Riktade neuronal skada för icke-invasiv frånkoppling av brain circuitry
Summary
Målet med protokollet är att ge en metod för att producera icke-invasiva neuronala lesioner i hjärnan. Metoden använder Magnetisk resonans-guidad fokuserad ultraljud (MRgFUS) för att öppna blodhjärnbarriären på ett övergående och fokalt sätt, för att leverera ett cirkulerande neurotoxin till hjärnan parenkym.
Abstract
Kirurgiskt ingrepp kan vara ganska effektivt för behandling av vissa typer av medicinskt svårbehandlade neurologiska sjukdomar. Detta tillvägagångssätt är särskilt användbart för sjukdomar där identifierbara neuronala kretsar spelar en nyckelroll, såsom epilepsi och rörelsestörningar. För närvarande tillgängliga kirurgiska modaliteter, medan effektiva, allmänhet innebär en invasiv kirurgiskt ingrepp, vilket kan resultera i kirurgisk skada på icke-mål vävnader. Följaktligen skulle det vara av värde att utöka utbudet av kirurgiska metoder till att omfatta en teknik som är både icke-invasiv och neurotoxiska.
Här presenteras en metod för att producera focal, neuronal skador i hjärnan på ett icke-invasivt sätt. Detta tillvägagångssätt utnyttjar lågintensiva fokuserad ultraljud tillsammans med intravenösa mikrobubblor att transiently och focally öppna blod-hjärnbarriären (BBB). Perioden av övergående BBB öppning utnyttjas sedan att focally leverera ett systemiskt administrerat neurotoxin till en riktad hjärnan område. Den neurotoxin quinolininsyra (QA) är normalt BBB-ogenomtränglig, och tolereras väl när de administreras intraperitoneally eller intravenöst. Emellertid, När QA får direkt tillgång till hjärnvävnad, Det är giftigt för nervceller. Denna metod har använts på råttor och möss för att rikta specifika hjärnregioner. Omedelbart efter MRgFUS, framgångsrik öppning av BBB bekräftas med hjälp av kontrast förbättrad T1-viktade bildbehandling. Efter ingreppet, T2 imaging visar skada begränsas till det riktade området i hjärnan och förlusten av nervceller i det riktade området kan bekräftas post-mortem utnyttja histologiska tekniker. Noterbart, djur injiceras med saltlösning snarare än QA visar öppnandet av BBB, men dot inte uppvisar skada eller neuronal förlust. Denna metod, som kallas Precise Intracerebral Non-invasive Guided kirurgi (PING) skulle kunna ge en icke-invasiv metod för behandling av neurologiska sjukdomar i samband med störningar i neurala kretsar.
Introduction
Syftet med denna metod är att ge ett medel för att producera icke-invasiva neuronala lesioner i en riktad region i hjärnan. Motiveringen för att utveckla ett sådant tillvägagångssätt är att koppla bort neuronala kretsar bidrar till neurologiska sjukdomar. Till exempel, kirurgi kan vara ganska effektiva vid behandling av vissa medicinskt svårbehandlade neurologiska sjukdomar, såsom läkemedelsresistent epilepsi (DRE)1. Var och en av de tillgängliga kirurgiska modaliteterna har dock begränsningar när det gäller att producera oönskade indirekta skador på hjärnan. Traditionell resective kirurgi kan vara mycket invasiv med risk för blödning, infektion, blodproppar, stroke, kramper, svullnad i hjärnan, och nervskador2. Alternativ till resective kirurgi som är minimalt invasiva eller icke-invasiv inkluderar laser interstitiell termisk terapi och radiokirurgi, som också har visat sig vara effektiva i undertrycka beslag i DRE. På senare tid har termiska lesioner som produceras av högintensiva fokuserade ultraljud (HIFU) visat lovande i att minska anfall. HIFU är icke-invasiv; emellertid, dess behandlingsfönster är för närvarande begränsad till mer centrala områden i hjärnan på grund av risken för termisk skada på icke-målvävnad som ligger i närheten av skallen. Trots sådana begränsningar, fördelarna med kirurgi ofta uppväger de potentiella riskerna. Till exempel, även om kirurgi för DRE kan producera indirekta hjärnskador, dess positiva effekter i undertrycka anfall och förbättra livskvaliteten vanligtvis råda över de kirurgiska riskerna.
Den metod som beskrivs häri, Precise Intracerebral Icke-invasiv Guidad kirurgi (PING), utvecklades i syfte att koppla bort neurala kretsar, samtidigt begränsa säkerheter hjärnskador. Metoden utnyttjar lågintensiva fokuserade ultraljud i kombination med intravenös injektion av mikrobubblor för att öppna BBB, för att leverera ett nervgift. Detta tillvägagångssätt producerar inte termiska lesioner till hjärnan3,4,5,6,7, och perioden av BBB öppning kan utnyttjas för att leverera BBB-ogenomträngliga föreningar till hjärnan parenkym. Öppningen av BBB är övergående, och kan produceras på ett målinriktat sätt med hjälp av magnetisk resonanstomografi vägledning. I våra studier, perioden av BBB öppning har utnyttjats för att leverera en cirkulerande neurotoxin till ett målinriktat område av hjärnan parenkym hos råttor och möss8,9. Kinolinsyra är ett neurotoxin som tolereras väl när det administreras intravenöst10, intraarterialt10, eller intraperitoneal8,9,11. Bristen på QA toxicitet beror på dess dåliga BBB permeabilitet, som har rapporterats vara försumbar10. Däremot direkt injektion av QA i hjärnan parenkym producerar neuronala skador som skonar angränsande axoner12,13. Således, när cirkulerande QA vinner tillgång till hjärnan parenkym i det riktade området BBB öppning, neuronal död produceras8,9. Den nuvarande metoden producerar således fokal neuronal förlust på ett exakt målinriktat och icke-invasivt sätt.
Protocol
Representative Results
Discussion
PING-metoden är utformad för att producera icke-invasiva, riktade neuronala lesioner. Metoden härstammar från en stark och växande grund för forskning inom området fokuserat ultraljud3,4,55,6,7. Förmågan att ge fokal tillgång till specifika områden i hjärnan parenkym via övergående öppnande av BBB har skapat en väg för att leverera en mängd o…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna känner igen Rene Jack Roy för hans utmärkta tekniska stöd inom området MRI. Detta arbete stöddes av National Institutes of Health (R01 NS102194 till KSL och R01 CA217953-01 till MW), Chester Fund (KSL), och Focused Ultrasound Foundation (KSL och 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 |
Referências
- 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. Neurociência. 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).
