Целевая нейронная травма для неинвазивного отключения головной цепи
Summary
Целью протокола является предоставление метода для производства неинвазивных нейронных поражений в головном мозге. Метод использует магнитно-резонанс-управляемый Фокусированная ультразвук (MRgFUS) для того чтобы открыть барьер мозга крови в преходящем и фокусном образе, для того чтобы поставить циркулируя нейротоксин к parenchyma мозга.
Abstract
Хирургическое вмешательство может быть достаточно эффективным для лечения некоторых видов медицинских неразрешимых неврологических заболеваний. Этот подход особенно полезен при расстройствах, при которых идентифицируемые нейронные схемы играют ключевую роль, такие как эпилепсия и двигательные расстройства. Имеющиеся в настоящее время хирургические методы, хотя и эффективны, как правило, включают инвазивную хирургическую процедуру, которая может привести к хирургическому повреждению нецелевых тканей. Следовательно, было бы важно расширить спектр хирургических подходов, чтобы включить метод, который является одновременно неинвазивным и нейротоксическим.
Здесь представлен метод производства фокусных, нейронных поражений в головном мозге неинвазивным способом. Этот подход использует низкоинтенсивное сфокусированное УЗИ вместе с внутривенными микропузырями, чтобы временно и очаги открыто гемового мозга Барьер (BBB). Период временного открытия BBB затем используется для фокусного доставки системно управляемого нейротоксина в целевую область мозга. Нейротоксин хинолиновая кислота (КК), как правило, BBB-непроницаемой, и хорошо переносится при введении интраперитонально или внутривенно. Однако, когда КК получает прямой доступ к тканям мозга, он токсичен для нейронов. Этот метод был использован у крыс и мышей для целевой конкретных областей мозга. Сразу же после MRgFUS, успешное открытие BBB подтверждается с помощью контрастного расширенного T1-взвешенной визуализации. После процедуры, T2 изображения показывает травмы ограничивается целевой области мозга и потеря нейронов в целевой области может быть подтверждено посмертное использованием гистологических методов. Примечательно, что животные, введенные с солевым раствором, а не КК действительно демонстрируют открытие BBB, но точка не проявляют травмы или потери нейронов. Этот метод, который называют точной внутримозговой неинвазивной управляемой хирургии (PING) может обеспечить неинвазивный подход для лечения неврологических расстройств, связанных с нарушениями в нервной схеме.
Introduction
Целью данного метода является предоставление средств для производства неинвазивных нейрональных поражений в целевой области мозга. Смысл разработки такого подхода заключается в отключении нейронных схем, способствующих неврологическим расстройствам. Например, хирургия может быть весьма эффективным в лечении некоторых медицинских неразрешимых неврологических расстройств, таких как лекарственно-устойчивая эпилепсия (DRE)1. Тем не менее, каждый из доступных хирургических методов обладают ограничениями с точки зрения производства нежелательных побочных повреждений мозга. Традиционная резективная хирургия может быть высокоинвазивной с риском кровотечения, инфекции, сгустков крови, инсульта, судорог, отек мозга, и повреждениенерва 2. Альтернативы резективной хирургии, которые являются минимально инвазивными или неинвазивными включают лазерную интерстициальную тепловую терапию и радиохирургию, которые также доказали свою эффективность в подавлении судорог в DRE. В последнее время тепловые поражения, производимые высокоинтенсивным сфокусированным ультразвуком (HIFU), показали перспективу в сокращении судорог. HIFU является неинвазивным; однако, его окно обработки в настоящее время ограничено более центральными областями мозга из-за риска теплового повреждения нецелевых тканей, расположенных в непосредственной близости от черепа. Несмотря на такие ограничения, преимущества операции часто перевешивают потенциальные риски. Например, хотя хирургия DRE может привести к сопутствующему повреждению мозга, его благотворное воздействие на подавление судорог и улучшение качества жизни, как правило, преобладают над хирургическими рисками.
Метод, описанный в настоящем, Точная внутримозговая неинвазивная управляемая хирургия (PING), был разработан с целью отключения нейронных схем, ограничивая при этом сопутствующие повреждения мозга. Метод использует низкой интенсивности сосредоточены ультразвука в сочетании с внутривенной инъекции microbubbles, чтобы открыть BBB, для того, чтобы доставить нейротоксин. Этот подход не производит тепловых поражений мозга3,4,5,6,7, и период открытия BBB могут быть использованы для доставки BBB-непроницаемых соединений в мозг parenchyma. Открытие BBB является переходным, и может быть произведено в целенаправленной манере с помощью магнитно-резонансной томографии руководства. В наших исследованиях, период открытия BBB был использован для доставки циркулирующих нейротоксинов в целевой области мозга паренхима у крыси мышей 8,9. Квинолиновая кислота является нейротоксин, который хорошо переносится привведении внутривенно 10,внутриартериально 10, или интраперитонально8,9,11. Отсутствие токсичности ДЛЯ связано с его плохой проницаемостью BBB, которая, как сообщается, ничтожно мала10. В отличие от этого, прямое введение КК в мозг паренхима производит нейрональные поражения, которые щадятсоседние аксоны 12,13. Таким образом, при циркулирующей КК получает доступ к паренхиме мозга в целевой области открытия BBB, нейрональная смертьпроизводится 8,9. Таким образом, настоящий метод приводит к потере фокусных нейронов в точно целенаправленной и неинвазивной манере.
Protocol
Representative Results
Discussion
Метод PING предназначен для производства неинвазивных, целевых поражений нейронов. Метод вытекает из сильной и растущей основы исследований в области сфокусированногоультразвука 3,,4,,5,,6,,7. Способно?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Авторы признают Рене Джека Роя за отличную техническую поддержку в области МРТ. Эта работа была поддержана Национальными институтами здравоохранения (R01 NS102194 к KSL и R01 CA217953-01 к MW), Фондом Честера (KSL) и Фокусовым ультразвуковым фондом (KSL и 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. Neuroscience. 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).
