Beyin Devrelerinin İnvaziv Olmayan Bağlantısının Hedefli Nöronal Yaralanma
Summary
Protokolün amacı beyinde non-invaziv nöronal lezyonlar üretmek için bir yöntem sağlamaktır. Yöntem manyetik rezonans güdümlü Odaklı Ultrason kullanır (MRgFUS) geçici ve odak noktası olarak Kan Beyin Bariyeri açmak için, beyin parankim dolaşan bir nörotoksin sunmak için.
Abstract
Cerrahi müdahale tıbbi olarak inatçı nörolojik hastalıkların bazı türleri tedavisinde oldukça etkili olabilir. Bu yaklaşım özellikle tanımlanabilir nöronal devrelerin epilepsi ve hareket bozuklukları gibi önemli bir rol oynadığı bozukluklar için yararlıdır. Şu anda mevcut cerrahi yöntemler, etkili iken, genellikle invaziv bir cerrahi işlem içerir, hangi olmayan hedef dokularda cerrahi yaralanmaya neden olabilir. Sonuç olarak, hem non-invaziv hem de nörotoksik bir teknik içerecek şekilde cerrahi yaklaşımların yelpazesini genişletmek için değerli olacaktır.
Burada beyinde non-invaziv bir şekilde fokal, nöronal lezyonlar üretmek için bir yöntem sunulmaktadır. Bu yaklaşım, kan beyin bariyerini (BBB) geçici ve odaksal olarak açmak için intravenöz mikrokabarcıklarla birlikte düşük yoğunluklu odaklı ultrason uyguluyor. Geçici BBB açılış dönemi daha sonra odaklı hedeflenen bir beyin bölgesine sistematik olarak yönetilen nörotoksin sunmak için istismar edilir. Nörotoksin kinolinik asit (QA) normalde BBB-geçirimsizdir ve intraperitoneal veya intravenöz olarak uygulandığında iyi tolere edilir. Ancak, QA beyin dokusuna doğrudan erişim kazandığında, nöronlar için toksiktir. Bu yöntem belirli beyin bölgelerini hedeflemek için sıçan ve sıçanlarda kullanılmıştır. MRgFUS’tan hemen sonra, BBB’nin başarılı bir şekilde açılması kontrastlı T1 ağırlıklı görüntüleme kullanılarak doğrulanır. İşlemden sonra, T2 görüntüleme beynin hedeflenen alanı ile sınırlı yaralanma gösterir ve hedeflenen alanda nöronların kaybı histolojik teknikler kullanılarak post-mortem doğrulanabilir. Özellikle, QA yerine salin enjekte edilen hayvanlar BBB’nin açılmış olduğunu gösterirler, ancak yaralanma veya nöronal kayıp göstermezler. Bu yöntem, Precise Intracerebral Non-invaziv Güdümlü cerrahi (PING) olarak adlandırılan nöral devre bozuklukları ile ilişkili nörolojik bozuklukların tedavisinde non-invaziv bir yaklaşım sağlayabilir.
Introduction
Bu yöntemin amacı beynin hedeflenen bir bölgede non-invaziv nöronal lezyonlar üretmek için bir araç sağlamaktır. Böyle bir yaklaşım geliştirmek için mantığı nörolojik bozukluklara katkıda nöronal devre kesmek için. Örneğin, cerrahi ilaç dirençli epilepsi (DRE)1gibi bazı tıbbi inatçı nörolojik hastalıkların tedavisinde oldukça etkili olabilir. Ancak, mevcut cerrahi yöntemlerin her biri beyne istenmeyen ikincil hasar üreten açısından sınırlamalar sahip. Geleneksel rezeke cerrahisi kanama riski ile son derece invaziv olabilir, enfeksiyon, kan pıhtıları, inme, nöbetler, beyin şişmesi, ve sinir hasarı2. Minimal invaziv veya non-invaziv rezeke cerrahisi alternatifleri lazer interstisyel termal tedavi ve radyocerrahi, aynı zamanda DRE nöbetleri bastırmada etkili olduğu kanıtlanmıştır içerir. Daha yakın zamanlarda, yüksek yoğunluklu odaklı ultrason (HIFU) tarafından üretilen termal lezyonlar nöbetlerin azaltılmasında umut göstermiştir. HIFU non-invaziv; ancak, tedavi penceresi şu anda kafatası çevresinde bulunan olmayan hedef doku termal yaralanma riski nedeniyle beynin daha merkezi alanları ile sınırlıdır. Bu tür sınırlamalar rağmen, cerrahi yararları genellikle potansiyel riskleri ağır basar. Örneğin, DRE için cerrahi ikincil beyin hasarı üretebilir rağmen, nöbetleri bastırmak ve yaşam kalitesini artırmak yararlı etkileri genellikle cerrahi riskler üzerinde hakim.
Burada açıklanan yöntem, Hassas İntraserebral Non-invaziv Güdümlü cerrahi (PING), nöral devrelerin kesilmesi amacıyla geliştirilmiştir, ikincil beyin hasarı sınırlayıcı iken. Yöntem bbb açmak için mikrokabarcıklar intravenöz enjeksiyon ile birlikte düşük yoğunluklu odaklı ultrason kullanır, bir nörotoksin sunmak için. Bu yaklaşım beyin3termal lezyonlar üretmez3 ,4,5,6,7, ve BBB açılış dönemi beyin parankim BBB geçirimsiz bileşikler sunmak için istismar edilebilir. BBB’nin açılması geçicidir ve manyetik rezonans görüntüleme kılavuzu kullanılarak hedefli bir şekilde üretilebilir. Çalışmalarımızda, BBB açılış dönemi sıçan ve sıçanlarda beyin parankim hedeflenen bir alana dolaşan bir nörotoksin sunmak için kullanılmıştır8,9. Kinolinik asit intravenöz uygulandığında iyi tolere edilen bir nörotoksindir 10, intraarteriyel10, veya intraperitoneally8,9,11. QA toksisite eksikliği ihmal edilebilir olduğu bildirilmiştir onun kötü BBB geçirgenlik nedeniyle10. Buna karşılık, beyin parankim içine QA doğrudan enjeksiyonu komşu aksonları yedek nöronal lezyonlar üretir12,13. Böylece, QA BBB açılması hedeflenen alanda beyin parankim erişim kazançları dolaşan zaman, nöronal ölüm8üretilir,9. Bu nedenle mevcut yöntem, tam hedefli ve non-invaziv bir şekilde fokal nöronal kayıp üretir.
Protocol
Representative Results
Discussion
PING yöntemi non-invaziv, hedefli nöronal lezyonlar üretmek için tasarlanmıştır. Yöntem odaklı ultrason alanında araştırma güçlü ve büyüyen temeltinden türetilmiştir3,4,5,6,7. BBB geçici açılış yoluyla beyin parankim belirli alanlara odak erişim sağlamak için yeteneği normalde beyne erişim elde olmaz ajanların geniş bir yelpazede…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Yazarlar MRI alanında yaptığı mükemmel teknik destek için Rene Jack Roy tanımak. Bu çalışma Ulusal Sağlık Enstitüleri (R01 NS102194’den KSL’ye ve R01 CA217953-01’den MW’ye), Chester Fonu (KSL) ve Odaklanmış Ultrason Vakfı (KSL ve JW) tarafından desteklenmiştir.
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).
