Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Neuroscience

A عالية الإنتاجية صورة موجهة الخلايا العصبية المجسمة ونظام الموجات فوق الصوتية مركزة لفتح حاجز الدم في الدماغ القوارض

doi: 10.3791/61269 Published: July 16, 2020
* These authors contributed equally

Summary

يمكن تعطيل حاجز الدم في الدماغ (BBB) مؤقتا باستخدام الموجات فوق الصوتية المركزة بوساطة الميكروببل (FUS). هنا، نقوم بوصف بروتوكول خطوة بخطوة لفتح BBB عالي الإنتاجية في الجسم الحي باستخدام نظام FUS نمطي يمكن للخبراء غير الموجات فوق الصوتية الوصول إليه.

Abstract

حاجز الدم في الدماغ (BBB) كان عقبة رئيسية لعلاج أمراض الدماغ المختلفة. تشكل الخلايا البطانية، المتصلة بتقاطعات ضيقة، حاجزا فسيولوجيا يمنع الجزيئات الكبيرة (>500 دا) من دخول أنسجة الدماغ. يمكن استخدام الموجات فوق الصوتية المركزة بوساطة Microbubble (FUS) للحث على فتح BBB محلي عابر ، مما يسمح للأدوية الأكبر بدخول بارنشيما الدماغ.

بالإضافة إلى الأجهزة السريرية واسعة النطاق للترجمة السريرية ، تتطلب الأبحاث قبل السريرية لتقييم استجابة العلاج للمرشحين للأدوية أجهزة الموجات فوق الصوتية الحيوانية الصغيرة المخصصة لفتح BBB المستهدف. ويفضل أن تسمح هذه النظم بسير عمل عالي الإنتاجية بدقة مكانية عالية ورصد متكامل للتجاويف، مع الاستمرار في فعاليته من حيث التكلفة في كل من الاستثمار الأولي وتكاليف التشغيل.

هنا، نقدم الإضاءة الحيوية والأشعة السينية الموجهة نظام FUS الحيوانات الصغيرة المجسمة التي تقوم على المكونات المتاحة تجاريا ويفي بالمتطلبات المذكورة أعلاه. وقد تم التركيز بشكل خاص على درجة عالية من التشغيل الآلي مما يسهل التحديات التي تواجه عادة في دراسات تقييم الأدوية قبل السريرية الكبيرة الحجم. ومن الأمثلة على هذه التحديات الحاجة إلى التوحيد القياسي لضمان إعادة إنتاج البيانات، والحد من التباين داخل المجموعة، وتقليل حجم العينة، وبالتالي الامتثال للمتطلبات الأخلاقية، وخفض عبء العمل غير الضروري. وقد تم التحقق من صحة نظام BBB المقترح في نطاق فتح BBB تسهيل تجارب تسليم الأدوية على نماذج xenograft المشتقة من المريض من الورم الأرومي الدبقي المتعدد الأشكال والورم الدبقي المنتشر.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

حاجز الدم في الدماغ (BBB) هو عقبة رئيسية لتسليم المخدرات في الدماغ parenchyma. معظم الأدوية العلاجية التي تم تطويرها لا تعبر BBB بسبب المعلمات الفيزيائية الكيميائية (على سبيل المثال ، الليبوفيليك ، الوزن الجزيئي ، متقبلي سندات الهيدروجين والمتبرعين) أو لا يتم الاحتفاظ بها بسبب تقاربها مع ناقلات efflux في الدماغ1،2. مجموعة صغيرة من الأدوية التي يمكن أن تعبر BBB وعادة ما تكون جزيئات الدهون الصغيرة، والتي هي فعالة فقط في عدد محدود من أمراض الدماغ1،2. ونتيجة لذلك ، بالنسبة لغالبية أمراض الدماغ ، تكون خيارات العلاج الدوائي محدودة وهناك حاجة إلى استراتيجيات جديدة لتوصيل الأدوية3و4.

الموجات فوق الصوتية العلاجية هي تقنية ناشئة يمكن استخدامها لتطبيقات عصبية مختلفة مثل اضطراب BBB (BBBD) ، والتحوير العصبي ، والاجتثاث4،5،6،7. من أجل تحقيق فتح BBB مع باعث الموجات فوق الصوتية خارج الجسم من خلال الجمجمة ، يتم الجمع بين الموجات فوق الصوتية المركزة (FUS) مع الفقاعات الدقيقة. Microbubble بوساطة FUS النتائج في زيادة التوافر البيولوجي للأدوية في الدماغ parenchyma5,8,9. في وجود موجات صوتية ، تبدأ الفقاعات الدقيقة في التذبذب لبدء التحول الخلوي وتعطيل التقاطعات الضيقة بين الخلايا البطانية ل BBB ، مما يتيح النقل شبه الخلوي للجزيئات الأكبر10. أكدت الدراسات السابقة العلاقة بين كثافة الانبعاثات الصوتية والتأثير البيولوجي على فتح BBB11و12و13و14. وقد تم بالفعل استخدام FUS بالاشتراك مع microbubbles في التجارب السريرية لعلاج الورم الأرومي الدبقي باستخدام تيموزولوميد أو دوكسوروبيسين الليبوسومال كعامل العلاج الكيميائي، أو لعلاج مرض الزهايمر والتصلب الجانبي الضموري5،9،15،16.

منذ الموجات فوق الصوتية بوساطة BBB فتح النتائج في إمكانيات جديدة تماما للعلاج الدوائي، وهناك حاجة إلى البحوث قبل السريرية للترجمة السريرية لتقييم استجابة العلاج من المرشحين المخدرات مختارة. وهذا يتطلب عادة سير عمل عالي الإنتاجية بدقة مكانية عالية ويفضل أن يكون اكتشافا متكاملا للتجويف لرصد فتحة BBB المستهدفة مع إمكانية إعادة إنتاج عالية. وإذا أمكن، يجب أن تكون هذه النظم فعالة من حيث التكلفة في كل من الاستثمار الأولي وتكاليف التشغيل لكي تكون قابلة للتوسع وفقا لحجم الدراسة. يتم الجمع بين معظم أنظمة FUS قبل السريرية مع التصوير بالرنين المغناطيسي لتوجيه الصور وتخطيط العلاج15و17و18و19. على الرغم من أن التصوير بالرنين المغناطيسي يعطي معلومات مفصلة عن تشريح الورم وحجمه ، إلا أنه تقنية مكلفة ، والتي يتم إجراؤها بشكل عام من قبل المشغلين المدربين / المهرة. بالإضافة إلى ذلك، قد لا يكون التصوير بالرنين المغناطيسي عالي الدقة متاحا دائما للباحثين في المرافق قبل السريرية ويتطلب أوقات مسح طويلة لكل حيوان، مما يجعله أقل ملاءمة للدراسات الدوائية عالية الإنتاجية. الجدير بالذكر أنه بالنسبة للبحوث ما قبل السريرية في مجال الأورام العصبية ، ولا سيما نماذج الأورام المتسللة ، فإن إمكانية تصور الورم واستهدافه أمر ضروري لنجاح العلاج20. حاليا، يتم استيفاء هذا الشرط فقط عن طريق التصوير بالرنين المغناطيسي أو عن طريق الأورام التي يتم تحويلها مع فوتوبروتين، وتمكين التصور مع التصوير الإضاءة الحيوية (BLI) في تركيبة مع إدارة الركيزة فوتوبروتين.

غالبا ما تستخدم أنظمة FUS الموجهة بالرنين المغناطيسي حماما مائيا لضمان انتشار الموجات فوق الصوتية للتطبيقات عبر الجمجمة ، حيث يتم غمر رأس الحيوان جزئيا في الماء ، ما يسمى بأنظمة "من أسفل إلى أعلى"15و17و18. في حين أن هذه التصاميم تعمل بشكل جيد بشكل عام في الدراسات الحيوانية الصغيرة ، إلا أنها حل وسط بين أوقات إعداد الحيوانات وقابلية النقل والمعايير الصحية القابلة للحفاظ عليها واقعيا أثناء الاستخدام. كبديل للتصوير بالرنين المغناطيسي، طرق التوجيه الأخرى للملاحة المجسمة تشمل استخدام أطلس تشريحي القوارض21،22،23، مؤشر ليزر ساعد الرؤية البصرية24، جهاز المسح الميكانيكي بمساعدة الثقب25، أو BLI26. معظم هذه التصاميم هي أنظمة "من أعلى إلى أسفل" يتم فيها وضع المحول فوق رأس الحيوان ، مع وجود الحيوان في وضع طبيعي. يتكون سير عمل ''من أعلى إلى أسفل' إما من حمام مائي22،25،26 أو مخروط مملوء بالمياه21،24. الفائدة من استخدام محول داخل مخروط مغلق هو بصمة أكثر إحكاما، وأقصر وقت الإعداد وإمكانيات إزالة التلوث على التوالي إلى الأمام تبسيط سير العمل بأكمله.

التفاعل بين المجال الصوتي مع microbubbles يعتمد على الضغط ويتراوح من التذبذبات منخفضة السعة (يشار إليها باسم التجويف مستقرة) لانهيار فقاعة عابرة (يشار إليها باسم التجويف القصور الذاتي)27،28. هناك إجماع راسخ على أن الموجات فوق الصوتية BBBD يتطلب ضغطا صوتيا أعلى بكثير من عتبة التجويف المستقرة لتحقيق BBBD ناجح ، ولكن تحت عتبة التجويف القصور الذاتي ، والتي ترتبط بشكل عام بتلف الأوعية الدموية / الخلايا العصبية29. الشكل الأكثر شيوعا للرصد والتحكم هو تحليل الإشارة الصوتية المتناثرة (الخلفية) باستخدام الكشف عن التجويف السلبي (PCD) ، كما اقترح McDannoldوآخرون. يعتمد PCD على تحليل أطياف فورييه لإشارات انبعاث الفقاعات الدقيقة ، والتي يمكن فيها قياس قوة ومظهر السمات المميزة المستقرة للتجاويف (التوافقيات ، و subharmonics ، و ultraharmonics) وعلامات التجويف القصور الذاتي (استجابة النطاق العريض) في الوقت الفعلي.

"مقاس واحد يناسب الجميع" PCD تحليل للتحكم الدقيق في الضغط معقد بسبب تعدد أضلاع صياغة microbubble (سعة التذبذب يعتمد بقوة على قطر الفقاعة) ، والاختلافات في خصائص قذيفة فقاعة بين العلامات التجارية ، والتذبذب الصوتي ، والذي يعتمد بقوة على التردد والضغط30،31،32. ونتيجة لذلك، تم اقتراح العديد من بروتوكولات الكشف عن ثنائي الفينيل متعدد الكلور المختلفة، والتي تم تكييفها مع مجموعات معينة من كل هذه المعلمات واستخدمت في سيناريوهات تطبيق مختلفة (تتراوح بين التجارب في المختبر على بروتوكولات الحيوانات الصغيرة لPCD للاستخدام السريري) للكشف عن التجويف قوية وحتى للسيطرة على ردود الفعل بأثر رجعي من الضغط11،14،30،31،32،33،34،35. 10- ويستمد بروتوكول ثنائي الفينيل متعدد الكلور المستخدم في نطاق هذه الدراسة مباشرة من McDannold et al.12، ويرصد الانبعاثات التوافقية لوجود التجويف المستقر وضوضاء النطاق العريض للكشف عن التجويف القصور الذاتي.

لقد طورنا نظام FUS للخلايا العصبية الموجهة بالصور لفتح عابر ل BBB لزيادة تسليم الدواء إلى بارنشيما الدماغ. ويستند النظام إلى المكونات المتاحة تجاريا ويمكن تكييفه بسهولة مع عدة طرائق تصوير مختلفة، اعتمادا على تقنيات التصوير المتاحة في المرفق الحيواني. نظرا لأننا نحتاج إلى سير عمل عالي الإنتاجية ، فقد اخترنا استخدام الأشعة السينية وBLI لتوجيه الصور وتخطيط العلاج. الخلايا السرطانية التي يتم تحويلها باستخدام بروتين ضوئي (على سبيل المثال، لوسيفيراز) مناسبة لتصوير BLI20. بعد إدارة الركيزة فوتوبروتين, يمكن رصد الخلايا السرطانية في الجسم الحي ونمو الورم ويمكن تحديد موقع20,36. BLI هو وسيلة تصوير منخفضة التكلفة ، فإنه يمكن من متابعة نمو الورم مع مرور الوقت ، ولديه أوقات مسح سريع ويرتبط بشكل جيد مع نمو الورم مقاسا بالرنين المغناطيسي36،37. لقد اخترنا استبدال حمام الماء بمخروط مملوء بالماء متصل بالمحول لتمكين المرونة من تحريك المنصة التي يتم تركيب القوارض عليها بحرية8،24. ويستند التصميم على منصة قابلة للفصل مجهزة بدمج (I) منصة مجسمة للحيوانات الصغيرة (II) علامات fiducial مع كل من الأشعة السينية وتوافق الصور البصرية (III) قناع التخدير السريع القابل للفصل ، و (IV) نظام تسخين الحيوانات المتكامل المنظم لدرجة الحرارة. بعد التعريفي الأولي للتخدير ، يتم تركيب الحيوان في وضع دقيق على المنصة حيث يبقى أثناء الإجراء بأكمله. وبالتالي ، فإن المنصة بأكملها تمر بجميع محطات سير العمل للتدخل بأكمله ، مع الحفاظ على تحديد موقع دقيق وقابل للاستنساخ وتخدير مستدام. يسمح برنامج التحكم بالكشف التلقائي للعلامات الفقهية ويسجل تلقائيا جميع أنواع الصور وطرائق الصورة (أي التصوير المقطعي الدقيق والأشعة السينية والتصوير ببلي والتصوير الفلوري) في إطار مرجعي للمنصة المجسمة. بمساعدة إجراء المعايرة التلقائية ، يعرف الطول البؤري لمحول الموجات فوق الصوتية بدقة داخله ، مما يتيح الانصهار التلقائي للتخطيط التدخلي والتسليم الصوتي وتحليل التصوير المتابعة. كما هو مبين في الشكل 1 والشكل 2، يوفر هذا الإعداد درجة عالية من المرونة لتصميم سير عمل تجريبي مخصص ويسمح بالتعامل مع الحيوان في محطات مختلفة ، مما يسهل بدوره التجارب عالية الإنتاجية. لقد استخدمنا هذه التقنية لتسليم المخدرات الناجحة في xenografts الماوس من الورم الدبقي عالية الجودة مثل الورم الدبقي خط الوسط المنتشر.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

تمت الموافقة على جميع التجارب في الجسم الحي من قبل اللجنة الأخلاقية الهولندية (رقم ترخيص AVD114002017841) وهيئة رعاية الحيوان في جامعة فريجي أمستردام، هولندا. تم تدريب المحققين على أساسيات نظام FUS من أجل تقليل الانزعاج من الحيوانات.

1. نظام الموجات فوق الصوتية المركزة

ملاحظة: الإعداد الموصوف هو نظام تعطيل BBB مضمن مبني استنادا إلى المكونات المتاحة تجاريا ويتضمن مخروطا مصنوعا خصيصا مطبوعا ثلاثي الأبعاد ومنصة مجسمة قابلة للفصل. تم تصميم النظام وحدات، مما يسهل التعديلات وفقا للمعدات المتاحة والاستخدام المحدد. يصف البروتوكول إجراء سونوبوبينيشن لمنطقة أكبر في منطقة بونتين في دماغ الفأر. من خلال ضبط الموقع المستهدف، يمكن استهداف أجزاء مختلفة من الدماغ. في هذه الدراسة تم استخدام محول أحادي العنصر 1 ميغاهرتز بطول بؤري يبلغ 75 مم وفتحة 60 مم ومنطقة بؤرية 1.5 × 1.5 × 5 مم (FWHM لضغط الذروة). يتم وضع الطائرة المحورية للمحول من خلال الجمجمة للحيوان في المستوى الأفقي المتقاطع مع قضبان الأذن.

  1. حدد محول مناسب لفتح BBB في القوارض.
    ملاحظة: استنادا إلى خصائص microbubbles والتردد المستخدم، والإعدادات الصوتية، ولا سيما مؤشر الميكانيكية (MI)، عرضة للتغيير13،38.
  2. ضع المحول في المخروط المطبوع ثلاثي الأبعاد.
  3. توظيف غشاء مايلر شفاف صوتيا في الطرف السفلي من المخروط لتحقيق اقتران صوتي لمسار انتشار شعاع، وملء المخروط مع الماء degassed.
  4. جبل محول فوق الحيوان على مرحلة خطية الآلية كما هو مبين في الشكل 1 السماح لتحديد المواقع العمودي التلقائي للمحول.
  5. تصميم منصة مجسمة قابلة للفصل على أساس متطلبات الدراسة ، والتي تشمل التدفئة المنظمة لدرجة الحرارة ، وقضبان العض والأذن ، والتخدير وعلامات fiducial متعددة الطرائق ، كما هو موضح في الشكل 1 والشكل 2. تركيب منصة مجسمة يتكون من نظام المرحلة الخطية 2D، والذي يسمح تحديد المواقع التلقائي الدقيق (< 0.1 ملم) من الحيوان تحت شعاع.
  6. توصيل محول لسلسلة الانبعاثات الصوتية هو مبين في الشكل 1 تتكون من محول، مولد وظيفة ومكبر للصوت السلطة.
  7. ابتكر خط أنابيب لمعالجة الصور للكشف عن العلامات الانشطارية متعددة الطرائق التي تسمح باستهداف دقيق لصهر منطقة الدماغ ذات الاهتمام وجمع بيانات التجويف التي يكتشفها الهيدروفون بالإبرة.
  8. معايرة النظام وتحديد نقطة التركيز للمحول في المراسلات إلى تحديد المواقع الرأسية للحيوان على المنصة المجسمة.

2. إعداد الحيوان

ملاحظة: يتم تحديد البروتوكول التالي للفئران ولكن يمكن تكييفه للفئران. لهذه التجارب تم استخدام الفئران العارية الأنثوية Athymic Foxn1-/- (6-8 أسبوع من العمر).

  1. السماح للحيوان بالتأقلم لمدة أسبوع واحد على الأقل في منشأة الحيوان ووزن الحيوان بانتظام.
  2. إعطاء البوبرينورفين (0.05 ملغ / كغ) عن طريق الحقن تحت الجلد (ق.c.) 30 دقيقة قبل العلاج FUS لبدء العلاج المسكن.
  3. تخدير الحيوان مع 3٪ isoflurane، 2 L/min O2 والتحقق من أن الحيوان هو تخدير عميق. الحفاظ على تخدير الحيوانات خلال العملية برمتها ورصد وتيرة التنفس ومعدل ضربات القلب لضبط تركيز ايزوفلوران على النحو المطلوب.
  4. تطبيق مرهم العين لمنع جفاف العينين وتجنب الإصابة المحتملة.
  5. إزالة الشعر على الجزء العلوي من الرأس مع شفرة الحلاقة وكريم إزالة الشعر وغسل بعد ذلك بالماء لإزالة أي بقايا لتجنب تهيج في الجلد.
  6. للتجارب مع نماذج الورم BLI, حقن 150 ميكرولتر من D-لوسيفيرين (30 ملغ / مل) داخل الصفاق (أي p.) مع حقنة الأنسولين 29 G لتوجيه صورة BLI.
  7. أدخل قسطرة وريد ذيل 26-30 G وامسح القسطرة والوريد بحجم صغير من محلول الهيبارين (5 واجهة مستخدم / مل). ملء القسطرة مع محلول الهيبارين لتجنب تخثر الدم.
    ملاحظة: يتم رؤية قسطرة جيدة عندما يكون هناك ارتداد الدم في القسطرة. تجنب فقاعات الهواء في القسطرة لمنع الجمبولي. لتجنب الضغط المفرط للحقن، تأكد من أن طول القسطرة قصير قدر الإمكان.
  8. ضع الحيوان على منصة مجسمة منظمة لدرجة الحرارة لتجنب انخفاض حرارة الجسم.
    ملاحظة: انخفاض حرارة الجسم يقلل من الدورة الدموية، والتي يمكن أن تؤثر على حقن / تداول الفقاعات الدقيقة والمستحضرات الدوائية للأدوية39.
  9. شل وإصلاح رأس الحيوان على منصة مجسمة باستخدام قضبان الأذن وشريط لدغة. تثبيت الجسم مع حزام والشريط ذيل الحيوان إلى المنصة.

3. في الجسم الحي صورة موجهة الموجات فوق الصوتية المركزة

ملاحظة: لهذا البروتوكول، استخدم محول أحادي العنصر 1 ميغاهرتز مع نبضة انفجار نغمي لمدة 10 مللي ثانية، وتردد تكرار نبضي قدره 1.6 هرتز مع 40 دورة لمدة 240 ثانية. تم تحسين البروتوكول للفقاعات الدقيقة التي استقرت بواسطة فوسفوليبيدات تحتوي على سداسي فلوريد الكبريت (SF6)كغاز غير ضار ، حيث يبلغ متوسط قطر الفقاعة 2.5 ميكرومتر وأكثر من 90٪ من الفقاعات أصغر من 8 ميكرومتر.

  1. ضع المنصة المجسمة مع الحيوان المركب في طريقة التصوير (على سبيل المثال، BLI أو الأشعة السينية) واخذ صورة (صور) الحيوان.
  2. استخدم العلامات الفقهية متعددة الطرائق مع خط أنابيب معالجة الصور لوضع علامة على موضع الحيوان وفقا لنقطة التركيز للمحول.
  3. تحديد المنطقة المستهدفة عن طريق وضع مخطط الدماغ على صورة الأشعة السينية المكتسبة أو باستخدام صور BLI لتحديد مركز الورم(الشكل 2). يتم تحديد موضع أجزاء محددة من الدماغ في أطلس الدماغ Paxinos40 باستخدام علامات الجمجمة bregma ولامدا كنقاط مرجعية. على سبيل المثال يقع pons x = - 1.0 ، ص = - 0.8 و ض = - 4.5 من lambda.
  4. درع الخياشيم الحيوان والفم مع شريط لاصق لمنع هلام الموجات فوق الصوتية التدخل في التنفس.
  5. تطبيق هلام الموجات فوق الصوتية على رأس الحيوان.
  6. تراجع الجلد من رقبة الحيوانات، تليين هيدروفون إبرة مع هلام الموجات فوق الصوتية ووضع هيدروفون إبرة في المنطقة المجاورة مباشرة من العظام القذالي.
  7. توجيه محول إلى الموضع الصحيح باستخدام خط أنابيب معالجة الصور ونقطة التركيز.
  8. تطبيق الإعدادات التي تم تكوينها مسبقا على جميع الأجهزة المرفقة واستهداف منطقة الدماغ من الفائدة.
    ملاحظة: اعتمادا على السؤال البحثي، يمكن أن يكون الورم أو مناطق الدماغ سونوبوسيتي كنقطة محورية واحدة أو شكل الحجمي، كما هو مبين في الشكل 2.
  9. تنشيط الفقاعات الصغيرة كما هو موضح من قبل الشركة المصنعة. حقن بولوس واحد من 120 ميكرولتر (5.4 ميكروغرام) من الفقاعات الدقيقة.
  10. قم بغسل قسطرة الوريد الذيل بالمحلول الملحي للتحقق من فتح القسطرة.
  11. حقن الفقاعات الدقيقة وبدء الرنانة.
  12. سجل التجويف microbubble مع هيدروفون إبرة.
  13. إعطاء عامل تباين داخل الأوعية الدموية أو دواء بعد الصهر. الجرعة والتوقيت والتخطيط تعتمد على الغرض من الدراسة والمخدرات.
    ملاحظة: ايفانز الأزرق هو عامل اللون المشترك لتقييم BBB فتح41.
  14. مراقبة الحيوان حتى نقطة زمنية محددة سلفا أو قبل نقطة النهاية الإنسانية.

4. تحليل التجويف الفقاعات الدقيقة

ملاحظة: هنا يتم وصف الإجراء المطبق، وهو مناسب للتجارب في الجسم الحي لSF6-phospholipid microbubbles مع متوسط قطر 2.5 ميكرومتر (80٪ من الفقاعات تحت 8 ميكرومتر) متحمس مع نبض انفجار لهجة من 10مدة مللي ثانية على تردد 1 ميغاهرتز، كما اقترح أصلا من قبل McDannold وآخرون.

  1. فورييه تحويل إشارة PCD المسجلة من المجال الزمني إلى مجال التردد.
  2. دمج القوة الطيفية الناتجة للكشف عن التجويف مستقرة حول التوافقي2 nd و 3rd (± 50 كيلوهرتز)، كما هو مبين في الشكل 3 (مربع أخضر في 2 و 3 ميغاهرتز).
  3. دمج القوة الطيفية للكشف عن التجويف القصور الذاتي، بين التردد الرئيسي، و2nd، 3rd التوافقي، و1st و2 ultraharmonic وأول شبه التوافقي (± 150 كيلوهرتز)، كما هو مبين في الشكل 3 (مربعات حمراء).
  4. دمج القوة الطيفية حول التردد المبدئي (1 ميغاهرتز ± 50 كيلوهرتز) لتطبيع كل من إشارات PCD التي تم الحصول عليها سابقا.
    ملاحظة: إشارة PCD، لSF 6-phospholipid microbubbles في تجارب الجسم الحي في 1 ميغاهرتز، لا يعرض ultraharmonics أو subharmonics قبل مجموعات التجويف القصور الذاتي في، كما هو مبين في الشكل 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

وقد استخدم نظام FUS الموصوف(الشكل 1 والشكل 2)وسير العمل المرتبط به في أكثر من 100 وأنتج بيانات قابلة للاستنساخ على الفئران السليمة والورم الحاملة. واستنادا إلى التجويف المسجل والكثافة الطيفية في التوافقيات في لحظة الذروة لحقن البولوس الميكروبابل، يمكن حساب القوة الطيفية لكل تردد باستخدام تحليل فورييه على النحو المبين في الخطوة 4 من البروتوكول. استنادا إلى البروتوكول الصوتي (1 ميغاهرتز، 10 مللي ثانية مدة النبض) مع MI من 0.4 في تركيبة مع microbubbles، الطيف الطاقة المتكاملة تطبيع في التوافقيات2 nd و 3rd تطبيع الطيف قوة متكاملة من تردد الإثارة لوحظ في الشكل 3. وقد وفر ذلك وسيلة حساسة وموثوقة للغاية للكشف عن التجويف المستقر، بالمقارنة مع عدم الكشف عن الحيوانات دون الصوتية عندما لم يتم حقن أي فقاعات صغيرة أو مراقبة التجويف القصور الذاتي عند تطبيق MI من 0.6. في حالة التجويف القصور الذاتي ، تم الكشف عن زيادة أرضية الضوضاء ذات النطاق العريض التي تصل إلى 25 ديسيبل بالإضافة إلى مظهر التوافقيات الفائقة و subharmonics. على الرغم من أن الضغط الصوتي ل MI من 0.4 و 0.6 لم يسفر عن أي ضرر بالمنظار ، إلا أنه تم إثبات تلف مجهري في MI من 0.6 ، كما هو موضح في الشكل 4. أدت زيادة أخرى في اتساع الضغط تصل إلى MI من 0.8 في نزيف الدماغ العياني من الأوعية الكبيرة وتحلل الأنسجة واسعة الانتشار مع البذخ من الكريات الحمراء. تطابقت النتائج النسيجية مع البيانات الصوتية من مستشعر التجويف السلبي ، كما هو موضح في الشكل 3، مما يؤكد الخصائص الضارة لتجويف القصور الذاتي لأنسجة الدماغ. ونتيجة لذلك، تم اختيار MI من 0.4 كسعة الضغط الآمن التي وفرت فتح BBB قابلة للاستنساخ للغاية، مع توفير هامش آمن لنظام التجويف القصور الذاتي، كما لوحظ قبل11.

تم حقن الأزرق ايفانز الوريد للتحقق من صحة افتتاح BBB في منطقة بونتين. قوية الألبومين ملزمة من ايفانز الأزرق يؤدي إلى جزيء كبير من أكثر من 66 kDa42. على مستوى المهور وجزئيا المخيخ ، لوحظ البذخ من ايفانز الأزرق المقترنة الألبومين في الماوس تعامل مع FUS وmicrobubbles على النقيض من الماوس دون microbubbles (الشكل 5). وهذا يؤكد الاستهداف الدقيق للمنطقة ذات الاهتمام القائم على الملاحة المجسمة الموجهة بالصور مع نظام FUS الداخلي والبروتوكول الموصوف.

Figure 1
الشكل 1: إعداد الموجات فوق الصوتية المركزة.
(أ) تمثيل تخطيطي لإعداد الموجات فوق الصوتية المركزة. (ب) صورة لإعداد الموجات فوق الصوتية المركزة. يتكون النظام من محول محمول من أعلى إلى أسفل على مرحلة خطية 1D على مرحلة ثانية 2D لتحديد المواقع 3D التلقائي. تم بناء محول في مخروط شعاع مملوءة بالماء، مغلقة في الجزء السفلي مع غشاء مايلر شفافة صوتيا، الذي يجري الصوت إلى الجمجمة من الحيوان. يتصل المحول بمضخم طاقة، والذي يتصل بدوره بمولد شكل موجي عشوائي (AWG) لتوليد الإشارات. للكشف عن التجويف يتم استخدام الهيدروفون القابل للفصل مع مكبر للصوت منخفض الضوضاء الجهد. يتم وضع الهيدروفون في المنطقة المجاورة مباشرة للعظم القذالي. الهيدروفون الخارجي لديه سطح نشط 2 ملم ويقترن صوتيا مع هلام الموجات فوق الصوتية. يتم رقمنة كل من إشارة الجهد العالي لنبض الإثارة وكذلك إشارة التجويف المسجلة بواسطة منظار الذبذبة القياسي MHz 200 ونقلها إلى كمبيوتر التحكم (غير الموضح) للمعالجة على الطاير والتحكم في الوقت الحقيقي. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 2
الشكل 2: سير عمل الموجات فوق الصوتية المركزة.
سير العمل المقترح لنظام الموجات فوق الصوتية المركزة يبدأ مع (أ) تحديد المواقع الأولية للحيوان على منصة مجسمة للانفصال ، لاحظ تطبيق هلام الاقتران الصوتي (تطبيق آخر BLI / الأشعة السينية). في وقت واحد يمكن إجراء التصوير متعدد الوسائط لاستهداف. (ب)في أول تصوير بالأشعة السينية هو احتمال، في حين يمكن استهداف منطقة ذات أهمية بمساعدة مخطط للدماغ (والذي بدوره يشار إلى أطلس دماغ الماوس40،تتكيف مع حجم وموقف الجمجمة). (ج)بدلا من ذلك، يمكن تطبيق صورة BLI لورم جليوما متوسط الإصابة منتشر مصاب باللوسيفراز مضافا على إسقاط الحد الأقصى للكثافة بالأشعة السينية للاستهداف. (د) في وقت لاحق، يتم تركيب منصة مجسمة مع الحيوان في موقف العلاج مع كل من الهيدروفون والمحول المرفقة. محول يدفع تلقائيا في موقف العلاج و sonicates المسار المختار بعد حقن بولس. تم تحسين النظام للتجارب عالية الإنتاجية ، حيث تسمح المنصات المتعددة بالعمل المتشابك ، كما هو موضح في الأعلى. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 3
الشكل 3: رصد التجويف.
(أ)الطيف الترددي لتجربة في الجسم الحي في غياب الإدارة microbubble في MI من 0.4 في 1 ميغاهرتز. (ب) هو الطيف المقابل في ذروة bolus بعد حقن microbubbles. لاحظ زيادة التوافقيات العليا ، وهو ما يدل على التجويف المستقر للفقاعات الدقيقة. (ج)الطيف المقابل لوحظ في أعلى MI من 0.6 بالاشتراك مع حقن microbubble، ضمن النطاق الانتقال إلى بداية التجويف القصور الذاتي، مما يؤدي إلى زيادة في الكلمة الضوضاء تصل إلى 25 ديسيبل وظهور ultraharmonics و subharmonics. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 4
الشكل 4: فتح BBB وما يرتبط بها من الأنسجة.
(أ)التجويف مستقرة باستخدام MI من 0.4 يدل على parenchyma الدماغ سليمة في كل من المجهر الضوء الأبيض وانه المجهر الملون. (ب)بعد MI من 0.6 العلامات الأولى من تلف الأنسجة المحلية لا رجعة فيه من parenchyma الدماغ أصبح واضحا في البيانات النسيجية HE الملون. (ج)للضغط الميكانيكي أعلى من MI 0.8، نزيف العيان هو واضح وكذلك تحلل الأنسجة واسعة الانتشار من parenchyma الدماغ والبذخ من الكريات الحمراء بسبب نزيف صغير. اللون الأزرق في تنظير الضوء الأبيض يدل على البذخ من عامل التباين داخل الأوعية الدموية المشتركة ايفانز الأزرق مما يدل على فتح BBB (انظر الشكل 5 للحصول على عرض القوس). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Figure 5
الشكل 5: التحقق من فتح BBB.
مظاهرة من فتح BBB ناجحة في نظام التجويف مستقرة(ب)مقارنة مع السيطرة (A)، لا حقن microbubbles. في هذه الحالة تم استخدام ايفانز الأزرق كعامل تباين داخل الأوعية الدموية. قوية الألبومين ملزمة من ايفانز الأزرق يؤدي إلى جزيء كبير من أكثر من 66 كيلودا. ونتيجة لذلك، فإن الأدلة على البذخ الأزرق إيفانز يدل على النقل شبه الخلوي عبر BBB بسبب فتح (جزئي) للتقاطعات الضيقة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

في هذه الدراسة، وضعنا صورة فعالة من حيث التكلفة موجهة نظام FUS لتعطيل BBB عابرة لزيادة تسليم المخدرات في الدماغ parenchyma. وقد بني هذا النظام إلى حد كبير بمكونات متاحة تجاريا وبالتزامن مع الأشعة السينية وبلي. وتسمح الوحدات النمطية للتصميم المقترح باستخدام عدة طرائق تصوير للتخطيط والتقييم في مهام سير العمل عالية الإنتاجية. ويمكن الجمع بين النظام وطرائق التصوير ثلاثي الأبعاد الأكثر شمولا وعالية الاستبانة، مثل التصوير بالرنين المغناطيسي عالي الدقة أو التصوير المقطعي الدقيق، في حين يتم استخدام معظم طرائق التصوير ثلاثي الأبعاد للدراسة مثل الأشعة السينية 2D و/أو BLI. الأشعة السينية 2D و / أو BLI على حد سواء أكثر فعالية من حيث التكلفة ، فضلا عن مثالية للدراسات ذات الحجم الكبير نظرا لأوقات اقتناء قصيرة كل منهما. محول الموصوفة هنا هو مناسبة تماما لإنتاج BBBD في مناطق أكبر (على مقياس دماغ الماوس) في أجزاء أعمق من الدماغ (و عدد 1.25). لقد استخدمنا نظام الأورام المتنامية منتشر في منطقة بونتين43،44. لهذه المناطق حجم أكبر يحتاج إلى سونوبوتيونات التي تشمل منطقة الورم بأكملها في المهور. يمكن بسهولة تعديل النظام المعياري لأنواع أخرى من أورام الدماغ في أجزاء أكثر فوق tortorial من الدماغ. 10- ومن أجل البت في نوع المحول، ينبغي أن يراعي الرقم F والطول البؤري والتردد.

يقترح التصميم إجمالية بذلك اثنان تحسينات يقارن إلى تصاميم سابقا يقترح. (I) وكثيرا ما يستخدم حمام مائي لنقل الموجات فوق الصوتية من النظم العلاجية. لتطبيقات عبر الجمجمة في الحيوانات الصغيرة هذا النوع من النتائج تصميم في الاجهزة أكبر ومعكوس، حيث يتم غمر الحيوان جزئيا11،22،25. في حين أن هذه التصاميم تعمل بشكل جيد للغاية بشكل عام في نطاق الدراسات الحيوانية الأصغر ، إلا أنها حل وسط فيما يتعلق بأوقات الإعداد وقابلية النقل والمعايير الصحية القابلة للحفاظ عليها واقعيا أثناء الاستخدام. وتكاد هذه الأخيرة، على وجه الخصوص، أهمية كبيرة في دراسات النطاق التي تشمل الحيوانات التي لا تتوفر فيها المناعة، وبالتالي المعايير الصحية الصارمة. ونتيجة لذلك ، من أجل تصميم نظام مع بصمة أكثر إحكاما ، ووقت إعداد أقصر ، وإمكانيات سهلة لإزالة التلوث وموقع طبيعي للحيوان خلال سير العمل بأكمله ، تم اختيار تصميم "من أعلى إلى أسفل". (II) كان خيار التصميم الثاني الذي يختلف عن العديد من التصاميم الموصوفة سابقا هو حذف التكامل المباشر لنظام التسليم الصوتي في نظام التصوير الطبي مثل التصوير بالرنين المغناطيسي أو التصوير المقطعي الدقيق15و17و18و19و45. في حين أن الأنظمة المتكاملة تماما مثالية للدراسات الدوائية الطولية أو الأبحاث الاستكشافية على عدد محدود من الحيوانات ، فإن هذه الأجهزة عادة ما تكون أقل ملاءمة للدراسات الدوائية عالية الحجم بسبب التعقيد المتزايد بشكل كبير ، وارتفاع تكاليف التشغيل والحاجة إلى المشغلين المدربين / المهرة. وعلاوة على ذلك، تقتصر هذه النظم عموما على طريقة تصوير واحدة فقط. ونتيجة لذلك، يعتمد التصميم المقترح هنا على منصة مجسمة قابلة للفصل، والتي تتوافق مع العديد من طرائق التصوير (التصوير المقطعي الدقيق، والتصوير بالرنين المغناطيسي الحيواني الصغير، ومجموعة متنوعة من كاميرات BLI/fluorescence، وهذه مع أو بدون التصوير بالأشعة السينية المتكاملة) وتوفر أيضا علامات فقهية متعددة الطرائق للاندماج التلقائي لجميع بيانات الصور في إطار مرجعي مشترك لكل من التخطيط التدخلي وفتح BBB بعد المتابعة.

وفيما يتعلق بالاعتبارات العملية، فإن أهم نقطة فشل في الإجراء هي استقرار الفقاعات الصغيرة بسبب عمرها المحدود وطبيعتها الهشة. ونود أن نؤكد أن المناقشة التالية تتعلق بالفقاعات الصغيرة التي استقرت بواسطة الفوسفوليبيدات والتي تحتوي على سداسي فلوريد الكبريت (SF6)كغاز غير ضار46،47، في حين أن تركيبات الفقاعات الدقيقة الأخرى ستعرض خصائص مختلفة بشكل عام.

التوقيت قبل حقن الفقاعات الدقيقة: يتراوح العمر المعلن عنه للفقاعات الصغيرة المتاحة تجاريا بعد إعادة الترطيب بين 3 و4 ساعات. في حين أن هذا مناسب لتطبيقات الموجات فوق الصوتية التشخيصية ، تجدر الإشارة إلى أنه خلال هذه الفترة بأكملها تفقد الفقاعات الدقيقة الغاز باستمرار وبالتالي فإن متوسط قطر الفقاعة يخضع للانجراف الهبوطي المستمر من متوسط الحجم الأولي البالغ 2.5 ميكرومتر. للتطبيقات العلاجية مثل BBBD بوساطة الموجات فوق الصوتية وهذا يعني توقيت أكثر صرامة الضرورات، لأن اتساع التذبذب من التجويف مستقرة (في تردد معين والضغط) والعتبة بداية التجويف القصور الذاتي هي نتيجة مباشرة تخضع أيضا لانجراف مستمر. من خلال تجربتنا ، لاحظنا أن الفقاعات الدقيقة تستخدم على أفضل وجه في غضون 30 دقيقة بعد الإماهة من أجل الحصول على نتائج قابلة للاستنساخ ، على غرار التقارير السابقة48.

التوقيت بعد حقن الفقاعات الدقيقة: في الرئيسيات الكبيرة ، تظهر الفقاعات الدقيقة المتاحة تجاريا SF6-phospholipid نصف عمر القضاء على بلازما الدم لمدة 6 دقائق تقريبا ويتم زفير أكثر من 80٪ من الغاز المدار عبر الرئتين بعد 11 دقيقة فقط48. في الثدييات الصغيرة مثل الفئران والجرذان ، يكون نصف عمر القضاء على بلازما الدم لهذا النوع من الفقاعات الدقيقة في الجسم الحي أقصر بكثير من 90-120 ثانية بسبب ارتفاع معدل ضربات القلب20. ونتيجة لذلك ، فإن الديناميكية السريعة لتركيز الفقاعات الدقيقة مباشرة بعد حقن البولوس والقضاء السريع على البلازما اللاحقة جنبا إلى جنب مع فقدان حجم الغاز المستمر للفقاعات تفرض متطلبات توقيت صارمة على بروتوكول سونيكيشن / الحقن من أجل الحصول على نتائج قابلة للتكرار في غضون فترة قصيرة من 3-4 دقائق بعد الحقن. تتطلب الإجراءات الأطول أو كميات أكبر من BBBD إدارة مستمرة للفقاعات الدقيقة. ومع ذلك ، فإن مثل هذا النهج معقد بسبب طفو الفقاعات في كل من الحقنة ونظام التغذية ، كما يقدم زيادة كبيرة في حجم الأموات عن طريق أنابيب التسريب المطلوبة. في تجربتنا الحل أبسط من تقسيم حجم الحقن الإجمالي إلى 2 إلى 3 جرعات فرعية أصغر قدمت نتائج قوية وقابلة للاستنساخ.

بالإضافة إلى ذلك ، فإن الفقاعات الدقيقة حساسة للضغط للغاية ، وبالتالي لا يوصى بالضغط المائي العالي أثناء الحقن. الإبر الكبيرة (>19 G) ينصح لنقل الفقاعات الصغيرة في أنبوب بلاستيكي أو لوضع الفقاعات الدقيقة مع حقنة49. ل i.v. الحقن في الفئران 26-30 ويوصى الإبر G; منذ الإبر أكبر هي أكثر صعوبة لإدراج في الوريد الذيل. ويوصى إبرة 26 G منذ الضغط الهيدروستاتيكي أقل مع هذه الإبرة. ومع ذلك، في حالة صعوبة الوصول الوريدي ينصح إبرة 30 G.

الجمجمة من الفأر هو مخفف مهم من سعة الضغط الذي يقلل بشكل كبير من اتساع الضغط في التركيز. يتم تحديد التوهين من خلال تردد محول وكثافة المتوسطة التي تنتشر بها الموجات فوق الصوتية. ارتفاع ترددات الموجات فوق الصوتية وكثافات الأنسجة العالية، مثل العظام يؤدي إلى تخفيف عالية. يتم امتصاص سعة الضغط جزئيا عن طريق العظام ويتم فقدان بعض سعة الضغط عن طريق الانعكاس وتشتت50. في تجاربنا قررنا في الجثث الماوس أن التوهين في 1 ميغاهرتز هو 14.5 ± 1.3 ديسيبل / سم مع متوسط سمك الجمجمة من 0.9 ملم كما هو مبين قبل21،50. يوصى بشدة بمراقبة التجويف نظرا لأن الفقاعات الدقيقة تعكس انبعاثات صوتية متميزة أثناء التجويف المستقر والتجويف القصور الذاتي. انبعاث النطاق العريض هو انبعاث صوتي متميز لتجويف القصور الذاتي12. الرصد في الوقت الحقيقي يجعل من الممكن للكشف عن التجويف القصور الذاتي وخفض اتساع الضغط وفقا لذلك لتجنب تلف الأنسجة.

وصفت التقارير السابقة تأثير نوع التخدير على نفاذية BBB المحققة11،31. بالنسبة للتخدير القائم على الأيزوفلوران ، يحدث توسع الأوعية بعد وقت قصير من بدء التخدير ، والذي يرتبط بانخفاض طفيف في تدفق الدم الدماغي. وعلاوة على ذلك، التخدير على مدى فترات طويلة، ولا سيما في غياب استقرار درجة الحرارة، يؤدي إلى انخفاض معدل ضربات القلب. وبما أن كلا العاملين يمكن أن يؤديا إلى تباين أكبر في التركيز الدماغي لكل من الفقاعات الدقيقة أو الأدوية التي تدار بشكل مشترك ، فمن المستحسن وجود بروتوكول تخدير صارم لتحقيق نتائج قابلة للاستنساخ51. التخدير مع 1.5٪ v/v isoflurane في 2 L/min الأكسجين لمدة 35 إلى 45 دقيقةلم يكن إشكالية، كما نصح قسطنطينيدس وآخرون. على النقيض من McDannold وآخرون الذين أظهروا أن هذا الخليط الغاز بالاشتراك مع نوع معين من الفقاعات الصغيرة كانت إشكالية52، لم نلاحظ مشاكل جديرة بالملاحظة مع هذا النوع من الفقاعات الصغيرة. بدلا من ذلك ، يمكن تخدير الحيوانات بمزيج من الكيتامين / الإكسيلازين ، والذي ليس له آثار فاسواكتيفي معروفة53.

وباختصار، فإن تقنية فتح BBB الموجهة بالتصوير الموصوفة هنا قد استخدمت في دراسات تقييم الأدوية قبل السريرية عالية الحجم التي أظهرت كفاءة سير العمل المقترح. ويمكن بالتالي تشغيل النظام بواسطة موظفين غير تقنيين بعد تدريب قصير بسبب ارتفاع درجة التشغيل الآلي. وأدى ذلك، إلى جانب بساطة الإعداد، إلى درجة عالية من التوحيد القياسي، مما يضمن بدوره إمكانية إعادة الإنتاج التجريبية، وتقليل التباين داخل المجموعة، وبالتالي يسمح بتقليل حجم العينة المطلوبة.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

وليس لدى صاحبي البلاغ ما يكشفان عنه.

Acknowledgments

تم تمويل هذا المشروع من قبل KWF-STW (تسليم المخدرات عن طريق سونوبواسيون في مرحلة الطفولة المنتشر بونتين جليوما وجليوما عالية الجودة). ونشكر اليا سكاتشكوف وتشارلز موجينوت على إسهامهما في تطوير النظام.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Lipinski, C. A. Lead- and drug-like compounds: the rule-of-five revolution. Drug Discovery Today: Technologies. 1, (4), 337-341 (2004).
  2. Pardridge, W. M. Blood-brain barrier delivery. Drug Discovery Today. 12, (1-2), 54-61 (2007).
  3. Alli, S., et al. Brainstem blood brain barrier disruption using focused ultrasound: A demonstration of feasibility and enhanced doxorubicin delivery. Journal of Controlled Release. 281, 29-41 (2018).
  4. Burgess, A., Hynynen, K. Noninvasive and targeted drug delivery to the brain using focused ultrasound. ACS Chemical Neuroscience. 4, (4), 519-526 (2013).
  5. Meng, Y., et al. Safety and efficacy of focused ultrasound induced blood-brain barrier opening, an integrative review of animal and human studies. Journal of Controlled Release. 309, 25-36 (2019).
  6. Darrow, D. P. Focused Ultrasound for Neuromodulation. Neurotherapeutics. 16, (1), 88-99 (2019).
  7. Zhou, Y. F. High intensity focused ultrasound in clinical tumor ablation. World Journal of Clinical Oncology. 2, (1), 8-27 (2011).
  8. O'Reilly, M. A., Hough, O., Hynynen, K. Blood-Brain Barrier Closure Time After Controlled Ultrasound-Induced Opening Is Independent of Opening Volume. Journal of Ultrasound in Medicine. 36, (3), 475-483 (2017).
  9. Mainprize, T., et al. Blood-Brain Barrier Opening in Primary Brain Tumors with Non-invasive MR-Guided Focused Ultrasound: A Clinical Safety and Feasibility Study. Scientific Reports. 9, (1), 321 (2019).
  10. Dasgupta, A., et al. Ultrasound-mediated drug delivery to the brain: principles, progress and prospects. Drug Discovery Today: Technologies. 20, 41-48 (2016).
  11. O'Reilly, M. A., Waspe, A. C., Chopra, R., Hynynen, K. MRI-guided disruption of the blood-brain barrier using transcranial focused ultrasound in a rat model. Journal of Visualized Experiments. (61), (2012).
  12. McDannold, N., Vykhodtseva, N., Hynynen, K. Targeted disruption of the blood-brain barrier with focused ultrasound: association with cavitation activity. Physics in Medicine & Biology. 51, (4), 793 (2006).
  13. 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 in Medicine and Biology. 34, (5), 834-840 (2008).
  14. Sun, T., et al. Closed-loop control of targeted ultrasound drug delivery across the blood-brain/tumor barriers in a rat glioma model. Proceedings of the National Academy of Sciences. 114, (48), 10281-10290 (2017).
  15. Lipsman, N., et al. Blood-brain barrier opening in Alzheimer's disease using MR-guided focused ultrasound. Nature Communications. 9, (1), 2336 (2018).
  16. Carpentier, A., et al. Clinical trial of blood-brain barrier disruption by pulsed ultrasound. Science Translational Medicine. 8, (343), 342 (2016).
  17. Chopra, R., Curiel, L., Staruch, R., Morrison, L., Hynynen, K. An MRI-compatible system for focused ultrasound experiments in small animal models. Medical Physics. 36, (5), 1867-1874 (2009).
  18. Kinoshita, M., McDannold, N., Jolesz, F. A., Hynynen, K. Targeted delivery of antibodies through the blood–brain barrier by MRI-guided focused ultrasound. Biochemical and Biophysical Research Communications. 340, (4), 1085-1090 (2006).
  19. Larrat, B., et al. MR-guided transcranial brain HIFU in small animal models. Physics in Medicine & Biology. 55, (2), 365 (2009).
  20. Contag, C. H., Jenkins, D., Contag, P. R., Negrin, R. S. Use of reporter genes for optical measurements of neoplastic disease in vivo. Neoplasia. 2, (1-2), New York, NY. 41 (2000).
  21. Choi, J. J., Pernot, M., Small, S. A., Konofagou, E. E. Noninvasive, transcranial and localized opening of the blood-brain barrier using focused ultrasound in mice. Ultrasound in Medicine & Biology. 33, (1), 95-104 (2007).
  22. Bing, C., et al. Trans-cranial opening of the blood-brain barrier in targeted regions using astereotaxic brain atlas and focused ultrasound energy. Journal of Therapeutic Ultrasound. 2, (1), 13 (2014).
  23. Marquet, F., et al. Real-time, transcranial monitoring of safe blood-brain barrier opening in non-human primates. PloS One. 9, (2), (2014).
  24. Anastasiadis, P., et al. characterization and evaluation of a laser-guided focused ultrasound system for preclinical investigations. Biomedical Engineering Online. 18, (1), 36 (2019).
  25. Liu, H. L., Pan, C. H., Ting, C. Y., Hsiao, M. J. Opening of the blood-brain barrier by low-frequency (28-kHz) ultrasound: a novel pinhole-assisted mechanical scanning device. Ultrasound in Medicine & Biology. 36, (2), 325-335 (2010).
  26. Zhu, L., et al. Focused ultrasound-enabled brain tumor liquid biopsy. Scientific Reports. 8, (1), 1-9 (2018).
  27. Bader, K. B., Holland, C. K. Gauging the likelihood of stable cavitation from ultrasound contrast agents. Physics in Medicine & Biology. 58, (1), 127 (2012).
  28. Neppiras, E. Acoustic cavitation series: part one: Acoustic cavitation: an introduction. Ultrasonics. 22, (1), 25-28 (1984).
  29. Aryal, M., Arvanitis, C. D., Alexander, P. M., McDannold, N. Ultrasound-mediated blood-brain barrier disruption for targeted drug delivery in the central nervous system. Advanced Drug Delivery Reviews. 72, 94-109 (2014).
  30. Tung, Y. S., Choi, J. J., Baseri, B., Konofagou, E. E. Identifying the inertial cavitation threshold and skull effects in a vessel phantom using focused ultrasound and microbubbles. Ultrasound in Medicine & Biology. 36, (5), 840-852 (2010).
  31. Arvanitis, C. D., Livingstone, M. S., Vykhodtseva, N., McDannold, N. Controlled ultrasound-induced blood-brain barrier disruption using passive acoustic emissions monitoring. PloS One. 7, (9), (2012).
  32. Tsai, C. H., Zhang, J. W., Liao, Y. Y., Liu, H. L. Real-time monitoring of focused ultrasound blood-brain barrier opening via subharmonic acoustic emission detection: implementation of confocal dual-frequency piezoelectric transducers. Physics in Medicine & Biology. 61, (7), 2926 (2016).
  33. Chen, W. S., Brayman, A. A., Matula, T. J., Crum, L. A. Inertial cavitation dose and hemolysis produced in vitro with or without Optison. Ultrasound in Medicine & Biology. 29, (5), 725-737 (2003).
  34. Qiu, Y., et al. The correlation between acoustic cavitation and sonoporation involved in ultrasound-mediated DNA transfection with polyethylenimine (PEI) in vitro. Journal of Controlled Release. 145, (1), 40-48 (2010).
  35. Sun, T., Jia, N., Zhang, D., Xu, D. Ambient pressure dependence of the ultra-harmonic response from contrast microbubbles. The Journal of the Acoustical Society of America. 131, (6), 4358-4364 (2012).
  36. Rehemtulla, A., et al. Rapid and quantitative assessment of cancer treatment response using in vivo bioluminescence imaging. Neoplasia. 2, (6), 491-495 (2000).
  37. Puaux, A. L., et al. A comparison of imaging techniques to monitor tumor growth and cancer progression in living animals. International Journal of Molecular Imaging. 2011, (2011).
  38. Wu, S. K., et al. Characterization of different microbubbles in assisting focused ultrasound-induced blood-brain barrier opening. Scientific Reports. 7, 46689 (2017).
  39. van den Broek, M. P., Groenendaal, F., Egberts, A. C., Rademaker, C. M. Effects of hypothermia on pharmacokinetics and pharmacodynamics. Clinical Pharmacokinetics. 49, (5), 277-294 (2010).
  40. Paxinos, G., Franklin, K. B. Paxinos and Franklin's the mouse brain in stereotaxic coordinates. Academic press. (2019).
  41. Saunders, N. R., Dziegielewska, K. M., Møllgård, K., Habgood, M. D. Markers for blood-brain barrier integrity: how appropriate is Evans blue in the twenty-first century and what are the alternatives. Frontiers in Neuroscience. 385, 385 (2015).
  42. Yao, L., Xue, X., Yu, P., Ni, Y., Chen, F. Evans blue dye: a revisit of its applications in biomedicine. Contrast Media & Molecular Imaging. 2018, (2018).
  43. Caretti, V., et al. Monitoring of tumor growth and post-irradiation recurrence in a diffuse intrinsic pontine glioma mouse model. Brain Pathology. 21, (4), 441-451 (2011).
  44. Yoshimura, J., Onda, K., Tanaka, R., Takahashi, H. Clinicopathological study of diffuse type brainstem gliomas: analysis of 40 autopsy cases. Neurologia Medico-Chirurgica. 43, (8), 375-382 (2003).
  45. Yang, F. Y., et al. Micro-SPECT/CT-based pharmacokinetic analysis of 99mTc-diethylenetriaminepentaacetic acid in rats with blood-brain barrier disruption induced by focused ultrasound. Journal of Nuclear Medicine. 52, (3), 478-484 (2011).
  46. Sirsi, S., Borden, M. Microbubble compositions, properties and biomedical applications. Bubble Science, Engineering & Technology. 1, (1-2), 3-17 (2009).
  47. Greis, C. Technology overview: SonoVue. European Radiology. 14, Bracco, Milan. 11-15 (2004).
  48. Schneider, M. Characteristics of sonovue. Echocardiography. 16, 743-746 (1999).
  49. Talu, E., Powell, R. L., Longo, M. L., Dayton, P. A. Needle size and injection rate impact microbubble contrast agent population. Ultrasound in Medicine & Biology. 34, (7), 1182-1185 (2008).
  50. Pinton, G., et al. Attenuation, scattering, and absorption of ultrasound in the skull bone. Medical Physics. 39, (1), 299-307 (2012).
  51. Constantinides, C., Mean, R., Janssen, B. J. Effects of isoflurane anesthesia on the cardiovascular function of the C57BL/6 mouse. ILAR journal/National Research Council, Institute of Laboratory Animal Resources. 52, 21 (2011).
  52. McDannold, N., Zhang, Y., Vykhodtseva, N. The effects of oxygen on ultrasound-induced blood-brain barrier disruption in mice. Ultrasound in Medicine & Biology. 43, (2), 469-475 (2017).
  53. 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 in Medicine and Biology. 37, (8), 1259-1270 (2011).
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Haumann, R., ’t Hart, E., Derieppe, M. P. P., Besse, H. C., Kaspers, G. J. L., Hoving, E., van Vuurden, D. G., Hulleman, E., Ries, M. A High-Throughput Image-Guided Stereotactic Neuronavigation and Focused Ultrasound System for Blood-Brain Barrier Opening in Rodents. J. Vis. Exp. (161), e61269, doi:10.3791/61269 (2020).More

Haumann, R., ’t Hart, E., Derieppe, M. P. P., Besse, H. C., Kaspers, G. J. L., Hoving, E., van Vuurden, D. G., Hulleman, E., Ries, M. A High-Throughput Image-Guided Stereotactic Neuronavigation and Focused Ultrasound System for Blood-Brain Barrier Opening in Rodents. J. Vis. Exp. (161), e61269, doi:10.3791/61269 (2020).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter