Målet med protokollen er at give en metode til fremstilling af ikke-invasive neuronale læsioner i hjernen. Metoden udnytter Magnetic Resonance-guidet Fokuseret ultralyd (MRgFUS) til at åbne Blodhjernen Barrier i en forbigående og fokal måde, for at levere en cirkulerende neurotoksin til hjernen parenkym.
Kirurgisk indgreb kan være ganske effektiv til behandling af visse typer af medicinsk uhåndterlige neurologiske sygdomme. Denne fremgangsmåde er især nyttig for lidelser, hvor identificerbare neuronal kredsløb spiller en central rolle, såsom epilepsi og bevægelsesforstyrrelser. I øjeblikket tilgængelige kirurgiske modaliteter, mens effektiv, generelt indebærer en invasiv kirurgisk procedure, som kan resultere i kirurgisk skade på ikke-målvæv. Derfor ville det være af værdi at udvide rækken af kirurgiske tilgange til at omfatte en teknik, der er både ikke-invasiv og neurotoksisk.
Her præsenteres en metode til fremstilling af fokale, neuronale læsioner i hjernen på en ikke-invasiv måde. Denne tilgang udnytter lav intensitet fokuseret ultralyd sammen med intravenøse mikrobobler til forbigående og focally åbne Blood Brain Barrier (BBB). Perioden med forbigående BBB åbning udnyttes derefter til at focally levere en systemisk administreret neurotoksin til et målrettet hjerneområde. Neurotoksinokvinolinsyre (QA) er normalt BBB-uigennemtrængelig og tåler det godt, når den administreres intraperitoneally eller intravenøst. Men, Når QA får direkte adgang til hjernevæv, Det er giftigt for neuroner. Denne metode er blevet brugt i rotter og mus til at målrette specifikke hjerneregioner. Umiddelbart efter MRgFUS bekræftes en vellykket åbning af BBB ved hjælp af kontrastforøget T1-vægtet billeddannelse. Efter proceduren, T2 billeddannelse viser skade begrænset til det målrettede område af hjernen og tabet af neuroner i det målrettede område kan bekræftes post-mortem udnytte histologiske teknikker. Især, dyr injiceres med saltvand i stedet for QA demonstrere åbning af BBB, men dot ikke udviser skade eller neuronal tab. Denne metode, der betegnes præcis intracerebral ikke-invasiv guidet kirurgi (PING) kunne give en ikke-invasiv tilgang til behandling af neurologiske lidelser forbundet med forstyrrelser i neurale kredsløb.
Formålet med denne metode er at give et middel til at producere ikke-invasive neuronal læsioner i en målrettet region af hjernen. Begrundelsen for at udvikle en sådan tilgang er at afbryde neuronal kredsløb bidrager til neurologiske lidelser. For eksempel kan kirurgi være ganske effektiv til behandling af visse medicinsk uhåndterlige neurologiske lidelser, såsom resistent epilepsi (DRE)1. Men, hver af de tilgængelige kirurgiske modaliteter besidder begrænsninger med hensyn til at producere uønskede følgeskader på hjernen. Traditionel resektiv kirurgi kan være meget invasiv med risiko for blødning, infektion, blodpropper, slagtilfælde, anfald, hævelse af hjernen, og nerveskader2. Alternativer til resektiv kirurgi, der er minimalt invasive eller ikke-invasive omfatter laser interstitiel termisk terapi og radiokirurgi, som også har vist sig at være effektiv til at undertrykke anfald i DRE. For nylig, termiske læsioner produceret af høj intensitet fokuseret ultralyd (HIFU) har vist lovende i at reducere anfald. HIFU er ikke-invasiv; men, dens behandling vindue er i øjeblikket begrænset til mere centrale områder af hjernen på grund af risikoen for termisk skade på ikke-målvæv placeret i nærheden af kraniet. På trods af sådanne begrænsninger, fordelene ved kirurgi ofte opvejer de potentielle risici. For eksempel, selv kirurgi for DRE kan producere følgeskader hjerneskade, dens gavnlige virkninger i at undertrykke anfald og forbedre livskvaliteten typisk forrang over de kirurgiske risici.
Den metode, der er beskrevet heri, Præcis Intracerebral Ikke-invasiv Guidet kirurgi (PING), blev udviklet med henblik på at afbryde neurale kredsløb, samtidig med at begrænse sikkerhedsstillelse hjerneskade. Metoden udnytter lav intensitet fokuseret ultralyd kombineret med intravenøs injektion af mikrobobler til at åbne BBB, for at levere en neurotoksin. Denne fremgangsmåde producerer ikke termiske læsioner tilhjernen 3,,4,,5,6,7, og perioden med BBB åbning kan udnyttes til at levere BBB-uigennemtrængelige forbindelser til hjernen parenkym. Åbningen af BBB er forbigående og kan fremstilles på en målrettet måde ved hjælp af magnetisk resonansbilleddannelsesvejledning. I vores undersøgelser, perioden med BBB åbning er blevet udnyttet til at levere en cirkulerende neurotoksin til et målrettet område af hjernen parenkym i rotter og mus8,9. Quinolininsyre er en neurotoksin, der tåles veltolereret, når det indgives intravenøst10, intraarterialt10eller intraperitoneally8,9,11. Manglen på kvalitetssikringstoksicitet skyldes dens dårlige BBB-permeabilitet, som er blevet rapporteret at være ubetydelig10. I modsætning hertil, direkte injektion af QA i hjernen parenkym producerer neuronal læsioner, der skåner tilstødendeaxoner 12,,13. Således, når cirkulerende QA får adgang til hjernen parenkym i det målrettede område af BBB åbning, neuronal død produceres8,9. Den nuværende metode producerer således fokal neuronal tab på en præcist målrettet og ikke-invasiv måde.
PING-metoden er designet til at producere ikke-invasive, målrettede neuronale læsioner. Metoden stammer fra et stærkt og voksende fundament af forskning inden for fokuseret ultralyd3,,4,,5,,6,7. Evnen til at give fokal adgang til specifikke områder af hjernen parenkym via forbigående åbning af BBB har skabt en vej til at levere en bred vifte af agenter, …
The authors have nothing to disclose.
Forfatterne anerkender Rene Jack Roy for hans fremragende tekniske støtte inden for MR. Dette arbejde blev støttet af National Institutes of Health (R01 NS102194 til KSL og R01 CA217953-01 til MW), Chester Fund (KSL) og Focused Ultralyd Foundation (KSL og JW).
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 |