Gerichte neuronale letsel voor de niet-invasieve ontkoppeling van brain circuit
Summary
Het doel van het protocol is om een methode te bieden voor het produceren van niet-invasieve neuronale laesies in de hersenen. De methode maakt gebruik van Magnetic Resonance-guided Focused Ultrasound (MRgFUS) om de bloedhersenbarrière te openen op een voorbijgaande en brandpuntige manier, om een circulerend neurotoxine te leveren aan de hersenen parenchyma.
Abstract
Chirurgische ingreep kan heel effectief zijn voor de behandeling van bepaalde vormen van medisch hardnekkige neurologische ziekten. Deze aanpak is vooral handig voor aandoeningen waarbij identificeerbare neuronale circuits een belangrijke rol spelen, zoals epilepsie en bewegingsstoornissen. Momenteel beschikbare chirurgische modaliteiten, terwijl effectief, in het algemeen betrekking hebben op een invasieve chirurgische ingreep, die kan resulteren in chirurgische letsel aan niet-doelweefsels. Bijgevolg zou het van waarde zijn om het bereik van chirurgische benaderingen uit te breiden met een techniek die zowel niet-invasief als neurotoxisch is.
Hier wordt een methode gepresenteerd voor het produceren van focale, neuronale laesies in de hersenen op een niet-invasieve manier. Deze aanpak maakt gebruik van lage intensiteit gerichte echografie samen met intraveneuze microbellen om tijdelijk en brandpuntsgericht open de Bloedhersenbarrière (BBB). De periode van voorbijgaande BBB opening wordt vervolgens benut om focally leveren een systemisch toegediend neurotoxine aan een gerichte hersenen gebied. Het neurotoxine quinolinic zuur (QA) is normaal BBB-ondoordringbaar, en wordt goed verdragen wanneer toegediend intraperitoneally of intraveneus. Echter, wanneer QA krijgt directe toegang tot hersenweefsel, het is giftig voor de neuronen. Deze methode is gebruikt bij ratten en muizen om specifieke hersengebieden te richten. Onmiddellijk na MRgFUS wordt de succesvolle opening van de BBB bevestigd met behulp van contrastvergeopte T1-gewogen beeldvorming. Na de procedure, T2 beeldvorming toont letsel beperkt tot het beoogde gebied van de hersenen en het verlies van neuronen in het beoogde gebied kan worden bevestigd post-mortem met behulp van histologische technieken. Met name dieren geïnjecteerd met zout in plaats van QA tonen de opening van de BBB aan, maar de stip vertoont geen letsel of neuronaal verlies. Deze methode, genoemd Nauwkeurige Intracerbraral Niet-invasieve Geleide chirurgie (PING) kan een niet-invasieve benadering voor de behandeling van neurologische aandoeningen geassocieerd met verstoringen in neurale circuits.
Introduction
Het doel van deze methode is om een middel te bieden voor het produceren van niet-invasieve neuronale laesies in een gericht gebied van de hersenen. De reden voor het ontwikkelen van een dergelijke aanpak is het loskoppelen van neuronale circuits die bijdragen aan neurologische aandoeningen. Bijvoorbeeld, chirurgie kan heel effectief zijn bij de behandeling van bepaalde medisch hardnekkige neurologische aandoeningen, zoals resistente epilepsie (DRE)1. Echter, elk van de beschikbare chirurgische modaliteiten bezitten beperkingen in termen van het produceren van ongewenste bijkomende schade aan de hersenen. Traditionele resective chirurgie kan zeer invasief zijn met het risico van bloeden, infectie, bloedstolsels, beroerte, aanvallen, zwelling van de hersenen, en schade aan de zenuwen2. Alternatieven voor resectief chirurgie die minimaal invasief of niet-invasief zijn, zijn laserinterstitiële thermische therapie en radiochirurgie, die ook effectief zijn gebleken bij het onderdrukken van aanvallen bij DRE. Meer recent, thermische laesies geproduceerd door hoge intensiteit gerichte echografie (HIFU) hebben aangetoond belofte in het verminderen van aanvallen. HIFU is niet-invasief; echter, de behandeling venster is momenteel beperkt tot meer centrale gebieden van de hersenen als gevolg van het risico van thermische schade aan niet-doelweefsel gelegen in de buurt van de schedel. Ondanks dergelijke beperkingen wegen de voordelen van chirurgie vaak op tegen de potentiële risico’s. Bijvoorbeeld, hoewel een operatie voor DRE kan produceren bijkomende hersenschade, de gunstige effecten in het onderdrukken van aanvallen en het verbeteren van de kwaliteit van leven meestal prevaleren boven de chirurgische risico’s.
De hierin beschreven methode, Precise Intracerebral Non-invasive Guided surgery (PING), werd ontwikkeld met het oog op het loskoppelen van neurale circuits, terwijl bijkomende hersenschade werd beperkt. De methode maakt gebruik van lage intensiteit gerichte echografie in combinatie met intraveneuze injectie van microbellen om de BBB te openen, om een neurotoxine te leveren. Deze aanpak produceert geen thermische laesies aan de hersenen3,,4,,5,,6,7, en de periode van BBB opening kan worden benut om BBB-ondoordringbare verbindingen te leveren aan de hersenen parenchyma. De opening van de BBB is van voorbijgaande aard en kan gericht worden geproduceerd met behulp van magnetische resonantiebeeldvormingsbegeleiding. In onze studies is de periode van BBB-opening gebruikt om een circulerend neurotoxine te leveren aan een gericht gebied van de hersenen parenchyma bij ratten en muizen8,9. Quinolinic acid is een neurotoxine dat goed wordt verdragen wanneer toegediend intraveneus10, intraarterially10, of intraperitoneally8,9,11. Het gebrek aan QA-toxiciteit is te wijten aan de slechte BBB-doorlaatbaarheid, waarvan is gemeld dat het verwaarloosbaar is10. In tegenstelling, directe injectie van QA in de hersenen parenchyma produceert neuronale laesies die sparen naburige axonen12,13. Dus, wanneer circulerende QA toegang krijgt tot de hersenen parenchyma in het beoogde gebied van BBB opening, neuronale dood wordt geproduceerd8,9. De huidige methode produceert dus focal neuronale verlies in een precies gerichte en niet-invasieve manier.
Protocol
Representative Results
Discussion
De PING-methode is ontworpen om niet-invasieve, gerichte neuronale laesies te produceren. De methode is afgeleid van een sterke en groeiende basis van onderzoek op het gebied van gerichteechografie 3,4,5,6,7. De mogelijkheid om focale toegang te bieden tot specifieke gebieden van de hersenen parenchyma via tijdelijke opening van de BBB heeft een weg gecreëerd…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs erkennen Rene Jack Roy voor zijn uitstekende technische ondersteuning op het gebied van MRI. Dit werk werd ondersteund door de National Institutes of Health (R01 NS102194 aan KSL en R01 CA217953-01 aan MW), het Chester Fund (KSL) en de Focused Ultrasound Foundation (KSL en JW).
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 |
References
- Wiebe, S., Eliasziw, M., Matijevic, S. I. Changes in quality of life in epilepsy: How large must they be to be real. Epilepsia. 42, 113-118 (2001).
- McClelland, S., Guo, H., Okuyemi, K. S. Population-based analysis of morbidity and mortality following surgery for intractable temporal lobe epilepsy in the United States. Archives of Neurology. 68, 725-729 (2011).
- Hynynen, K., McDannold, N., Vykhotseva, N., Jolesz, F. A. Noninvasive MR imaging-guided focal opening of the blood-brain barrier in rabbits. Radiology. 220, 640-646 (2001).
- McDannold, N., Vykhodtseva, N., Raymond, S., Jolesz, F. A., Hynynen, K. MRI-guided targeted blood-brain barrier disruption with focused ultrasound: histological findings in rabbits. Ultrasound in Medicine & Biology. 31, 1527-1537 (2005).
- Park, J., Zhang, Y., Vykhodtseva, N., Jolesz, F. A., McDannold, N. J. The kinetics of blood brain barrier permeability and targeted doxorubicin delivery into brain induced by focused ultrasound. Journal of Controlled Release. 162 (1), 134-142 (2012).
- Sheikov, N., McDannold, N., Vykhodtseva, N., Jolesz, F., Hynynen, K. Cellular mechanisms of the blood-brain barrier opening induced by ultrasound in the presence of microbubbles. Ultrasound in Medicine & Biology. 30, 979-989 (2004).
- Vlachos, F., Tung, Y. S., Konofagou, E. E. Permeability assessment of the focused ultrasound-induced blood-brain barrier opening using dynamic contrast-enhanced MRI. Physics in Medicine and Biology. 55 (18), 5451-5466 (2010).
- Zhang, Y., et al. focal disconnection of brain circuitry using magnetic resonance-guided low-intensity focused ultrasound to deliver a Neurotoxin. Ultrasound in Medicine & Biology. 42 (9), 2261-2269 (2016).
- Zhang, Y., et al. Testing different combinations of acoustic pressure and doses of quinolinic acid to induce focal-neuron loss in mice using transcranial low-intensity focused ultrasound. Ultrasound in Medicine & Biology. 45, 129-136 (2018).
- Foster, A. C., Miller, L. P., Oldendorf, W. H., Schwarcz, R. Studies on the disposition of quinolinic acid after intracerebral or systemic administration in the rat. Experimental Neurology. 84, 428-440 (1984).
- Beskid, M., Różycka, Z., Taraszewska, A. Quinolinic acid: effect on the nucleus arcuatus of the hypothalamus in the rat (ultrastructural evidence). Experimental and Toxicologic Pathology. 49, 477-481 (1997).
- Schwarcz, R., Köhler, C. Differential vulnerability of central neurons of the rat to quinolinic acid. Neuroscience Letters. 38, 85-90 (1983).
- Schwarcz, R., Whetsell, W. O., Mangano, R. M. Quinolinic acid: an endogenous metabolite that produces axon-sparing lesions in rat brain. Science. 219, 316-318 (1983).
- Klibanov, A. L. Microbubble contrast agents: targeted ultrasound imaging and ultrasound-assisted drug-delivery applications. Investigative Radiology. 41 (3), 354-362 (2006).
- Agari, T., et al. Successful treatment of epilepsy by resection of periventricular nodular heterotopia. Acta Medica Okayama. 66 (6), 487-492 (2012).
- Lee, K. S., et al. A genetic animal model of human neocortical heterotopia associated with seizures. The Journal of Neuroscience. 17 (16), 6236-6242 (1997).
- Schottler, F., Couture, D., Rao, A., Kahn, H., Lee, K. S. Subcortical connections of normotopic and heterotopic neurons in sensory and motor cortices of the tish mutant rat. The Journal of Comparative Neurology. 395 (1), 29-42 (1998).
- Schottler, F., et al. Normotopic and heterotopic cortical representations of mystacial vibrissae in rats with subcortical band heterotopia. Neurosciences. 108 (2), 217-235 (2001).
- Zhang, Y., et al. Effects of non-invasive, targeted, neuronal lesions on seizures in a mouse model of temporal lobe epilepsy. Ultrasound in Medicine and Biology. 46, 1224-1234 (2020).
- Holmes, E. W. Determination of serum kynurenine and hepatic tryptophan dioxygenase activity by high-performance liquid chromatography. Analytical Biochemistry. 172, 518-525 (1988).
- Shibata, K., Ohno, T., Sano, M., Fukuwatari, T. The urinary ratio of 3-hydroxykynurenine/3-hydroxyanthranilic acid is an index of predicting the adverse effects of D-trytophan in rats. Journal of Nutritional Science and Vitaminology. 60, 261-268 (2014).
- Aubry, J. -. F., Tanter, M. MR-guided transcranial focused ultrasound. Therapeutic Ultrasound. , 97-111 (2016).
- Elias, W. J., et al. A Randomized trial of focused ultrasound thalamotomy for essential tremor. New England Journal of Medicine. 375, 730-739 (2016).
- Ghanouni, P., et al. Transcranial MR-guided focused ultrasound: a review of the technology and neuro applications. American Journal of Roentgenology. 205, 150-159 (2015).
- Martin, E., Jeanmonod, D., Morel, A., Zadicario, E., Werner, B. High-intensity focused ultrasound for noninvasive functional neurosurgery. Annals of Neurology. 66, 858-861 (2009).
- Monteith, S., et al. Transcranial magnetic resonance-guided focused ultrasound for temporal lobe epilepsy: a laboratory feasibility study. Journal of Neurosurgery. 12, 1-8 (2016).
