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.
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.
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 .
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…
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |