Målrettet nevronal skade for ikke-invasiv frakobling av hjernekretser

Summary

Målet med protokollen er å gi en metode for å produsere ikke-invasive nevronale lesjoner i hjernen. Metoden benytter Magnetic Resonance-guidede Focused Ultrasound (MRgFUS) for å åpne Blodhjernsbarrieren på en forbigående og fokal måte, for å levere et sirkulerende nevrotoksin til hjernens parenchyma.

Abstract

Kirurgisk inngrep kan være ganske effektivt for behandling av visse typer medisinsk intractable nevrologiske sykdommer. Denne tilnærmingen er spesielt nyttig for lidelser der identifiserbare nevronale kretser spiller en nøkkelrolle, som epilepsi og bevegelsesforstyrrelser. Foreløpig tilgjengelig kirurgiske modaliteter, mens effektiv, vanligvis innebære en invasiv kirurgisk prosedyre, som kan resultere i kirurgisk skade på ikke-mål vev. Følgelig ville det være av verdi å utvide utvalget av kirurgiske tilnærminger for å inkludere en teknikk som er både ikke-invasiv og nevrotoksisk.

Her presenteres en metode for å produsere fokale, nevronale lesjoner i hjernen på en ikke-invasiv måte. Denne tilnærmingen benytter lavintensitetsfokusert ultralyd sammen med intravenøse mikrobobler for å midlertidig og fokalt åpne Blood Brain Barrier (BBB). Perioden med forbigående BBB-åpning utnyttes deretter til å levere et systemisk administrert nevrotoksin til et målrettet hjerneområde. Nevrotoksinet quinolinsyre (QA) er normalt BBB-ugjennomtrengelig, og tolereres godt når det administreres intraperitonealt eller intravenøst. Men når QA får direkte tilgang til hjernevev, er det giftig for nevronene. Denne metoden har blitt brukt hos rotter og mus for å målrette bestemte hjerneregioner. Umiddelbart etter MRgFUS, vellykket åpning av BBB er bekreftet ved hjelp av kontrast forbedret T1-vektet bildebehandling. Etter prosedyren viser T2-bildebehandling skade begrenset til det målrettede området av hjernen, og tapet av nevroner i det målrettede området kan bekreftes etter mortem ved hjelp av histologiske teknikker. Spesielt, dyr injisert med saltvann i stedet for QA viser åpning av BBB, men dot ikke viser skade eller neuronal tap. Denne metoden, betegnes Precise Intracerebral Non-invasive Guided surgery (PING) kan gi en ikke-invasiv tilnærming for behandling av nevrologiske lidelser forbundet med forstyrrelser i nevrale kretser.

Introduction

Formålet med denne metoden er å gi et middel for å produsere ikke-invasive nevronale lesjoner i et målrettet område av hjernen. Begrunnelsen for å utvikle en slik tilnærming er å koble fra nevronale kretser som bidrar til nevrologiske lidelser. For eksempel kan kirurgi være ganske effektiv i behandling av visse medisinsk intractable nevrologiske lidelser, for eksempel resistent epilepsi (DRE)¹. Imidlertid har hver av de tilgjengelige kirurgiske modalitetene begrensninger når det gjelder å produsere uønsket sikkerhet skade på hjernen. Tradisjonell resective kirurgi kan være svært invasiv med risikoen for blødning, infeksjon, blodpropp, hjerneslag, anfall, hevelse i hjernen, og nerveskader². Alternativer til resective kirurgi som er minimalt invasiv eller ikke-invasiv inkluderer laser interstitiell termisk terapi og strålekirurgi, som også har vist seg å være effektive i å undertrykke anfall i DRE. Mer nylig har termiske lesjoner produsert av høyintensitetsfokusert ultralyd (HIFU) vist løfte om å redusere anfall. HIFU er ikke-invasiv; Imidlertid er behandlingsvinduet for tiden begrenset til mer sentrale områder av hjernen på grunn av risikoen for termisk skade på ikke-målvev som ligger i nærheten av skallen. Til tross for slike begrensninger, fordelene med kirurgi ofte oppveier den potensielle risikoen. For eksempel, Selv om kirurgi for DRE kan produsere sikkerhet hjerneskade, dens gunstige effekter i å undertrykke anfall og forbedre livskvaliteten vanligvis råde over kirurgiskrisiko.

Metoden beskrevet heri, Precise Intracerebral Non-invasive Guided surgery (PING), ble utviklet for å koble nevrale kretser, samtidig som sikkerhet hjerneskade. Metoden benytter lav intensitet fokusert ultralyd kombinert med intravenøs injeksjon av mikrobobler for å åpne BBB, for å levere et nevrotoksin. Denne tilnærmingen produserer ikke termiske lesjoner til hjernen^3,4,5,6,7,og perioden med BBB-åpning kan utnyttes til å levere BBB-ugjennomtrengelige forbindelser til hjernen parenchyma. Åpningen av BBB er forbigående, og kan produseres på en målrettet måte ved hjelp av magnetisk resonansavbildningsveiledning. I våre studier har perioden med BBB-åpning blitt benyttet til å levere et sirkulerende nevrotoksin til et målrettet område av hjernensparenchyma hos rotter og mus^8,9. Quinolinic acid er et nevrotoksin som tolereres godt når det administreres intravenøst¹⁰, intraarterielt¹⁰eller intraperitonealt^8,9,11. Mangelen på QA toksisitet skyldes sin dårlige BBB permeabilitet, som har blitt rapportert å være ubetydelig¹⁰. I motsetning, direkte injeksjon av QA i hjernen parenchyma produserer nevronale lesjoner som sparer nærliggende^{aksoner 12,13}. Dermed, når sirkulerende QA får tilgang til hjernen parenchyma i det målrettede området av BBB åpning, neuronal død er^{produsert 8,9}. Den nåværende metoden produserer dermed fokal neuronal tap på en nøyaktig målrettet og ikke-invasiv måte.

Protocol

Alle metoder som er beskrevet her har blitt godkjent av University of Virginia Animal Care and Use Committee. 1. Tilberedning av reagenser På operasjonsdagen, forberede 6,0 ml injiserbar quinolinic acid (QA). Oppløs 450 mg QA i 4,0 ml på 1,0 N NaOH. Tilsett 0,6 ml 10x PBS, pH til 7,4, og ta med til et endelig volum på 6,0 ml med dH2O. Filtrer gjennom 0,22 μm sprøytefilter. Oppløsningen er stabil i 2 uker ved 4 °C. Forbered en vandig spredning av mikrobobl…

Representative Results

Denne delen beskriver effekten av PING på nevroner som ligger i en neokortikale dysplasi. Vevdysplasi er et vanlig trekk i hjernen til pasienter med resistent epilepsi, og kirurgisk fjerning av anfallsgene dysplasier kan gi utmerket kontroll over anfall15. Å definere effekten av PING på dysplastisk hjernevev er derfor en viktig prioritet. En rottemodell av genetisk kortikal dysplasi, tish rotte, ble valgt for å studere dette problemet fordi tish hjernen viser dysplastisk vev (subkortikale band…

Discussion

PING-metoden er designet for å produsere ikke-invasive, målrettede nevronale lesjoner. Metoden stammer fra et sterkt og voksende grunnlag for forskning innen fokusert ultralyd^3,4,5,6,7. Evnen til å gi fokal tilgang til bestemte områder av hjernen parenchyma via forbigående åpning av BBB har skapt en vei for å levere et bredt utvalg av agenter som normal…

Materials

7T-ClinScan MRI System	Bruker Biospin, Ettinglen, Germany		MR Image Acquisition
Acoustic Gel	Litho CLEAR	11-601	High Viscosity Accoustic Transmission Gel
DPX Mounting Medium	Electron Microscopy Sciences	13512	Resin Based Cover Glass Mountant
Fluoro-Jade B	EDM Millipore	AG310	High Affinity Stain For Degenerating Neurons
Fluovac anesthetic adsorber	Harvard Apparatus	34-0388	Organic Anaesthesia Scavenger
FUS System	Image Guided Therapy, Pessac, France	LabFUS	MR Compatible Small Animal Focused Ultrasound System
Gadodiamide	GE Healthcare AS, Oslo, Norway	Omniscan	MR Contrast Agent
Heparin	SAGENT	NDC2502140010	Anti-Coagulant
Hypodermic needle 30G x 1/2	Becton-Dickinson	26027	Tail Vein Catheterization
Insulin syringe 28G1/2 (1ml)	EXEL	26027	Administration of Injectables to Tail Vein Catheter
Isofluorane atomizer	SurgiVet	VCT302	Anaesthesia Administration
Isoflurane	Henry Schein	NDC1169567762	Anaesthesia
KMnO4	Sigma	223468	Reagent Used in Fluoro-Jade B Staining
Microbubbles	Produced internally: A. Klibanov	305106	Blood Brain Barrier Disrupting Agent
Microbubbles (commercial source)	Lantheus Medical Imaging, North Billerica, MA	Definity microbubbles	Blood Brain Barrier Disrupting Agent
Monitoring & Gating System	Small Animal Instruments	Model 1030	Respiration Monitoring
Multisizer 3 Coulter counter	Beckman-Coulter, Hialeah, FL	Multisizer 3	Used to Determine Average Size of Microbubbles
Optixcare EYE LUBE	CLC MEDICA, Ontario, Canada	11611	Corneal Protectant-Eye Lube
PE10 tubing	Becton-Dickinson	427401	Tail Vein Catheter Component
Quinolinic Acid	Santa Cruz Biotechnology, Dallas, TX	CAS 89-00-9	Neurotoxin
Sprague-Dawley Rats	Taconic Biosciences	SD-M	Rat Model
Syringe Pump	Carnegie Medicin	CMA 100	Controlled Delivery of Quinolinic Acid
Thermoguide Software	Image Guided Therapy, Pessac, France	Thermoguide	Drives Lab FUS System
Tish Rats	In-house colony		Rat Model
Veet depilatory cream	Reckitt Benckiser		Removal of Scalp Hair