혈액-뇌 장벽 (BBB) 일시적으로 마이크로 버블 매개 집중 초음파로 중단 될 수 있습니다 (FUS). 여기서는 비초음파 전문가가 액세스할 수 있는 모듈식 FUS 시스템을 사용하여 생체 내 고처리량 BBB 개방을 위한 단계별 프로토콜을 설명합니다.
혈액-뇌 장벽 (BBB) 다양 한 뇌 질환의 치료에 대 한 주요 장애물 되었습니다. 좁은 접합에 의해 연결된 내피 세포는 큰 분자 (>500 Da)가 뇌 조직에 진입하는 것을 방지하는 생리적 장벽을 형성합니다. 마이크로 버블 매개 집중 초음파 (FUS)는 과도 한 로컬 BBB 개방을 유도하는 데 사용할 수 있습니다, 더 큰 약물이 뇌 parenchyma입력 할 수 있도록.
임상 번역을 위한 대규모 임상 장치 이외에, 약 후보의 치료 반응 평가를 위한 전임상 연구는 표적으로 한 BBB 개방을 위한 전용된 작은 동물 초음파 설치를 요구합니다. 바람직하게는 이러한 시스템은 고공간 정밀도와 통합 캐비테이션 모니터링을 모두 갖춘 고처리량 워크플로우를 허용하면서도 초기 투자및 운영 비용 모두에서 비용 효율적입니다.
여기서는 시판되는 부품을 기반으로 하고 전술한 요구 사항을 충족하는 생물 발광 및 X선 유도 스테레오전술 소형 동물 FUS 시스템을 소개합니다. 특히 높은 수준의 자동화로 인해 일반적으로 대량의 전임상 약물 평가 연구에서 발생하는 과제를 용이하게 합니다. 이러한 과제의 예로는 데이터 재현성을 보장하고, 그룹 내 가변성을 줄이며, 샘플 크기를 줄이며, 윤리적 요구 사항을 준수하고 불필요한 워크로드를 줄이기 위해 표준화가 필요합니다. 제안된 BBB 시스템은 교모세포종 다중포메 및 확산 미드라인 신경교종의 환자 유래 xenograft 모델에 대한 BBB 개방 촉진 약물 전달 예심의 범위에서 검증되었습니다.
혈액 뇌 장벽 (BBB)은 뇌 빈혈종으로 약물 전달의 주요 장애물입니다. 개발된 대부분의 치료약물은 그들의 물리화학적 파라미터(예를 들어, 리포필리시티, 분자량, 수소결합 수용자 및 기증자)로 인해 BBB를 교차하지 않거나뇌의efflux 수송자에 대한 친화력으로 인해 유지되지 않는다1,2. BBB를 교차할 수 있는 약물의 작은 단은 전형적으로 작은 리포필성 분자입니다, 이는 뇌 질환의 제한된 수에만 효과적이다1,2. 그 결과, 대부분의 뇌질환에 대해 약리학적 치료 옵션이 제한되어 있으며 신약 전달 전략이3,4가필요하다.
치료 초음파는 BBB 중단 (BBBD), 신경 변조 및 절제4,5,6,7과같은 다른 신경 학적 응용 프로그램에 사용할 수있는 새로운 기술이다. 두개골을 통해 초대형 초음파 방출기로 BBB 개구부를 달성하기 위해, 집중 초음파 (FUS)는 마이크로 버블과 결합된다. 마이크로버블 매개 FUS는 뇌 의 parenchyma5,8,9에서약물의 생체 이용률을 증가시합니다. 음파가 존재하여, 마이크로 버블은 BBB의 내피 세포 사이의 단단한 접합의 트랜시토시스 및 중단을 개시하기 시작하여 더 큰분자(10)의초세포 수송을 가능하게 한다. 이전 연구는 음향 방출의 강도와 BBB개방11,12,13,14에대한 생물학적 영향 사이의 상관 관계를 확인했습니다. FUS는 이미 화학요법제제로서 테모졸로미드 또는 리포소말 독소루비신을 이용한 교모세포종의 치료를 위한 임상시험에서 사용되거나, 알츠하이머병 및 근위축성 측삭 경화증5,9,15,16의치료에 사용되고있다.
초음파 매개 BBB 개방은 약학에 대한 완전히 새로운 가능성에서 결과, 임상 번역을위한 전임상 연구가 선택 된 약물 후보의 치료 반응을 평가하는 데 필요합니다. 이를 위해서는 일반적으로 고공간 정밀도와 높은 재현성을 가진 표적 BBB 개구부를 모니터링하기 위한 통합 캐비테이션 감지가 모두 필요한 고처리량 워크플로우가 필요합니다. 가능하면 이러한 시스템은 연구 규모에 따라 확장 가능하기 위해 초기 투자 및 운영 비용 모두에서 비용 효율적이어야 합니다. 대부분의 전임상 FUS 시스템은 이미지 지도 및 치료 계획을 위한 MRI와 결합되어15,17,18,19. MRI는 종양 해부학 및 부피에 대한 자세한 정보를 제공하지만, 일반적으로 훈련 / 숙련 된 연산자가 수행하는 비싼 기술입니다. 또한, 고해상도 MRI는 전임상 시설에서 연구원을 위해 항상 유효하지 않을 수 있고 동물 당 긴 주사 시간을 필요로 합니다, 고처리량 약리학 연구 결과에 적게 적합합니다. 주목할 만한 점은, 신경 종양학 분야의 전임상 연구, 특히 침투종양 모델의 경우 종양을 시각화하고 표적으로 하는 가능성이 치료성공(20)에필수적이라는 점입니다. 현재, 이 요구 사항은 단지 MRI 또는 광단백질로 유도된 종양에 의해서만 성취되고, 광단백질 기판의 투여와 함께 생물 발광 화상 진찰(BLI)을 가진 시각화를 가능하게 합니다.
MRI 유도 FUS 시스템은 종종 수조를 사용하여 두개골 응용 프로그램에 대한 초음파 파 전파를 보장하며, 동물의 머리가 부분적으로 물에 잠겨 소위 ‘상향식’시스템(15,17,18)을사용합니다. 이러한 디자인은 일반적으로 작은 동물 연구에서 잘 작동 하지만, 그들은 동물 준비 시간 사이 타협, 휴대성 및 사용 하는 동안 현실적으로 유지 보수 위생 기준. MRI에 대한 대안으로, 스테레오테테네비게이션을 위한 다른 안내 방법은 설치류 해부학 아틀라스21,22,23,레이저 포인터 보조 시각 시력 24, 핀홀 보조 기계 스캐닝장치(25)또는 BLI26의사용을 포함한다. 이러한 디자인의 대부분은 트랜스듀서가 동물의 머리 위에 놓여있는 “하향식”시스템으로 동물이 자연적인 위치에 있습니다. ‘하향식’ 워크플로우는수조 22,25,26 또는 물로 채워진 콘21,24로구성됩니다. 닫힌 콘 내부에 트랜스듀서를 사용하는 이점은 전체 워크플로우를 단순화하는 보다 컴팩트한 설치 공간, 짧은 설치 시간 및 직선 제거 가능성입니다.
마이크로 버블과 음향 필드의 상호 작용은 압력에 의존하며 저진폭 진동 (안정 캐비테이션이라고 함)에서 과도 기포 붕괴 (관성 캐비테이션이라고 함)27,28에이르기까지 다양합니다. 초음파-BBBD는 성공적인 BBBD를 달성하기 위해 안정적인 캐비테이션 임계값보다 훨씬 높은 음향 압력이 필요하다는 확고한 합의가 있지만 일반적으로 혈관/신경손상(29)과연관되는 관성 캐비테이션 임계값 미만이다. 가장 일반적인 모니터링 및 제어 형태는 McDannold 외12에서제안한 수동 캐비테이션 검출(PCD)을 사용하여 (백)산란된 음향 신호의 분석이다. PCD는 안정적인 캐비테이션 특징(고조파, 하모니, 초하모닉) 및 관성 캐비테이션 마커(광대역 응답)의 강도와 외관이 실시간으로 측정될 수 있는 마이크로 버블 방출 신호의 Fourier 스펙트럼 분석에 의존한다.
정밀압력제어를 위한 PCD 분석은 마이크로버블 제형의 다각성(진동 진폭은 버블 직경에 강하게 의존), 브랜드 간 버블 쉘 특성의 차이, 주파수 및압력(30,31,32)에크게 의존하는 음향 진동으로 인해 복잡하다. 그 결과, 이러한 모든 매개 변수의 특정 조합에 적응하고 다양한 응용 시나리오(작은 동물 프로토콜을 통해 시험관 내 실험에서 임상 사용을 위한 PCD에 이르기까지)에 사용되어 왔으며, 강력한 캐비테이션검출을 위해, 심지어 압력11,14,30,31, 31, 32,33, 33, 33의소급 피드백 제어를 위해 다양한 응용 시나리오에 사용되어왔다. 본 연구의 범위에 사용되는 PCD 프로토콜은 McDannold 외12에서 직접 파생되며 관성 캐비테이션 검출을 위한 안정적인 캐비테이션 및 광대역 소음의 존재를 모니터링합니다.
우리는 뇌 완두엽종으로 약물 전달을 증가시키기 위해 BBB의 일시적인 개방을위한 이미지 유도 신경 탐색 FUS 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 시판되는 구성 요소를 기반으로 하며 동물 시설에서 사용 가능한 이미징 기술에 따라 여러 가지 이미징 양식에 쉽게 적응할 수 있습니다. 높은 처리량 워크플로우가 필요하기 때문에 이미지 지도 및 치료 계획에 X선 및 BLI를 사용하기로 결정했습니다. 광단백질(예를 들어, 루시파아제)으로 유도된 종양 세포는 BLI이미징(20)에적합하다. 광단백질 기판의 투여 후, 종양 세포는 생체 내에서 모니터링될 수 있고 종양 성장 및 위치는20,36으로결정될 수 있다. BLI는 저비용 이미징 양상이며, 시간이 지남에 따라 종양 성장을 따를 수 있으며, 빠른 스캔 시간을 가지며 MRI36,37로측정된 종양 성장과 잘 연관된다. 우리는 설치류가 장착되는 플랫폼을 자유롭게 움직일 수 있도록 트랜스듀서에 부착된 수조를 수조로 교체하기로 결정했습니다8,24. 이 디자인은 (I) 소형 동물 스테레오테틱 플랫폼(II) 선및 광학 이미지 호환성(III) 급속 분리식 마취 마스크및 (IV) 통합 온도 조절 동물 가열 시스템을 모두 갖춘 분리형 플랫폼을 기반으로 합니다. 마취의 초기 유도 후, 동물은 전체 절차 동안 남아있는 플랫폼에 정확한 위치에 장착됩니다. 따라서 전체 플랫폼은 정확하고 재현 가능한 위치와 지속적인 마취를 유지하면서 전체 개입 워크플로우의 모든 스테이션을 전달합니다. 제어 소프트웨어는 fiducial 마커의 자동 감지를 허용하고 자동으로 이미지 및 이미지 양식의 모든 유형을 등록 (즉, 마이크로 CT, X 선, BLI 및 형광 이미징) 스테레오테틱 플랫폼의 참조 프레임에. 자동 교정 절차의 도움으로 초음파 트랜스듀서의 초점 거리는 개입 계획, 음향 전달 및 후속 이미징 분석의 자동 융합을 가능하게하는 내부에서 정확하게 알려져 있습니다. 도 1 및 도 2와같이 이 설정은 전용 실험 워크플로우를 설계하는 데 높은 수준의 유연성을 제공하며 다양한 스테이션에서 동물의 상호 처리가 가능하므로 높은 처리량 실험을 용이하게 합니다. 우리는 확산 중간 선 신경종과 같은 고급 신경교종의 마우스 xenografts에서 성공적인 약물 전달을 위해이 기술을 사용했습니다.
이 연구에서는, 우리는 뇌 parenchyma로 증가한 약 납품을 위한 일시적인 BBB 중단을 위한 비용 효과적인 이미지 유도한 기지를 둔 FUS 시스템을 개발했습니다. 이 시스템은 주로 시판되는 구성 요소와 X 선 및 BLI와 함께 제작되었습니다. 제안된 설계의 모듈화를 통해 고처리량 워크플로우에서 계획 및 평가를 위한 여러 이미징 모듈을 사용할 수 있습니다. 이 시스템은 고해상도 MRI 또는 마이크로 CT와 ?…
The authors have nothing to disclose.
이 프로젝트는 KWF-STW (어린 시절 확산 본질적인 Pontine 신경교종 및 고급 신경교종에서 소노포레이션에 의한 약물 전달)에 의해 투자되었습니다. 우리는 일리아 스카흐코프와 찰스 무게노가 시스템 개발에 대한 그들의 의견에 감사드립니다.
1 mL luer-lock syringe | Becton Dickinson | 309628 | Plastipak |
19 G needle | Terumo Agani | 8AN1938R1 | |
23 G needle | Terumo Agani | 8AN2316R1 | |
3M Transpore surgical tape | Science applied to life | 7000032707 | or similar |
Arbitrary waveform generator | Siglent | n.a. | SDG1025, 25 MHz, 125 Msa/s |
Automated stereotact | in-house built | n.a. | Stereotact with all elements were in-house built |
Bruker In-Vivo Xtreme | Bruker | n.a. | Includes software |
Buffered NaCl solution | B. Braun Melsungen AG | 220/12257974/110 | |
Buprenorfine hydrochloride | Indivior UK limitd | n.a. | 0.324 mg |
Cage enrichment: paper-pulp smart home | Bio services | n.a. | |
Carbon filter | Bickford | NC0111395 | Omnicon f/air |
Ceramic spoon | n.a | n.a. | |
Cotton swabs | n.a. | n.a. | |
D-luciferin, potassium salt | Gold Biotechnology | LUCK-1 | |
Ethanol | VUmc pharmacy | n.a. | 70% |
Evans Blue | Sigma Aldrich | E2129 | |
Fresenius NaCl 0.9% | Fresenius Kabi | n.a. | NaCl 0.9 %, 1000 mL |
Histoacryl | Braun Surgical | n.a. | Histoacryl 0.5 mL |
Hydrophone | Precision Acoustics | n.a. | |
Insulin syringe | Becton Dickinson | 324825/324826 | 0.5 mL and 0.3 mL |
Isoflurane | TEVA Pharmachemie BV | 8711218013196 | 250 mL |
Ketamine | Alfasan | n.a. | 10 %, 10 mL |
Mouse food: Teklad global 18% protein rodent diet | Envigo | 2918-11416M | |
Neoflon catheter | Becton Dickinson | 391349 | 26 GA 0.6 x 19 mm |
Oscilloscope | Keysight technologies | n.a. | InfiniiVision DSOX024A |
Plastic tubes | Greiner bio-one | 210261 | 50 mL |
Power amplifier | Electronics & Innovation Ltd | 210L | Model 210L |
Preamplifier DC Coupler | Precision Acoustics | n.. | Serial number: DCPS94 |
Scissors | Sigma Aldrich | S3146-1EA | or similar |
Sedazine | AST Farma | n.a. | 2% |
SonoVue microbubbles | Bracco | n.a. | 8 µl/ml |
Sterile water | Fresenius Kabi | n.a. | 1000 mL |
Syringe | n.a. | n.a. | various syringes can be used |
Temgesic | Indivior UK limitd | n.a. | 0.3 mg/ml |
Transducer | Precision Acoustics | n.a. | 1 MHz |
Tweezers | Sigma Aldrich | F4142-1EA | or similar |
Ultrasound gel | Parker Laboratories Inc. | 01-02 | Aquasonic 100 |
Vidisic gel | Bausch + Lomb | n.a. | 10 g |