Summary
혈액 - 뇌 장벽 (BBB)의 Microbubble-매개 집중 초음파 장애는 두뇌의 비침습 타겟 약물 전달을위한 유망 기술입니다
Abstract
혈액 - 뇌 장벽 (BBB)의 초점 초음파 (FUS) 혼란은 BBB 1-5 우회 위해 점점 더 조사 기법입니다. 덜 크기가 6에서 약 500 다보다 분자로 뇌 조직에 vasculature에서 분자의 통과 제한으로 BBB는 뇌 장애의 제약 치료에 중요한 장애물이다. FUS 유도 BBB 장애 (BBBD)는 화학 물질 이상의 장점은 고도화된 됨으로써 BBBD 일으킬 의미 임시 및 4 가역하고 있습니다. FUS 유도 BBBD 달리 충분한 농도의 조직에 deliverable 않을 두뇌에 치료 요원들이 다양한 효과를 조사하는 수단을 제공합니다. 초음파 파라미터의 다양한 범위 BBB 2,5,7을 방해 성공적으로 증명했지만, 정확한 타겟팅과 성공적인 중단을 보장하기위한 실험 절차의 몇 가지 중요한 단계가 있습니다. 이 protoc좋았 윤곽선은 얼마나 중요한 동물의 준비와 실험의 microbubble 처리 단계를 중심으로 쥐 모델에서 BBBD 유도된 MRI-안내 FUS을 달성합니다.
Protocol
1. 초음파 및 MRI 설치
MRI 호환 세 축 집중 초음파 시스템은 (FUS 인 스트 루먼트 주식 회사, 토론토, 온타리오, 캐나다) 본 연구에서 사용되었다. 두 개의 서로 다른 초음파 트랜스 듀서가 사용되었습니다 통합과 내부 건설 551.5 kHz에서 이리저리 중심 변환기는 (곡률 반경 = 60mm, 외부 직경 = 75mm, 내경 = 20 ㎜)과 1.503 MHz의, 8 섹터 배열 PZT 수중 처음기 (Imasonic 주식 Voray-SUR-L'Orgnon, 프랑스)는 단일 요소 이리저리 초점 변환기 (= 0.8, 조리개는 = 10 센티미터 FN)로 구동. MRI 호환 PVDF 수신기 8 551.5 kHz에서 변환기가 사용되었을 때 음향 방출을 기록하는 데 사용되었다. 서로 다른 장비를 사용하는 경우, 다음은 제안된다 :
- 범위는 0.25 MHz의 -1.5 MHz 단위 중심 주파수 1 이하의 F-번호 (곡률 / 조리개 반경)와 적절한 보정 초음파 변환기를 선택합니다.
- 물 목욕 Fi를 놓으십시오1.5 T 3 T MRI의 침대에 따뜻하고 degassed, 드 이온화 물로 카이로. 물 목욕은 동물을 보유할 수있는 최고의 플레이트가 있어야합니다. 수면에 직면하고, MRI 호환 세 축 위치 결정 스테이지 또는 시스템 9 일 탱크에 초음파 변환기를 탑재합니다.
- 침투 패널을 통해 초음파 구동 장비 듀서 케이블을 실행합니다.
- 함수 발생기와 전력 증폭기를 사용하여 변환기의 구동 신호를 생성합니다. 반사 전력을 최소화하기 위해 외부 매칭 회로를 사용하십시오.
- 변환기 초점 거리 알면, 수면에서 변환기 포커스를 놓고 보이는 물 분수를 생성하기 위해 물 표면을 sonicate. 단계 1.6 1.7은 생성된 물 분수를 사용하여 포커스를 등록하는 방법에 대해 설명합니다. MRI와 초점에서 젤 및 이미징 인한 온도 상승을 흡수 열을 sonicating 포함 초점을 찾기위한보다 정확한 방법은, 9에서 찾을 수 있습니다 </>이 저녁을 먹다.
- MR 영상에서 볼 수 있습니다 마커를 사용하여 초점의 위치를 표시한다. 이것은 초점 위에 위치했을 때 물로 채울 것입 중앙 구멍과 접시를 사용하여 수행할 수 있습니다. 변환기의 축 방향으로 좌표가 수면에서 결정할 수있는 동안 물이 채워진 구멍이 MRI에 표시되며, 두 비행기에 초점 좌표를 제공할 것입니다.
- , 3 비행기 localizer 시퀀스를 사용하여 이미지 초점 마커를하고 MRI 좌표 시스템의 초점의 위치를 기록합니다.
- 음향 방출을 모니터링하려면 변환기 초점 겨냥한 물을 욕조에 수동 캐비테이션 검출기 (PCD)로 사용되는 MR-호환 수중 처음기의 8을 장착, 또는 통합 수중 처음기와 변환기를 사용합니다.
- 2 Hz에서 (예 : ATS460, AlazarTech, Pointe-클레어, 퀘벡, 캐나다)로 PRFs 10 MS 최대의 파열을 캡처할 충분히 빠르고 범위 카드로 PCD 케이블을 실행합니다. 케이블은 pene에 접지되어야합니다tration 패널 또는 RF 차폐는 노이즈를 최소화합니다.
2. 동물 준비
- isofluorane 가스를 사용하여 동물을 마취. isofluorane는 BBB 장애 10 효과가 있기 때문에 동물 실험이 시작하기 전에 가스를 10 분 정도 날아 갔다고한다. 탈수 또는 기타 부상에서 각막을 보호하기 위해 마취의 시작 부분에서 각 눈을 플레이스 안구 윤활제 연고.
- 전기 면도기를 사용하면 동물의 머리와 목 위로부터 모피를 면도 후 depilatory 크림 (예 : 나이르, 교회 & 드와이트 (주) 프린스턴, 뉴저지, 미국)를 사용하여 남은 모피를 제거하고 순한 비누로 두피를 씻어 물.
- bridine 세차 다음 betadine 피부 스크럽으로 꼬리를 준비합니다. 꼬리 정맥을 시각화하기 위해 알코올로 최종 wipedown을 수행합니다.
- 꼬리 정맥에 3 방향 꼭지와 22 게이지 카테터를 삽입하고 응고 형성을 방지하기 위해 헤파린 / 식염수 혼합물 (33 U / ML)로 플러시카테터 인치
- 근육내 주사를 통해 주사용 anesthetics을 (40-50 밀리그램 / kg 케타민을, 10 밀리그램 / kg xylazine) 전달하고 isofluorane에서 동물을 제거합니다.
- 상단 플레이트 (Fig.1)의 구멍을 통해서 waterbath 연락 머리의 맨과 함께 초음파 포지셔닝 시스템의 anesthetized 동물 부정사를 놓습니다. 초음파의 작은 금액은 어쩌면 덫을 airbubbles의 기회를 최소화하기 위해 동물의 머리의 상단에 적용 젤.
- 포지셔닝 시스템에 테이프 다리. 머리는 어느 물린 막대를 사용 장소에서 개최, 가능한 경우, 또는 테이프 턱에 걸쳐 확고하게 게재될 수 있습니다.
- 수건과 몸을 따뜻하게 유지하기 위해 물 담요를 순환과 동물을 커버.
3. 대상 선정
기준 축 T 두뇌의 2 가중과 T 1-가중 MR 이미지를 취득. 1.5 T SC 적합 머리 크기의 RF 수신 표면 코일 MRI 및 전용을 사용하는 경우매개 변수가있을 수 있습니다 :
T이 가중 : FSE, TE = 60 MS, TR = 2000 MS
가중 T 1 : FSE, TE = 10 MS, TR은 = 500 MS- T에서 대상 선택 2-가중 스캔, 심실과 뇌의 중간선을 피하고, 그리고 중간 뇌 깊이를 선택합니다.
- 대상 위치에 변환기 포커스를 이동합니다.
4. Microbubble 준비
Definity의 microbubbles은 (Lantheus 의료 이미징, MA, 미국) BBBD 2,5,7을 유도 microbubble 중재의 FUS 여러 그룹에 의해 사용됩니다. 다른 microbubble 유형에 대한 적절한 복용량은 문학 11,12에서 찾을 수 있습니다.
- Definity의 microbubbles을 활성화 천천히 18 게이지 바늘을 사용하여 1 ML에 주사기로 작은 볼륨을 그립니다.
- 부드럽게 앞뒤로 플런저를 이동하여 주사기의 갇힌 공기를 제거합니다. 이것은 거품을 깰 수있는 주사기를 준거하지 마십시오.
- 정상의 Definity를 희석 천천히 식염수의 주사기로 Definity의 필요한 볼륨을 주입하여 Definty에 10시 1분 염분의 비율로 염분. 주입 배달이 사용되는 경우, Definity는 50:1 또는 100:1로 더 희석 될 수 있습니다.
- 부드럽게도 외관이 달성될 때까지 철저하게 Definity과 식염수를 섞어 주사기로 바꾸란. 거품이 정지 중에 부유하기 시작했을 경우 즉시 사전 주입으로 주사기의 잔잔한 반전도 필요할 수 있습니다.
- 0.02 ML / Definity의 kg 또는 0.2 ML / 솔루션 kg (10시 1분 희석시)에 근거하여 필요한 복용량 볼륨을 계산합니다.
5. 초음파 배달
- 낮은 듀티 사이클 파열이 아닌 지속적인 웨이브 sonications를 사용하여 sonication 매개 변수를 설정합니다. 0.5 MHz로 적절한 sonication 매개 변수 원위치 압력 0.23의 MPA, 1 Hz에서 PRF, 2 분 10 MS의 파열입니다. 총 sonication 시간. 현장에서 압력에 적합한 1.5 MHz의는 0.45-0.5 MPA 주위에 빠지다.
- 동물의 머리는 여전히 물이 결합되어 있는지 확인합니다.
- 꼬리 정맥 카테터로 천천히 microbubbles을 주사하고 0.5 ML 정상 식염수에 플러시. 분사의 시작과 동시에 sonication을 시작합니다.
6. 치료 결과의 MRI 평가
- sonication 후, 0.5 ML 식염수 수세식이어서 꼬리 정맥 카테터를 통해 (예를 들어 0.2 ML / kg Omniscan, GE 헬스케어) MRI 대비 에이전트를 주입.
- 콘트라스트 피크가 통과하기 전까지는 T 1-가중 영상을 수행합니다. 성공적으로 중단되었습니다 Sonication 사이트는 주변 조직보다 더 큰 향상을 보여줍니다.
- 부종를 확인하기 위해 T 2-가중 영상을 수행합니다. sonication 사이트에서 높은 신호는 부종을 나타내는 것입니다.
7. 대리인결과
MRI 대비 에이전트가 성공적으로 집중 초음파를 사용하고 microbubbles을 순환 BBB를 통해 전달할 수 있습니다. 그림 2는 전형적인 사전 및 사후 FUS T 1-W 이미지를 보여줍니다. 그림 2B는 콘트라스트 향상 (CE) T 1-W의 네 sonicated 지역에서 뚜렷한 초점 구멍과 이미지를 보여줍니다. Sonication 위치 1과 2는 특히 밝은 향상을 보여줍니다. Fig.3 지역의 1과 2는 또한 부종을 나타내는, T 2-w 높은 신호에 대응하는 모습을 볼 수 있습니다.
T의 범위 2-W의 부종은 때로 화살 조각에보다 쉽게 시각이 될 수 있습니다. 그림 4는 CE-T 1-W 및 T 2-w 화살 조각 sonication 위치를 통해 1과 3을 보여줍니다. 부종은 지역 하나지만 위치에 3 볼 수 있습니다.
캡처한 음향 방출 데이터 (Fig.5)의 스펙트럼 분석 고조파 방출 및 / 또는 안정 캐비테이션이 발생 초소형 / 서브 고조파 방출을 보여줄 수 있습니다. 하몬서브 및 ultraharmonic 배출량에만 거품 활동 14 결과로 발생할 수 있지만 ICS는 또한, 조직 비 linearities에서 발생할 수 있습니다. 높은 압력에서 관성 캐비테이션을 나타내는 광대역 배출량도 검색됩니다. 그러나 이들은 관성 캐비테이션 11없이 sonications보다 적혈구의 extravasations 및 microdamage보다 양의와 관련된되었습니다.
작은 초점 스폿 크기로 인해 더 많은 지역화된 개구부 높은 sonication 주파수 결과의 사용. 그림 6은 높은 주파수는 오프닝의 작은 영역을 만드는 데 사용할 수있는 것을 보여줍니다. 이것은 적은 가까운 두개골 효과와 효과 중반 두뇌의 조사를 허용합니다.
그림 1. 실험 설정.
그림 2. 사전 (왼쪽) 및 사후 (오른쪽) 치료 T 1-W 사 sonication 위치에서 향상을 보여주는 쥐 두뇌의 이미지.
그림 3. 사전 (왼쪽) 및 사후 (오른쪽) 치료 T 2 - 목 sonication 위치 1과 2에서 2-W의 부종을 보여주는 쥐의 뇌 (Fig.2와 같은 동물)의 이미지.
그림 4. 우편 치료 화살 T 1-W (왼쪽)과 T 2-W (오른쪽) 같은 쥐의 두뇌에서 이미지는 무화과. 2와 3. 위치 1의 자리 (왼쪽) T 2-w 부종 (오른쪽)와 연결합니다. 위치 3 오프닝 (왼쪽) 그런데 T 2-w 부종을 보여줍니다. 
그림 5. 551.5 kHz에서에서 단일 열 MS 버스트 동안 캡처된 데이터의 주파수 스펙트럼. 기본 진동수 (F 0)뿐만 아니라 고조파 (2 F 0)와 하위 / ultraharmonics은 (0.5 F 0, 1.5 F 0) 볼 수 있습니다.
그림 6. 후 치료 CE-T 1-W 축 (왼쪽)와 1.503 MHz로 네개의 장소에 sonicated 쥐 두뇌의 화살 (오른쪽) 이미지. 이 주파수에서 BBB 채용 더화된 것으로 볼 수 있습니다.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
동물과 microbubbles의 준비는이 절차의 가장 중요한 측면입니다. 동물의 머리에 머리를 완전히 초음파 빔을 attenuating 피하기 위해 제거해야합니다. BBB는 isofluorane 마취하에 중단될 수 있습니다 그러나, 그것은 일관된 개방을 달성하기 위해 더 어려워집니다.
그들을 위반하지 않도록하기 위해, 최대 그릴 때 microbubbles 항상 관심과 작은 게이지해서 다루어 져야, 큰 직경의 바늘을 사용해야합니다. 마찬가지로, 합리적으로 꼬리 정맥에서 사용할 수있는 가장 작은 게이지 카테터는 (22 게이지가 권장된다) 고용해야합니다. 작은 카테터가 정맥의 적절한 배치를 달성하기 위해 필요한 경우 다음 여분의주의가 microbubble 주사하는 동안 촬영해야합니다. microbubble 주사는 항상 천천히 수행되어야한다.
버스트 모드 sonications 항상 고용되어야한다. 지속적인 웨이브 sonications 사용하는 경우 microbubbles가 보충되지 않습니다 로 변환기 포커스와 BBBD에서 혈관이 달성되지 않습니다. CE-T 1-W 이미지 사후 치료 중단을 표시하지 않는 경우, 치료는 수위가 동물 헤드가 피부 표면에 갇힌 기포가없는 것을 물에이며되도록까지 얹은 것을 확인 되풀이 될 수 .
높은 주파수는 작은 동물 모델에서 더 나은 현지화을 제공하지만 오프닝을 유발해서 원위치 압력에서 높은 요구합니다. 두개골로 인한 손실이 더 높은 압력에서 높은 압력이며, 현장에서 산출할 때 집결해야한다고 생각하는 것도 중요합니다. 쥐의 두개골을 통해 0.5 MHz의 전송에서 약 73% 8이지만, 1.5 MHz로 약 50 % 15 드롭스요. 감쇠는 뇌 조직을 4에서 5 NP m -1 MHz의 -1로 간주 할 수 있습니다. 높은 주파수는보다 작은 동물 모델에서의 작업에 적합하지만, 적은 임상적으로 관련이있다.
텐트 ">이 MRI 주 도형 접근은 즉시 사후 치료를 타겟뿐만 아니라 치료 결과를 평가 매우 정밀한 허용하여 초음파 유도 기법을 통해 이점을 제공합니다.Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
K. Hynynen과 R. 초프라은 FUS 인 스트 루먼트의 공동 설립자이며, 주식 회사 R. 초프라, A. Waspe 및 K. Hynynen는 주주 FUS 인 스트 루먼트에 주식 K. Hynynen은 FUS 악기 주식 회사로부터 연구 지원을받는
Acknowledgments
저자는 동물 보호와 그들의 도움을 쇼나 Rideout-Gros, 그리고 알렉 산드라의 Garces 감사드립니다, 그리고 그녀의 기술 지원 핑 우 것이다. 이 작품에 대한 지원 보조금없이 아래의 국립 보건원에 의해 제공되었다. EB003268, 그리고 캐나다 연구 의자 프로그램.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Small Animal Focused Ultrasound System | FUS Instruments, Inc. | RK-100 | |
| Definity | Lantheus Medical Imaging | ||
| Omniscan | GE Healthcare |
References
- Kinoshita, M., McDannold, N., Jolesz, F. A., Hynynen, K. Noninvasive localized delivery of Herceptin to the mouse brain by MRI-guided focused ultrasound-induced blood-brain barrier disruption. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 103, 11719-11723 (2006).
- Jordão, J. F., Ayala-Grosso, C. A., Markham, K., Huang, Y., Chopra, R., McLaurin, J., Hynynen, K., Aubert, I. Antibodies targeted to the brain with image-guided focused ultrasound reduces amyloid-beta plaque load in the TgCRND8 mouse model of Alzheimer's disease. PLoS One. 5 (5), e10549-e10549 (2010).
- Liu, H. -L., Hua, M. -Y., Chen, P. -Y., Chu, P. -C., Pan, C. -H., Yang, H. -W., Huang, C. -Y., Wang, J. -J., Yen, T. -C., Wei, K. -C. Blood-brain barrier disruption with focused ultrasound enhances delivery of chemotherapeutic drugs for glioblastoma treatment. Radiology. 255, 415-425 (2010).
- Hynynen, K., McDannold, N., Vykhodtseva, N., Jolesz, F. A. Noninvasive MR imaging-guided focal opening of the blood-brain barrier in rabbits. Radiology. 220, 640-646 (2001).
- Choi, J. J., Wang, S., Tung, Y. -S., Morrison, B., Konofagou, E. E. Molecules of various pharmacologically-relevant sizes can cross the ultrasound-induced blood-brain barrier opening in vivo. Ultrasound Med. Biol. 36, 58-67 (2010).
- Pardridge, W. M. The blood-brain barrier: bottleneck in brain drug development. NeuroRx. 2, 3-14 (2005).
- Bing, K. F., Howles, G. P., Qi, Y., Palmeri, M. L., Nightingale, K. R. Blood-brain barrier (BBB) disruption using a diagnostic ultrasound scanner and Definity in mice. Ultrasound Med. Biol. 35, 1298-1308 (2009).
- O'Reilly, M. A., Hynynen, K. A PVDF receiver for ultrasound monitoring of transcranial focused ultrasound therapy. IEEE Trans. Biomed. Eng. 57, 2286-2294 (2010).
- Chopra, R., Curiel, L., Staruch, R., Morrison, L., Hynynen, K. An MRI-compatible system for focused ultrasound experiments in small animal models. Med. Phys. 36, 1867-1874 (2009).
- McDannold, N., Zhang, Y., Vykhodtseva, N. Blood-Brain Barrier Disruption and Vascular Damage Induced by Ultrasound Bursts Combined with Microbubbles can be Influenced by Choice of Anesthesia Protocol. Ultrasound Med. Biol. , (2011).
- McDannold, N., Vykhodtseva, N., Hynynen, K. Targeted disruption of the blood-brain barrier with focused ultrasound: association with cavitation activity. Phys. Med. Biol. 51, 793-807 (2006).
- Yang, F. -Y., Liu, S. -H., Ho, F. -M., Chang, C. -H. Effect of ultrasound contrast agent dose on the duration of focused-ultrasound-induced blood-brain barrier disruption. J. Acoust. Soc. Am. 126, 3344-3349 (2009).
- McDannold, N., Vykhodtseva, N., Hynynen, K. Blood-brain barrier disruption induced by focused ultrasound and circulating preformed microbubbles appears to be characterized by the mechanical index. Ultrasound Med. Biol. 34, 834-840 (2008).
- Neppiras, E. A. Acoustic Cavitation. Physics Reports (Review Section of Physics Letters). 61, 159-251 (1980).
- O'Reilly, M. A., Huang, Y., Hynynen, K. The impact of standing wave effects on transcranial focused ultrasound disruption of the blood-brain barrier in a rat model. Phys. Med. Biol. 55, 5251-5267 (2010).
