إصابة عصبية مستهدفة لقطع غير الغازية من دوائر الدماغ
Summary
الهدف من البروتوكول هو توفير طريقة لإنتاج الآفات العصبية غير الغازية في الدماغ. تستخدم الطريقة الموجات فوق الصوتية المركزة (MRgFUS) لفتح حاجز الدم في الدماغ بطريقة عابرة ومركزية ، من أجل توصيل سم عصبي متداول إلى بارينتشيما الدماغ.
Abstract
يمكن أن يكون التدخل الجراحي فعالاً جداً في علاج أنواع معينة من الأمراض العصبية المستعصية طبياً. هذا النهج مفيد بشكل خاص للاضطرابات التي تلعب فيها الدوائر العصبية القابلة للتحديد دورًا رئيسيًا ، مثل الصرع واضطرابات الحركة. الطرائق الجراحية المتاحة حاليا، على الرغم من فعاليتها، تنطوي عموما على إجراء جراحي الغازية، والتي يمكن أن تؤدي إلى إصابات جراحية للأنسجة غير المستهدفة. وبالتالي، سيكون من المفيد توسيع نطاق النهج الجراحية لتشمل تقنية غير الغازية والأعصاب على حد سواء.
هنا، يتم تقديم طريقة لإنتاج البؤري، آفات الخلايا العصبية في الدماغ بطريقة غير الغازية. يستخدم هذا النهج الموجات فوق الصوتية منخفضة الكثافة التركيز جنبا إلى جنب مع microbubbles عن طريق الوريد لفتح عابرة ومركزيا حاجز الدم الدماغ (BBB). ثم يتم استغلال فترة فتح BBB العابرة لتسليم سم عصبي مُدار بشكل منهجي إلى منطقة مستهدفة في الدماغ. حمض الكينولينيك العصبي (QA) هو عادة BBB-impermeable، ويتم التسامح بشكل جيد عندما تدار داخل الصفاق أو عن طريق الوريد. ومع ذلك، عندما تحصل على ضمان الجودة الوصول المباشر إلى أنسجة الدماغ، فهي سامة للخلايا العصبية. وقد استخدمت هذه الطريقة في الفئران والجرذان لاستهداف مناطق محددة في الدماغ. مباشرة بعد MRgFUS، يتم تأكيد نجاح فتح BBB باستخدام التصوير المرجح T1 المحسنة على النقيض. بعد الإجراء، والتصوير T2 يظهر إصابة تقتصر على المنطقة المستهدفة من الدماغ وفقدان الخلايا العصبية في المنطقة المستهدفة يمكن تأكيد بعد الوفاة باستخدام تقنيات النسيج. وتجدر الإشارة إلى أن الحيوانات التي يتم حقنها بالملوحة المالحة بدلاً من QA تثبت افتتاح BBB ، ولكن لا تظهر نقطة الإصابة أو فقدان الخلايا العصبية. هذه الطريقة، التي يطلق عليها دقيقة Intracerebral الجراحة الموجهة غير الغازية (PING) يمكن أن توفر نهجا غير الغازية لعلاج الاضطرابات العصبية المرتبطة بالاضطرابات في الدوائر العصبية.
Introduction
والغرض من هذه الطريقة هو توفير وسيلة لإنتاج الآفات العصبية غير الغازية في منطقة مستهدفة من الدماغ. والأساس المنطقي لتطوير مثل هذا النهج هو فصل الدوائر العصبية التي تسهم في الاضطرابات العصبية. على سبيل المثال، يمكن أن تكون الجراحة فعالة جدا في علاج بعض الاضطرابات العصبية المستعصية طبيا، مثل الصرع المقاوم للأدوية (DRE)1. ومع ذلك، كل من الطرائق الجراحية المتاحة تمتلك حدودا من حيث إنتاج أضرار جانبية غير مرغوب فيها للدماغ. يمكن أن تكون الجراحة التقليدية التي تُعاد الجراحة شديدة التوغل مع خطر النزيف والعدوى والجلطات الدموية والسكتة الدماغية والنوبات وتورم الدماغ وتلف الأعصاب2. وتشمل بدائل الجراحة التي هي طفيفة التوغل أو غير الغازية العلاج الحراري بالليزر الخلالي والجراحة الإشعاعية، والتي أثبتت أيضا أن تكون فعالة في قمع المضبوطات في DRE. في الآونة الأخيرة ، أظهرت الآفات الحرارية التي تنتجها الموجات فوق الصوتية عالية الكثافة (HIFU) وعدًا في الحد من النوبات. HIFU غير الغازية; ومع ذلك، يقتصر إطار العلاج في الوقت الراهن على مناطق أكثر مركزية من الدماغ بسبب خطر الإصابة الحرارية في الأنسجة غير المستهدفة الموجودة في محيط الجمجمة. على الرغم من هذه القيود، فوائد الجراحة غالبا ما تفوق المخاطر المحتملة. على سبيل المثال، على الرغم من أن الجراحة لDDE يمكن أن تنتج تلف الدماغ الجانبية، وآثارها المفيدة في قمع المضبوطات وتحسين نوعية الحياة عادة ما تسود على المخاطر الجراحية.
تم تطوير الطريقة الموصوفة هنا ، الجراحة الموجهة غير الغازية الدقيقة (PING) ، لغرض فصل الدوائر العصبية ، مع الحد من تلف الدماغ الجانبي. تستخدم هذه الطريقة الموجات فوق الصوتية منخفضة الكثافة تركز جنبا إلى جنب مع الحقن الوريدي من microbubbles لفتح BBB، من أجل تقديم سم عصبي. هذا النهج لا تنتج الآفات الحرارية للدماغ3,4,5,6,7, ويمكن استغلال فترة فتح BBB لتقديم مركبات BBB-impermeable إلى parenchyma الدماغ. افتتاح BBB عابر، ويمكن أن تنتج بطريقة مستهدفة باستخدام توجيه التصوير بالرنين المغناطيسي. في دراساتنا، وقد استخدمت فترة افتتاح BBB لتقديم neurotoxin تعميمها إلى منطقة مستهدفة من الدماغ parenchyma في الفئرانوالجرذان 8،9. حمض الكينولينيك هو سم عصبي جيد التحمل عندما تدار عن طريق الوريد10، intraarterially10، أو intraperitoneally8،9،11. ويرجع عدم وجود سمية QA إلى ضعف نفاذية BBB، والتي أفادت التقارير بأنها لا تذكر10. في المقابل، الحقن المباشر من QA في الدماغ parenchyma تنتج الآفات العصبية التي تجنب محاور المحاور المجاورة12،13. وهكذا، عندما تعميم ضمان الجودة مكاسب الوصول إلى parenchyma الدماغ في المنطقة المستهدفة من افتتاح BBB، يتم إنتاج الموت العصبي8،9. الطريقة الحالية تنتج بالتالي فقدان الخلايا العصبية التركيز بطريقة محددة الهدف وغير الغازية.
Protocol
Representative Results
Discussion
تم تصميم طريقة PING لإنتاج آفات الخلايا العصبية غير الغازية المستهدفة. هذه الطريقة مستمدة من أساس قوي ومتزايد من البحوث في مجال تركيز الموجات فوق الصوتية3،4،5،6،7. وقد خلقت القدرة على توفير الوصول البؤر?…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
الكتاب الاعتراف رينيه جاك روي لدعمه الفني الممتاز في مجال التصوير بالرنين المغناطيسي. وقد دعم هذا العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة (R01 NS102194 إلى KSL و R01 CA217953-01 إلى MW)، وصندوق تشيستر (KSL)، ومؤسسة الموجات فوق الصوتية المركزة (KSL وJW).
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).
