La BHE est un obstacle important à des traitements pharmaceutiques de troubles du cerveau car elle limite le passage des molécules de la vascularisation dans le tissu cérébral de molécules inférieur à environ 500 Da en taille ^6. FUS induit des perturbations BBB (BBBD) est temporaire et réversible ⁴ et a un avantage sur des moyens chimiques d'induire BBBD en étant très localisée. FUS induit BBBD fournit un moyen pour étudier les effets d'une large gamme d'agents thérapeutiques sur le cerveau, ce qui ne serait autrement pas livrable pour le tissu à une concentration suffisante. Bien qu'un large éventail de paramètres échographiques ont fait leurs preuves à perturber le BBB ^2,5,7, il ya plusieurs étapes critiques dans la procédure expérimentale afin de perturber le succès avec un ciblage précis. Ce protocolecontours ol comment parvenir à l'IRM-guidées FUS induites BBBD dans un modèle de rat, avec un accent sur la préparation des animaux critique et les étapes de manipulation de microbulles de l'expérience.

Protocol

1. L'échographie et l'IRM de configuration

Une IRM-compatible à trois axes du système d'ultrasons focalisés a été utilisée dans cette étude (FUS Instruments, Inc, Toronto, Ontario, Canada). Deux transducteurs à ultrasons différents ont été utilisés: un dans la maison construite 551,5 kHz sphérique centrée transducteur (rayon de courbure = 60 mm, diamètre extérieur = 75 mm, diamètre intérieur = 20 mm), et une MHz 1,503, 8-secteur de tableau avec intégré PZT hydrophone (Imasonic Inc, Voray-sur-L'Orgnon, France), entraîné comme un élément sphérique seul transducteur focalisé (FN = 0,8, ouverture = 10 cm). Une IRM-compatible PVDF récepteur ⁸ a été utilisé pour enregistrer les émissions acoustiques lorsque le transducteur 551,5 kHz a été utilisé. Si l'équipement est utilisé, il est suggéré de:

1. Sélectionnez une manière appropriée, calibrée transducteur à ultrasons avec une fréquence centrale de la fourchette de 0,25 MHz -1,5 et un nombre f (rayon de courbure / ouverture) de 1 ou moins.
2. Placez un bain d'eau filled tiède, dégazé, de l'eau déminéralisée sur le lit d'un T 1,5 ou 3 T IRM. Le bain d'eau doit avoir une plaque supérieure, qui peut contenir les animaux. Monter la sonde d'échographie dans le réservoir sur une scène IRM positionnement compatible à trois axes ou d'un système ^9, face à la surface de l'eau.
3. Exécutez le câble du transducteur à l'équipement de conduite ultrasons à travers un panneau de pénétration.
4. Générer le signal de commande du transducteur en utilisant un générateur de fonctions et amplificateur de puissance. Utilisation d'un circuit externe appariement à minimiser la puissance électrique réfléchi.
5. Connaissant la longueur focale du transducteur, placer l'accent transducteur à la surface de l'eau et sonifier la surface de l'eau pour générer une fontaine d'eau visible. Étapes 1.6 et 1.7 décrivent comment enregistrer le focus à l'aide de la fontaine d'eau généré. Une méthode plus précise pour localiser le foyer, ce qui implique une sonication absorbant la chaleur de gel et de l'imagerie de l'élévation de température résultant à la mise au point avec l'IRM, peut être trouvé dans ^{9 <}/ Sup>.
6. Marquez l'emplacement du foyer à l'aide d'un marqueur qui sera visible sur les images IRM. Cela peut être fait en utilisant une plaque avec un trou au centre qui permettra de combler avec de l'eau lorsqu'il est placé sur la mise au point. Le trou rempli d'eau sera visible sur l'IRM et fournir des coordonnées dans deux plans focaux, tandis que le coordonnée dans la direction axiale du transducteur peut être déterminée à partir de la surface de l'eau.
7. Grâce à une séquence alignement 3-plan, l'image du marqueur mise au point et enregistrer l'emplacement de l'accent mis dans le système de coordonnées IRM.
8. Pour surveiller les émissions acoustiques, monter un ⁸ hydrophone compatible IRM qui est utilisé comme un détecteur de cavitation passive (PCD) dans le bain d'eau dirigé au foyer du transducteur, ou utiliser un transducteur avec hydrophone intégré.
9. Faites passer les câbles de la CPD pour une carte de la portée qui est suffisamment rapide pour capturer les éclats de jusqu'à 10 ms à PRF jusqu'à 2 Hz (par exemple ATS460, AlazarTech, Pointe-Claire, Québec, Canada). Les câbles doivent être mis à la pénétrationtration panneau ou blindage RF pour minimiser le bruit.

2. Préparation des animaux

1. Anesthésier les animaux au moyen de gaz isofluorane. Depuis isofluorane a un effet sur ​​rupture de la BHE ^10, les animaux devraient être retirés des gaz 10 minutes avant le début de l'expérience. Pommade oculaire lubrifiant Lieu de chaque oeil au début de l'anesthésie pour protéger la cornée de la dessiccation ou de blessure.
2. Utiliser un rasoir électrique raser la fourrure du haut de la tête de l'animal et le cou, puis retirez la fourrure restant en utilisant une crème dépilatoire (par exemple Nair, Church & Dwight Co., Princeton, NJ, Etats-Unis) et rincer le cuir chevelu avec un savon doux et de l'eau.
3. Préparer la queue avec un gommage bétadine suivi par un lavage Bridine. Effectuer une wipedown final à l'alcool afin de visualiser la veine de la queue.
4. Insérer un cathéter de calibre 22 avec robinet 3 voies dans la veine de la queue et rincer avec un mélange de saline / héparine (33 U / ml) pour éviter la formation de caillotsdans le cathéter.
5. Livrer anesthésiques injectables (40-50 mg de kétamine / kg, 10 mg / kg de xylazine) par injection intramusculaire, et enlever l'animal de l'isofluorane.
6. Placez le dos animal anesthésié sur le système de positionnement par ultrasons avec le haut de la tête de contact du bain-marie à travers un trou dans la plaque supérieure (Fig.1). Une petite quantité de gel à ultrasons peut être appliquée à la partie supérieure de la tête de l'animal afin de minimiser le risque de bulles d'air piégées.
7. Collez les jambes pour le système de positionnement. La tête peut être maintenue en place en utilisant soit un bar morsure, si disponible, ou un ruban placé fermement sur le menton.
8. Couvrir l'animal avec une serviette et faire circuler l'eau dans une couverture afin de le garder au chaud.

3. Target Selection

1. Acquérir de référence axiale T _{2-pondérées} et T _{1-pondérées} des images IRM du cerveau. Si vous utilisez un 1,5 T dédié d'IRM et de taille d'une tête bobine de surface RF-recevoir, adaptée scun des paramètres pourrait être:
   
   Pondérée T _2: FSE, TE = 60 ms, TR = 2000 ms
   Pondérée T _1: FSE, TE = 10 ms, TR = 500 ms

2. Sélectionnez la cible de la T _{2-pondérées} des analyses, en évitant les ventricules et la ligne médiane du cerveau, et en sélectionnant une profondeur mi-cerveau.
3. Déplacer le focus transducteur à l'emplacement cible.

4. Préparation des microbulles

Microbulles Definity (Lantheus Medical Imaging, MA, Etats-Unis) sont utilisés par plusieurs groupes pour le FUS médiation microbulles induites BBBD ^2,5,7. Les doses appropriées pour d'autres types de microbulles peuvent être trouvés dans la littérature ^11,12.

1. Activer les microbulles Definity et lentement élaborer un petit volume dans une seringue de 1 ml à l'aide d'une aiguille de calibre 18.
2. Retirer l'air emprisonné dans la seringue en faisant bouger le piston d'avant en arrière. Ne touchez pas la seringue comme cela peut casser les bulles.
3. Diluer le Definity dans des conditions normales une solution saline dans un rapport de 10:1 à une solution saline Definty par injection lentement le volume requis de Definity dans une seringue d'une solution saline. Si une prestation de perfusion est utilisé, l'Definity peut être diluée, à 50:1 ou 100:1.
4. Inverser doucement la seringue pour bien mélanger le Definity et une solution saline jusqu'à un aspect encore est atteint. Inversion douce de la seringue immédiatement avant l'injection peut également être nécessaire si les bulles ont commencé à flotter hors de la suspension.
5. Calculer le volume de la dose requise en fonction de 0,02 mL / kg de Definity, soit 0,2 mL / kg de la solution (à 10:1 de dilution).

5. Livraison ultrasons

1. Définissez les paramètres de sonication, en utilisant de faibles éclats de cycles d'usage, et non sonications ondes continues. Paramètres de sonication appropriées à 0,5 MHz sont MPa 0,23 en pression in situ, 10 coups ms à 1 Hz PRF, 2 min. temps de sonication totale. A 1,5 MHz appropriée des pressions in situ tomber autour de 0,45 à 0,5 MPa.

_content "> pressions appropriées à différentes fréquences peut être estimée à l'aide d'un index mécanique de 0,46 ^13.

2. Vérifiez que la tête de l'animal est toujours couplé à l'eau.
3. Injecter des microbulles lentement dans le cathéter dans la veine caudale et rincer avec 0,5 ml solution saline normale. Commencer la sonication simultanément avec le début de l'injection.

6. Évaluation IRM des résultats du traitement

1. Après la sonication, injecter un agent de contraste IRM (par exemple 0,2 ml / kg Omniscan, GE Healthcare) par l'intermédiaire du cathéter dans la veine caudale suivie d'un rinçage de 0,5 ml solution saline.
2. Effectuer pondération T ₁ jusqu'à ce que la crête d'imagerie de contraste s'est écoulé. Les sites sonication qui ont été avec succès perturbé montrera une meilleure valorisation que le tissu environnant.
3. Effectuer T _2-imagerie pondérée pour vérifier l'œdème. Signal de haute sur les sites de sonication est indicative de l'œdème.

7. ReprésentantRésultats

Agents de contraste IRM peut être livré avec succès à travers la BHE en utilisant des ultrasons focalisés et la diffusion des microbulles. La figure 2 montre pré et post-classique FUS T _1-w images. Figure 2B montre un contraste amélioré (CE) T _1-w image avec distinctes ouvertures focaux dans quatre endroits soniqués. Endroits sonication 1 et 2 montrent un rehaussement particulièrement lumineux. En Fig.3 emplacements 1 et 2 peuvent également être vu de correspondre avec T _2-w signal élevé, indiquant un œdème.

La mesure de T _2-w oedème peut parfois être plus facilement visualisés sur des tranches sagittales. La figure 4 montre CE-T _{1-T 2} w et-w coupes sagittales par endroits sonication 1 et 3. L'œdème est visible à l'emplacement 1, mais pas l'emplacement 3.

L'analyse spectrale des données capturées émissions acoustiques (Fig.5) peut montrer des émissions harmoniques et / ou sous / ultra émissions d'harmoniques lorsque cavitation stable se produit. HarmonICS peuvent aussi survenir à partir de tissus non-linéarités, tandis que les émissions sous et ultraharmonic ne peut se produire comme un résultat de ¹⁴ l'activité bulle. A des pressions plus élevées des émissions à large bande indiquant la cavitation inertielle peuvent également être détectées. Cependant ceux-ci ont été associés à de plus grandes quantités de rouge extravasations de globules et microlésions que sonications sans cavitation inertielle ^11.

L'utilisation de fréquences sonication des résultats plus élevés dans les ouvertures plus localisées dues à la taille plus petite tache focale. La figure 6 montre que les fréquences plus élevées peuvent être utilisées pour créer de plus petites régions de l'ouverture. Cela permet étude des effets à mi-cerveau avec moins de quasi-crâne effets.

Figure 1. Configuration expérimentale.

Figure 2. Pré (à gauche) et après traitement (droite) T _1-w images d'un cerveau de rat montrant l'amélioration à quatre endroits sonication.

Figure 3. Pré (à gauche) et après traitement (droite) T _2-w images d'un cerveau de rat (même animal que Fig.2) montrant T _2-w oedème à des endroits sonication 1 et 2.

Figure 4. Post-traitement sagittale T _1-w (à gauche) et T _2-w (à droite) des images du cerveau de rat même que les figures. 2 et 3. L'ouverture à l'emplacement 1 (à gauche) est en corrélation avec T _2-w oedème (à droite). Localisation La figure 3 montre un œdème ouverture (à gauche), mais pas T _2-w.
Figure 5. Du spectre des fréquences à partir des données saisies au cours d'une salve unique de 10 ms à 551,5 kHz. La fréquence fondamentale (f ₀₎ ainsi que les harmoniques (2 f ₀₎ et sous ou ultraharmonics (0,5 f _0, f ₀ 1,5) sont visibles.

Figure 6. Post-traitement CE-T _1-w axiale (à gauche) et sagittale (à droite) des images à partir d'un cerveau de rat soniquée dans quatre endroits au 1,503 MHz. Ouvertures BBB à cette fréquence sont considérés comme plus localisée.

Discussion

Préparation des animaux et de microbulles sont les aspects les plus critiques de cette procédure. Les cheveux sur la tête de l'animal doivent être complètement enlevées pour éviter d'atténuer le faisceau d'ultrasons. Le BBB peut être perturbé sous anesthésie isofluorane, cependant, il devient plus difficile de réaliser une ouverture constante.

Les microbulles doit toujours être manipulé avec soin et de petit calibre, les aiguilles de grand diamètre doivent être utilisés lors de l'élaboration, afin d'éviter de les briser. De même, le cathéter plus petit calibre qui peut être raisonnablement utilisés dans le veine de la queue doivent être employées (de calibre 22 est recommandé). Si un petit cathéter est nécessaire pour atteindre un placement correct dans la veine, puis des précautions supplémentaires doivent être prises lors de l'injection de microbulles. Les injections de microbulles doit toujours se faire lentement.

Sonications mode rafale doit toujours être employée. Si sonications ondes continues sont utilisées, les microbulles ne sera pas reconstituer dans les vaisseaux au foyer du transducteur et BBBD ne seront pas atteints. Si CE-T _1-w images de post-traitement ne montrent pas les perturbations, le traitement peut être répété de vérifier que le niveau d'eau est surmonté de façon à ce que la tête de l'animal est dans l'eau et qu'il n'y a pas de bulles d'air piégées sur la surface de la peau .

Des fréquences plus élevées de fournir une meilleure localisation de petits modèles animaux, mais exigent une plus grande des pressions in situ pour induire l'ouverture. Il est également important de considérer que les pertes dues au crâne sont plus élevés à plus haute pression et doivent être pris en compte lors de l'estimation des pressions in situ. A 0,5 MHz de transmission par le biais du crâne chez le rat est d'environ 73% ^8, mais tombe à environ 50% ¹⁵ à 1,5 MHz. L'atténuation peut être estimé à 5 Np m ^-1 MHz ^-1 dans les tissus du cerveau ^4. Des fréquences plus élevées sont mieux adaptés pour le travail de petits modèles animaux, mais sont moins cliniquement pertinente.

tente "> Cette approche guidée par IRM fournit des avantages par rapport échoguidées techniques en permettant ciblage très précis ainsi que l'évaluation des résultats du traitement immédiatement après le traitement.

Materials

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