Resonancia magnética guiada por disrupción de la barrera sangre-cerebro con ultrasonido transcraneal Enfocado en un modelo de rata

Summary

Microburbujas mediada por la interrupción ultrasonido focalizado de la barrera hemato-encefálica (BHE) es una técnica prometedora para no invasiva la entrega de fármacos en el cerebro

Abstract

El ultrasonido focalizado (FUS) disrupción de la barrera hematoencefálica (BBB) ​​es una técnica cada vez más investigado por eludir el ^1-5 BBB. La BHE es un obstáculo importante para los tratamientos farmacéuticos de los trastornos cerebrales, ya que limita el paso de moléculas de la vasculatura en el tejido cerebral de las moléculas de menos de aproximadamente 500 Da de tamaño ^6. FUS inducida interrupción BBB (BBBD) es temporal y reversible ⁴ y tiene una ventaja sobre medios químicos de inducir BBBD por ser altamente localizada. FUS inducida BBBD proporciona un medio para investigar los efectos de una amplia gama de agentes terapéuticos en el cerebro, que de otro modo no sería entregable al tejido en concentración suficiente. Mientras que una amplia gama de parámetros de ultrasonido han demostrado su eficacia a perturbar el BBB ^2,5,7, hay varios pasos críticos en el procedimiento experimental para asegurar la interrupción exitosa con precisión en el blanco. Este protoccontornos ol cómo lograr guiada por RM FUS BBBD inducidas en un modelo de rata, con un enfoque en la preparación de los animales y los pasos críticos de microburbujas de manejo del experimento.

Protocol

1. La ecografía y la resonancia magnética de configuración

Una resonancia magnética compatible con tres ejes del sistema de ultrasonido focalizado se utilizó en este estudio (FUS Instruments, Inc., Toronto, Ontario, Canadá). Dos transductores de ultrasonidos se utilizaron diferentes: uno en casa construida 551,5 kHz esféricamente centrada transductor (radio de curvatura = 60 mm, diámetro externo = 75 mm, diámetro interno = 20 mm), y un 1,503 MHz, 8-sector de matriz con integrado PZT hidrófono (Imasonic Inc., Voray-sur-L'Orgnon, Francia), impulsados ​​como un solo elemento transductor esférico centrado (FN = 0.8, apertura = 10 cm). Una resonancia magnética compatible con PVDF receptor ⁸ se utiliza para grabar las emisiones acústicas cuando el transductor kHz 551,5 se utilizó. Si se utilizan diferentes equipos, se sugieren los siguientes:

1. Seleccionar un transductor adecuado, calibrado ultrasonido con una frecuencia central en la gama MHz MHz 0,25 -1,5 y un número f (radio de curvatura / abertura) de 1 o menos.
2. Coloque un baño de agua filled con agua tibia, desgasificado, agua desionizada en la cama de un 1,5 o 3 T T resonancia magnética. El baño de agua debe tener una placa superior, que puede contener a los animales. Monte el transductor de ultrasonido en el tanque en una resonancia magnética compatible con la etapa de posicionamiento de tres ejes o el sistema ^9, frente a la superficie del agua.
3. Ejecute el cable del transductor en el equipo de conducción de ultrasonido a través de un panel de la penetración.
4. Generar la señal de excitación del transductor mediante un generador de funciones y amplificador de potencia. Utilizar un circuito de adaptación externa para minimizar la potencia reflejada eléctrica.
5. Conociendo la longitud focal del transductor, situar el foco del transductor en la superficie del agua y sonicar la superficie del agua para generar una fuente de agua visible. Pasos 1.6 y 1.7 se describe cómo registrar el enfoque utilizando la fuente de agua generado. Un método más preciso para localizar el foco, que implica un tratamiento con ultrasonidos de absorción de calor de gel y de imagen resultante de la elevación de temperatura en el foco con la RM, se puede encontrar en ^{9 <}/ Sup>.
6. Marcar la localización del foco utilizando un marcador que será visible en las imágenes de RM. Esto puede hacerse utilizando una placa con un agujero central que se llenará con agua cuando se coloca sobre el foco. El agujero lleno de agua será visible en la RM y proporcionará las coordenadas focales en dos planos, mientras que la coordenada en la dirección axial del transductor se puede determinar a partir de la superficie del agua.
7. Usando una secuencia localizador 3-plano, la imagen del marcador de enfoque y registrar la localización del foco en el sistema de coordenadas de MRI.
8. Para controlar las emisiones acústicas, montar un hidrófono ⁸ MR-compatible que se utiliza como un detector de cavitación pasiva (PCD) en el baño de agua dirigida en el foco del transductor, o utilizar un transductor con hidrófonos integrado.
9. Pase los cables de PCD en una tarjeta de alcance que es lo suficientemente rápida para capturar ráfagas de hasta 10 ms en el PRF de hasta 2 Hz (por ejemplo, ATS460, AlazarTech, Pointe-Claire, Quebec, Canadá). Los cables deben estar conectados a tierra a la penetracióntración del panel o una pantalla de radiofrecuencia para minimizar el ruido.

2. Preparación de Animales

1. Se anestesia a los animales que utilizan gas isofluorano. Desde isofluorano tiene un efecto sobre la alteración BBB ^10, los animales deben ser retirados los gases de 10 minutos antes del inicio del experimento. Ocular lugar lubricante pomada en cada ojo en el comienzo de la anestesia para proteger la córnea de la desecación u otras lesiones.
2. Utilizando una máquina de afeitar eléctrica afeitarse la piel de la parte superior de la cabeza del animal y el cuello, a continuación, retire la piel que queda con una crema depilatoria (por ejemplo, Nair, Church & Dwight Co., Princeton, NJ, EE.UU.) y enjuague el cuero cabelludo con jabón suave y agua.
3. Preparar la cola con un lavado de la piel betadine seguido de un lavado bridine. Realizar una wipedown final con el alcohol con el fin de visualizar la vena de la cola.
4. Insertar un catéter de calibre 22 con llave de paso 3-camino en la vena de la cola y enjuague con una mezcla de heparina / solución salina (33 U / ml) para evitar la formación de coágulosen el catéter.
5. Entregar anestésicos inyectables ketamina (40-50 mg / kg, 10 mg / kg de xilazina) por vía intramuscular, y retirar al animal del isofluorano.
6. Coloque el supina animales anestesiados en el sistema de posicionamiento de ultrasonido con la parte superior de la cabeza en contacto con el baño de agua a través de un agujero en la placa superior (Fig. 1). Una pequeña cantidad de gel de ultrasonido puede ser aplicado a la parte superior de la cabeza del animal para minimizar la posibilidad de burbujas de aire atrapadas.
7. Tape las piernas para el sistema de posicionamiento. La cabeza puede ser mantenido en su lugar utilizando una barra de bocado, si está disponible, o la cinta colocada firmemente en el mentón.
8. Cubra el animal con una toalla y una manta que circula el agua con el fin de mantener el calor.

3. Selección del Objetivo

1. Adquirir referencia axial _en T2 _y T1-imágenes de RM del cerebro. Si se utiliza una resonancia magnética 1,5 T y dedicado la cabeza del tamaño de RF-bobina de recepción de superficie, apto scun parámetros pueden ser:
   
   T ₂ ponderada: FSE, TE = 60 ms, TR = 2000 ms
   T ₁ ponderada: FSE, TE = 10 ms, TR = 500 ms

2. Seleccione el destino de la _T-2 ponderados exploraciones, evitando los ventrículos y la línea media del cerebro, y la selección de una profundidad media del cerebro.
3. Mover el enfoque del transductor a la ubicación de destino.

4. Preparación de microburbujas

Microburbujas DEFINITY (Lantheus Medical Imaging, MA, EE.UU.) son utilizados por varios grupos de FUS mediados de microburbujas inducidos BBBD ^2,5,7. Las dosificaciones apropiadas para otros tipos de microburbujas se puede encontrar en la bibliografía ^11,12.

1. Activar las microburbujas Definity y poco a poco establecer un pequeño volumen con una jeringa de 1 ml con una aguja de calibre 18.
2. Quite el aire atrapado de la jeringa moviendo suavemente el émbolo hacia atrás y hacia adelante. No golpee la jeringa ya que esto puede romper las burbujas.
3. Diluir el Definity en condiciones normales solución salina en una proporción de 10:1 salina para Definty lentamente inyectar el volumen requerido de Definity en una jeringa de solución salina. Si una entrega de infusión se utiliza, el Definity puede ser aún más diluida, a 50:1 o 100:1.
4. Invierta suavemente la jeringa para mezclar bien el Definity y solución salina hasta que un aspecto aún se consigue. Inversión suave de la jeringa inmediatamente antes de la inyección también puede ser necesaria si las burbujas han empezado a flotar fuera de la suspensión.
5. Calcular el volumen de la dosis requerida sobre la base de 0,02 ml / kg de Definity, o 0,2 ml / kg de la solución (menos 10:1 dilución).

5. Ultrasonido de entrega

1. Establezca los parámetros de tratamiento con ultrasonidos, con ráfagas de bajo ciclo de trabajo, no sonicaciones de onda continua. Parámetros apropiados sonicación a 0,5 MHz son MPa 0,23 de la presión in situ, 10 ráfagas ms a 1 Hz PRF, 2 min. tiempo de sonicación total. En 1,5 MHz apropiado de las presiones situ caer alrededor de 0,45-0,5 MPa.

_content "> presiones adecuadas a diferentes frecuencias pueden estimarse mediante un índice mecánico de 0,46 ^13.

2. Comprobar que la cabeza del animal está todavía acoplado al agua.
3. Inyectar lentamente las microburbujas en el catéter vena de la cola y enjuague con 0,5 ml de solución salina normal. Comienza la sonicación simultáneamente con el inicio de la inyección.

6. Evaluación de resonancia magnética del resultado del tratamiento

1. Tras la sonicación, inyectar un agente de contraste para RM (por ejemplo, 0,2 ml / kg Omniscan, GE Healthcare) a través del catéter vena de la cola seguida de una infusión 0,5 ml de solución salina.
2. Realizar _en T1 imágenes hasta que el pico de contraste haya pasado. Sonicación sitios que han sido exitosamente interrumpió mostrarán una mayor mejora que el tejido circundante.
3. Realizar _T2 imágenes para comprobar si hay edema. Señal alta en los sitios de sonicación es indicativo de edema.

7. RepresentanteResultados

Los agentes de contraste de MRI puede ser entregado con éxito a través de la BHE mediante ultrasonidos enfocados y difusión de microburbujas. La Figura 2 muestra típica de pre y post-FUS T _1-w imágenes. La Figura 2B muestra un contraste mejorado (CE) T _1-w imagen con distintas aberturas de coordinación en cuatro lugares sonicadas. Sonicación lugares 1 y 2 muestran la mejora particularmente brillante. En Fig.3 lugares 1 y 2 también se puede ver que se corresponden con T _2-w señal alta, lo que indica el edema.

El grado de T _2-w edema puede ser a veces más fácil de visualizar en rodajas sagitales. La figura 4 muestra _CE-T-1 y T ₂ w-w cortes sagitales a través de lugares de sonicación 1 y 3. El edema es visible en la posición 1, pero no la ubicación 3.

El análisis espectral de los datos capturados de las emisiones acústicas (Fig. 5) puede mostrar las emisiones de armónicos y / o sub / ultra emisiones armónicas cuando la cavitación estable, se está produciendo. HarmonVA también puede surgir a partir de tejido no-linealidades, mientras que las emisiones y sub ultraharmonic sólo puede ocurrir como resultado de la actividad de burbujas ^14. A presiones más altas emisiones de banda ancha que indican la cavitación inercial también puede ser detectada. Sin embargo, estos se han asociado con una mayor cantidad de rojo extravasación de células sanguíneas y que microdaño sonicaciones sin cavitación de inercia ^11.

El uso de frecuencias más altas de sonicación resultados en las aperturas más localizados, debido al tamaño de punto más pequeño focal. La Figura 6 muestra que las frecuencias más altas se pueden utilizar para crear pequeñas regiones de apertura. Esto permite la investigación de los efectos cerebrales mediados de los con menos cercanos a los efectos del cráneo.

Figura 1. Arreglo experimental.

Figura 2. Pre (izquierda) y después (derecha) del tratamiento T _1-w imágenes de un cerebro de rata que muestra la mejora en cuatro lugares de sonicación.

Figura 3. Pre (izquierda) y después (derecha) del tratamiento T _2-w imágenes de un cerebro de rata (el mismo animal, como la figura 2) que muestra T _2-w edema en los lugares de sonicación 1 y 2.

Figura 4. Tratamiento posterior sagital T _1-w (izquierda) y _T-2-W (derecha) las imágenes del cerebro de rata lo mismo que las figuras. 2 y 3. La apertura en la posición 1 (izquierda) se correlaciona con la _T-2 w edema (derecha). Ubicación 3 muestra edema de apertura (a la izquierda), pero no _T-2 w.
Figura 5. Espectro de frecuencia de los datos capturados en una sola ráfaga de 10 ms a 551,5 kHz. La frecuencia fundamental (f _0), así como los armónicos (2 f ₀₎ y sub / ultraharmonics (0,5 f _0, 1,5 f ₀₎ son visibles.

Figura 6. Tratamiento posterior CE-T _1-w axial (izquierda) y sagital (derecha) las imágenes de un cerebro de rata con ultrasonidos en cuatro lugares en los 1.503 Mhz. Aberturas de BBB en esta frecuencia se observa que son más localizadas.

Discussion

Preparación de los animales y las microburbujas son los aspectos más críticos de este procedimiento. El pelo en la cabeza del animal debe ser totalmente eliminado para evitar la atenuación del haz de ultrasonidos. El BBB puede ser interrumpido bajo isofluorano anestésico, sin embargo, se hace más difícil de lograr apertura consistente.

Las microburbujas siempre deben manipularse con cuidado y de pequeño calibre, agujas de gran diámetro debe ser utilizado en la elaboración, con el fin de evitar la ruptura de ellos. De manera similar, el catéter de calibre más pequeño que puede ser razonablemente utilizado en la vena de la cola debe ser empleado (22-calibre se recomienda). Si un pequeño catéter se requiere para lograr la colocación adecuada en la vena a continuación un cuidado especial se debe tomar durante la inyección de microburbujas. Las inyecciones de microburbujas siempre se debe hacer lentamente.

Sonicaciones modo de ráfaga siempre debe ser empleado. Si sonicaciones onda continua se utilizan las microburbujas no repondrá dentro de los vasos en el centro del transductor y BBBD no se logrará. Si EC-T _1-w imágenes post-tratamiento no muestran la interrupción, el tratamiento puede repetirse la comprobación de que el nivel del agua se rellena de modo que la cabeza animales está en el agua y que no hay burbujas de aire atrapadas en la superficie de la piel .

Las frecuencias más altas proporcionan una mejor localización en modelos animales pequeños, pero requieren una mayor de las presiones in situ para inducir la apertura. También es importante considerar que las pérdidas debidas al cráneo son superiores a mayor presión y debe tenerse en cuenta al calcular las presiones in situ. En la transmisión a través del cráneo 0,5 MHz rata es de aproximadamente 73% ^8, pero se reduce a aproximadamente 50% a ¹⁵ 1,5 Mhz. La atenuación se puede suponer que ser de 5 m Np ^-1 MHz ^-1 en el tejido cerebral ^4. Las frecuencias más altas son más adecuados para el trabajo en modelos animales pequeños, pero son menos clínicamente relevante.

tienda "> Este enfoque guiado por resonancia magnética ofrece ventajas sobre las técnicas guiadas por ultrasonido, permitiendo la orientación muy precisa, así como la evaluación de los resultados del tratamiento inmediatamente después del tratamiento.

Materials

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