En benchtop tilnærming til plasseringen spesifikke blod hjernebarriere åpning ved hjelp av fokusert ultralyd i en rotte modell
Summary
Fokusert ultralyd med mikroboble agenter kan åpne blod hjernebarrieren fokalt og forbigående. Denne teknikken har blitt brukt til å levere et bredt spekter av midler over blod hjernebarrieren. Denne artikkelen gir en detaljert protokoll for lokalisert levering til gnagerhjernen med eller uten MR-veiledning.
Abstract
Stereotoksisk kirurgi er gullstandarden for lokalisert legemiddel- og genlevering til gnagerhjernen. Denne teknikken har mange fordeler ved systemisk levering, inkludert presis lokalisering til en målhjerneregion og reduksjon av off target bivirkninger. Stereotoksisk kirurgi er imidlertid svært invasiv som begrenser dens translasjonelle effekt, krever lange gjenopprettingstider, og gir utfordringer når man målretter mot flere hjerneregioner. Fokusert ultralyd (FUS) kan brukes i kombinasjon med sirkulerende mikrobobler for å midlertidig åpne blodhjernebarrieren (BBB) i millimeterstore områder. Dette gjør det mulig å spore lokalisering av systemisk leverte agenter som normalt ikke kan krysse BBB. Denne teknikken gir et ikke-invasivt alternativ til stereotoksisk kirurgi. Men til dags dato denne teknikken har ennå ikke blitt allment vedtatt i nevrovitenskap laboratorier på grunn av begrenset tilgang til utstyr og standardiserte metoder. Det overordnede målet med denne protokollen er å gi en benkeplate tilnærming til FUS BBB åpning (BBBO) som er rimelig og reproduserbar, og kan derfor enkelt vedtas av ethvert laboratorium.
Introduction
Til tross for de mange funnene i grunnleggende nevrovitenskap, forblir antall nye behandlinger for nevroutvikling og nevrodegenerative lidelser relativt begrenset1,2. En dypere forståelse av gener, molekyler og cellulære kretser involvert i nevrologiske lidelser har foreslått lovende behandlinger urealiserbare hos mennesker med dagens teknikker3. Effektive behandlinger er ofte begrenset av behovet for å være hjernen penetrerbare og stedsspesifikke4,5,6,7,8. Imidlertid er eksisterende metoder for lokalisert legemiddellevering til bestemte hjerneregioner (f.eks. levering via injeksjon eller kanyle) invasive og krever en åpning som skal gjøres i skallen9. Invasiviteten av denne operasjonen forhindrer rutinemessig bruk av lokalisert levering inn i den menneskelige hjernen. I tillegg er vevsskader og de resulterende inflammatoriske responsene allestedsnærværende forvirrende for grunnleggende og prekliniske studier som er avhengige av intracerebral injeksjon10. Evnen til ikke-invasivt levere midler over blod hjernebarrieren (BBB) og målrette dem til bestemte hjerneregioner kan ha en enorm innvirkning på behandlinger for nevrologiske lidelser, samtidig som det gir et kraftig undersøkelsesverktøy for preklinisk forskning.
En metode for målrettet transport over BBB med minimal vevsskade er transkraniell fokusert ultralyd (FUS) sammen med mikrobobler for å fokalt og forbigående åpne BBB11,12,13,14,15,16. FUS BBB åpningen har fått nylig oppmerksomhet for behandling av nevrodegenerative lidelser, hjerneslag og gliom ved å lokalisere terapeutiske midler for å målrette hjerneregioner som nevrotrofiskefaktorer 17,18,19,genterapi20,21,22, antistoffer23, nevrotransmittere24, og nanopartikler25,26,27,28,29. Med sitt brede spekter av applikasjoner og dens ikke-invasive natur30,31,er FUS BBB-åpning et ideelt alternativ til rutinemessige stereotoksiske intrakranielle injeksjoner. Videre, på grunn av sin nåværende bruk hos mennesker30,32, prekliniske undersøkelser ved hjelp av denne teknikken kan betraktes som svært translasjonelle. FUS BBB-åpningen har imidlertid ennå ikke vært en allment etablert teknikk innen grunnleggende vitenskap og preklinisk forskning på grunn av mangel på tilgjengelighet. Derfor gir vi en detaljert protokoll for en benkeplate tilnærming til FUS BBB åpning som utgangspunkt for laboratorier som er interessert i å etablere denne teknikken.
Disse studiene ble utført med enten en høyeffekts luftstøttet FUS-spesifikk ultralydtransduser eller en laveffekts dempet fokusert ultralydsenkingstransduser. Transduserne ble drevet av en RF-effektforsterker designet for reaktive belastninger og en standard benkeplatefunksjonsgenerator. Du finner mer informasjon for disse elementene i materialstet .
Protocol
Representative Results
Discussion
Her beskrev vi en benkeplate tilnærming til mikroboble assistert FUS BBB åpning med alternative tilnærminger inkludert, to forskjellige transdusere og metoder for intrakraniell målretting med og uten MR-veiledning. For øyeblikket, for å etablere MR-guidet FUS BBB-åpning i laboratoriet, er det mulighet til å kjøpe gode enheter som er klare til bruk som gir svært standardiserte og reproduserbare resultater med brukervennlige grensesnitt. Imidlertid er mange laboratorier ikke forberedt på kostnaden av slike instr…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Denne forskningen ble delvis støttet av et NSF EPSCoR Research Infrastructure-stipend til Clemson University (1632881). I tillegg ble denne forskningen delvis støttet av Civitan International Research Center, Birmingham, AL. Forfatterne anerkjenner takknemlig bruken av tjenestene og fasilitetene til University of Alabama ved Birmingham Small Animal Imaging Shared Facility Grant [NIH P30 CA013148]. Forfatterne anerkjenner Rajiv Chopra for hans støtte og veiledning.
Materials
| Bubble shaker | Lantheus Medical Imaging | VMIX | VIALMIX, actiation device used to activate Definity microbubbles |
| Catheter plug/ Injection cap | SAI infusion technologies | Part Number: IC | Catheter plug/ Injection cap |
| Evans blue dye | Sigma | E2129-10G | Evans blue dye |
| Function generator | Tektronix | AFG3022B | Dual channel, 250MS/s, 25MHz |
| FUS transducer, 1.1MHz | FUS Instruments | TX-110 | 1 MHz MRI-compatible spherically focused ultrasound transducer with a hydrophone |
| Heating pad for Mice and Rats | Kent Scientific | PS-03 | Heating pad- PhysioSuite for Mice and Rats |
| Infusion pump | KD Scientific | 780100 | KDS 100 Legacy Single Syringe Infusion Pump |
| Kapton tape | Gizmo Dorks | https://www.amazon.com/dp/B01N1GGKRC/ ref=cm_sw_em_r_mt_dp_U_GbR7Db56HKD91 |
Gizmo Dorks Kapton Tape (Polyimide) for 3D Printers and Printing, 8 x 8 inches, 10 Sheets per Pack |
| Low power immersion transducer, 1MHz | Olympus | V303-SU | Immersion Transducer, 1 MHz, 0.50 in. Element Diameter, Standard Case Style, Straight UHF Connector, F=0.80IN PTF |
| Magnet sets | WINOMO | https://www.amazon.com/dp/B01DJZQJBG/ ref=cm_sw_em_r_mt_dp_U_JYQ7DbM32E5QC |
WINOMO 15mm Sew In Magnetic Bag Clasps for Sewing Scrapbooking – 10 Sets |
| RF amplifier | E&I | A075 | 75W |
| Tail vein catheter | BD | 382512/ Fisher Item: NC1228513 | 24g BD Insyte Autoguard shielded IV catheters (non-winged) |
| Ultrasound contrast microbubbles | Lantheus Medical Imaging | DE4, DE16 | DEFINITY (Perflutren Lipid Microsphere) |
| Ultrasound gel | Aquasonic | https://www.amazon.com/dp/B07FPQDM4F/ ref=cm_sw_em_r_mt_dp_U_D6Q7Db3J9QP7P |
Ultrasound Gel Aquasonic 100 Transmission 1 Liter Squeeze Bottle |
| Winged infusion sets, 22ga. | Fisher Healthcare | 22-258087 | Terumo Surflo Winged Infusion Sets |
| motor controller software | N/A | N/A | custom software written in LabView for controlling the Velmex motor controller |
| runtime environment for the motor controller software | National Instruments | LabView runtime engine version 2017 or better | https://www.ni.com/en-us/support/downloads/software-products/download.labview.html |
| 3 axis Linear stage actuator (XYZ positioner) | Velmex | ||
| bolts | Velmex | MB-1 | BiSlide Bolt 1/4-20×3/4" Socket cap screw (10 pack), Qty:3 |
| motor controller | Velmex | VXM-3 | Control,3 axis programmable stepping motor control, Qty:1 |
| mounting cleats | Velmex | MC-2 | Cleat, 2 hole BiSlide, Qty:6 |
| mounting cleats | Velmex | MC-2 | Cleat, 2 hole BiSlide, Qty:2 |
| usb to serial converter | Velmex | VXM-USB-RS232 | USB to RS232 Serial Communication Cable 10ft, Qty:1 |
| x-axis linear stage | Velmex | MN10-0100-M02-21 | BiSlide, travel=10 inch, 2 mm/rev, limits, NEMA 23, Qty:1 |
| x-axis stepper motor | Velmex | PK266-03A-P1 | Vexta Type 23T2, Single Shaft Stepper Motor, Qty:1 |
| y-axis linear stage | Velmex | MN10-0100-M02-21 | BiSlide, travel=10 inch, 2 mm/rev, limits, NEMA 23, Qty:1 |
| y-axis stepper motor | Velmex | PK266-03A-P1 | Vexta Type 23T2, Single Shaft Stepper Motor, Qty:1 |
| z-axis damper | Velmex | D6CL-6.3F | D6CL Damper for Type 23 Double Shaft Stepper Motor, Qty:1 |
| z-axis linear stage | Velmex | MN10-0100-M02-21 | BiSlide, travel=10 inch, 2 mm/rev, limits, NEMA 23, Qty:1 |
| z-axis stepper motor | Velmex | PK266-03B-P2 | Vexta Type 23T2, Double Shaft Stepper Motor, Qty:1 |
| 3D printable files | |||
| Immersion transducer mount and pointer | https://www.tinkercad.com/things/cRgTthGXSRq | ||
| Stereotaxic frame | https://www.tinkercad.com/things/ilynoQcdqlH | ||
| Stereotaxic frame holder | https://www.tinkercad.com/things/aZNgqhBOHAX | ||
| 9.4T small bore animal MRI | Bruker | Bruker BioSpec 94/20 | ParaVision version 5.1 |
| AAV9-hsyn-GFP | Addgene | ||
| Cream hair remover | Church & Dwight | Nair cream | |
| gadobutrol MRI contrast agent | Bayer | Gadavist (Gadobutrol, 1mM/mL) | |
| Stereotactic frame | Stoelting | #51500 | not MRI compatible |
| turnkey FUS delivery device | FUS Instruments | RK-300 | ready to use MRI compatible FUS for rodents |
Referências
- Markou, A., Chiamulera, C., Geyer, M. A., Tricklebank, M., Steckler, T. Removing obstacles in neuroscience drug discovery: the future path for animal models. Neuropsychopharmacology. 34 (1), 74-89 (2009).
- Schoepp, D. D. Where will new neuroscience therapies come from. Nature Reviews. Drug Discovery. 10 (10), 715-716 (2011).
- Insel, T. R., Landis, S. C. Twenty-five years of progress: the view from NIMH and NINDS. Neuron. 80 (3), 561-567 (2013).
- Bicker, J., Alves, G., Fortuna, A., Falcão, A. Blood-brain barrier models and their relevance for a successful development of CNS drug delivery systems: a review. European Journal of Pharmaceutics and Biopharmaceutics. 87 (3), 409-432 (2014).
- Pardridge, W. M. The blood-brain barrier: bottleneck in brain drug development. NeuroRx: the journal of the American Society for Experimental NeuroTherapeutics. 2 (1), 3-14 (2005).
- Millan, M. J., Goodwin, G. M., Meyer-Lindenberg, A., Ove Ögren, S. Learning from the past and looking to the future: Emerging perspectives for improving the treatment of psychiatric disorders. European Neuropsychopharmacology. 25 (5), 599-656 (2015).
- Correll, C. U., Carlson, H. E. Endocrine and metabolic adverse effects of psychotropic medications in children and adolescents. Journal of the American Academy of Child and Adolescent Psychiatry. 45 (7), 771-791 (2006).
- Girgis, R. R., Javitch, J. A., Lieberman, J. A. Antipsychotic drug mechanisms: links between therapeutic effects, metabolic side effects and the insulin signaling pathway. Molecular Psychiatry. 13 (10), 918-929 (2008).
- Patel, M. M., Goyal, B. R., Bhadada, S. V., Bhatt, J. S., Amin, A. F. Getting into the brain: approaches to enhance brain drug delivery. CNS Drugs. 23 (1), 35-58 (2009).
- McCluskey, L., Campbell, S., Anthony, D., Allan, S. M. Inflammatory responses in the rat brain in response to different methods of intra-cerebral administration. Journal of Neuroimmunology. 194 (1-2), 27-33 (2008).
- Thanou, M., Gedroyc, W. MRI-Guided Focused Ultrasound as a New Method of Drug Delivery. Journal of drug delivery. 2013, 616197 (2013).
- Burgess, A., Hynynen, K. Noninvasive and targeted drug delivery to the brain using focused ultrasound. ACS Chemical Neuroscience. 4 (4), 519-526 (2013).
- Burgess, A., Shah, K., Hough, O., Hynynen, K. Focused ultrasound-mediated drug delivery through the blood-brain barrier. Expert Review of Neurotherapeutics. 15 (5), 477-491 (2015).
- Shin, J., et al. Focused ultrasound-mediated noninvasive blood-brain barrier modulation: preclinical examination of efficacy and safety in various sonication parameters. Neurosurgical Focus. 44 (2), 15 (2018).
- Bing, C., et al. Characterization of different bubble formulations for blood-brain barrier opening using a focused ultrasound system with acoustic feedback control. Scientific Reports. 8 (1), 7986 (2018).
- Hynynen, K., McDannold, N., Vykhodtseva, N., Jolesz, F. A. Noninvasive MR imaging-guided focal opening of the blood-brain barrier in rabbits. Radiology. 220 (3), 640-646 (2001).
- Baseri, B., et al. Activation of signaling pathways following localized delivery of systemically administered neurotrophic factors across the blood-brain barrier using focused ultrasound and microbubbles. Physics in Medicine and Biology. 57 (7), 65-81 (2012).
- Rodríguez-Frutos, B., et al. Enhanced brain-derived neurotrophic factor delivery by ultrasound and microbubbles promotes white matter repair after stroke. Biomaterials. 100, 41-52 (2016).
- Karakatsani, M. E., et al. Amelioration of the nigrostriatal pathway facilitated by ultrasound-mediated neurotrophic delivery in early Parkinson’s disease. Journal of Controlled Release. 303, 289-301 (2019).
- Lin, C. -. Y., et al. Non-invasive, neuron-specific gene therapy by focused ultrasound-induced blood-brain barrier opening in Parkinson’s disease mouse model. Journal of Controlled Release. 235, 72-81 (2016).
- Long, L., et al. Treatment of Parkinson’s disease in rats by Nrf2 transfection using MRI-guided focused ultrasound delivery of nanomicrobubbles. Biochemical and Biophysical Research Communications. , (2016).
- Fan, C. -. H., Lin, C. -. Y., Liu, H. -. L., Yeh, C. -. K. Ultrasound targeted CNS gene delivery for Parkinson’s disease treatment. Journal of Controlled Release. 261, 246-262 (2017).
- Kinoshita, M., McDannold, N., Jolesz, F. A., Hynynen, K. Targeted delivery of antibodies through the blood-brain barrier by MRI-guided focused ultrasound. Biochemical and Biophysical Research Communications. 340 (4), 1085-1090 (2006).
- Todd, N., et al. Modulation of brain function by targeted delivery of GABA through the disrupted blood-brain barrier. Neuroimage. 189, 267-275 (2019).
- Nance, E., et al. Non-invasive delivery of stealth, brain-penetrating nanoparticles across the blood-brain barrier using MRI-guided focused ultrasound. Journal of Controlled Release. 189, 123-132 (2014).
- Mulik, R. S., et al. Localized delivery of low-density lipoprotein docosahexaenoic acid nanoparticles to the rat brain using focused ultrasound. Biomaterials. 83, 257-268 (2016).
- Lin, T., et al. Blood-Brain-Barrier-Penetrating Albumin Nanoparticles for Biomimetic Drug Delivery via Albumin-Binding Protein Pathways for Antiglioma Therapy. ACS Nano. 10 (11), 9999-10012 (2016).
- Timbie, K. F., et al. MR image-guided delivery of cisplatin-loaded brain-penetrating nanoparticles to invasive glioma with focused ultrasound. Journal of Controlled Release. 263, 120-131 (2017).
- Fan, C. -. H., et al. SPIO-conjugated, doxorubicin-loaded microbubbles for concurrent MRI and focused-ultrasound enhanced brain-tumor drug delivery. Biomaterials. 34 (14), 3706-3715 (2013).
- Mainprize, T., et al. Blood-Brain Barrier Opening in Primary Brain Tumors with Non-invasive MR-Guided Focused Ultrasound: A Clinical Safety and Feasibility Study. Scientific Reports. 9 (1), 321 (2019).
- Chen, K. -. T., Wei, K. -. C., Liu, H. -. L. Theranostic Strategy of Focused Ultrasound Induced Blood-Brain Barrier Opening for CNS Disease Treatment. Frontiers in Pharmacology. 10, 86 (2019).
- Lipsman, N., et al. Blood-brain barrier opening in Alzheimer’s disease using MR-guided focused ultrasound. Nature Communications. 9 (1), 2336 (2018).
- . Compound Administration I Available from: https://www.jove.com/science-education/10198/compound-administration-i (2020)
- Liu, H. -. L., et al. Magnetic resonance imaging enhanced by superparamagnetic iron oxide particles: usefulness for distinguishing between focused ultrasound-induced blood-brain barrier disruption and brain hemorrhage. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 29 (1), 31-38 (2009).
- Geiger, B. M., Frank, L. E., Caldera-Siu, A. D., Pothos, E. N. Survivable stereotaxic surgery in rodents. Journal of Visualized Experiments. (20), e880 (2008).
- Marty, B., et al. Dynamic study of blood-brain barrier closure after its disruption using ultrasound: a quantitative analysis. Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 32 (10), 1948-1958 (2012).
- Alonso, A., Reinz, E., Fatar, M., Hennerici, M. G., Meairs, S. Clearance of albumin following ultrasound-induced blood-brain barrier opening is mediated by glial but not neuronal cells. Brain Research. 1411, 9-16 (2011).
- McDannold, N., Zhang, Y., Vykhodtseva, N. Blood-brain barrier disruption and vascular damage induced by ultrasound bursts combined with microbubbles can be influenced by choice of anesthesia protocol. Ultrasound in Medicine & Biology. 37 (8), 1259-1270 (2011).
- McDannold, N., Zhang, Y., Vykhodtseva, N. The Effects of Oxygen on Ultrasound-Induced Blood-Brain Barrier Disruption in Mice. Ultrasound in Medicine & Biology. 43 (2), 469-475 (2017).
- O’Reilly, M. A., Muller, A., Hynynen, K. Ultrasound insertion loss of rat parietal bone appears to be proportional to animal mass at submegahertz frequencies. Ultrasound in Medicine & Biology. 37 (11), 1930-1937 (2011).
- Abrahao, A., et al. First-in-human trial of blood-brain barrier opening in amyotrophic lateral sclerosis using MR-guided focused ultrasound. Nature Communications. 10 (1), 4373 (2019).
