Fokuserat ultraljud med mikrobubble agenter kan öppna blod hjärnbarriären focally och övergående. Denna teknik har använts för att leverera ett brett spektrum av medel över blodhjärnbarriären. Denna artikel ger ett detaljerat protokoll för lokaliserad leverans till gnagare hjärnan med eller utan MRI vägledning.
Stereotaxisk kirurgi är guldstandarden för lokaliserad läkemedels- och genleverans till gnagarhjärnan. Denna teknik har många fördelar jämfört med systemisk leverans inklusive exakt lokalisering till en målhjärnregion och minskning av off target biverkningar. Stereotaxisk kirurgi är dock mycket invasiv vilket begränsar dess translationella effekt, kräver långa återhämtningstider och ger utmaningar när man riktar in sig på flera hjärnregioner. Fokuserat ultraljud (FUS) kan användas i kombination med cirkulerande mikrobubblor för att tillfälligt öppna blodhjärnbarriären (BBB) i millimeterstora regioner. Detta möjliggör intrakraniell lokalisering av systemiskt levererade agenter som normalt inte kan korsa BBB. Denna teknik ger ett noninvasive alternativ till stereotaxic kirurgi. Hittills har dock denna teknik ännu inte antagits i stor utsträckning i neurovetenskapliga laboratorier på grund av begränsad tillgång till utrustning och standardiserade metoder. Det övergripande målet med detta protokoll är att tillhandahålla en bänktop till FUS BBB-öppning (BBBO) som är prisvärd och reproducerbar och därför lätt kan antas av vilket laboratorium som helst.
Trots de många upptäckterna i grundläggande neurovetenskap är antalet framväxande behandlingar för neurodevelopmental och neurodegenerativa störningar fortfarande relativt begränsat1,2. En djupare förståelse för de gener, molekyler och cellulära kretsar som är involverade i neurologiska sjukdomar har föreslagit lovande behandlingar som är orealiserbara hos människor med nuvarande tekniker3. Effektiva behandlingar begränsas ofta av behovet av att vara hjärngenomtränglig och platsspecifik4,5,6,7,8. Befintliga metoder för lokaliserad läkemedelsleverans till specifika hjärnregioner (t.ex. leverans via injektion eller kanyl) är dock invasiva och kräver en öppning som ska göras i skallen9. Invasiviteten i denna kirurgi förhindrar rutinmässig användning av lokaliserad leverans till den mänskliga hjärnan. Dessutom är vävnadsskador och de resulterande inflammatoriska svaren allestädes närvarande confounds för grundläggande och prekliniska studier som förlitar sig på intrakraniell injektion10. Förmågan att noninvasively leverera medel över blodhjärnbarriären (BBB) och rikta dem till specifika hjärnregioner kan ha en enorm inverkan på behandlingar för neurologiska sjukdomar, samtidigt som det ger ett kraftfullt undersökningsverktyg för preklinisk forskning.
En metod för riktad transport över BBB med minimal vävnadsskada är transkraniellt fokuserat ultraljud (FUS) tillsammans med mikrobubblor för att fokusera och tillfälligt öppna BBB11,12,13,14,15,16. FUS BBB-öppning har fått ny uppmärksamhet för behandling av neurodegenerativa störningar, stroke och gliom genom att lokalisera terapier för att rikta in sig på hjärnregioner som neurotrofafaktorer 17,18,19, genterapier20,21,22, antikroppar23, neurotransmittorer24och nanopartiklar25,26,27,28,29. Med sitt breda utbud av applikationer och sin icke-invasiva natur30,31, FUS BBB öppning är ett idealiskt alternativ till rutinmässiga stereotaxiska intrakraniell injektioner. Dessutom, på grund av dess nuvarande användning hos människor30,32, prekliniska undersökningar med denna teknik kan betraktas som mycket translationella. FUS BBB-öppning har dock ännu inte varit en allmänt etablerad teknik inom grundvetenskap och preklinisk forskning på grund av bristande tillgänglighet. Därför tillhandahåller vi ett detaljerat protokoll för en bänktop till FUS BBB-öppning som utgångspunkt för labb som är intresserade av att etablera denna teknik.
Dessa studier genomfördes med antingen en hög effekt luftstödd FUS specifika ultraljud givare eller en låg effekt dämpade fokuserade ultraljud nedsänkning givare. Givaren drevs av en RF-effektförstärkare avsedd för reaktiva belastningar och en vanlig bänkfunktionsgenerator. Information om dessa artiklar finns i materialförteckningen.
Här beskrev vi en bänktop till mikrobubble assisterad FUS BBB öppning med alternativa tillvägagångssätt inklusive, två olika givare och metoder för intrakraniell inriktning med och utan MRI vägledning. För närvarande, för att upprätta MR-guidad FUS BBB-öppning i labbet, finns det möjlighet att köpa utmärkta färdiga enheter som ger mycket standardiserade och reproducerbara resultat med användarvänliga gränssnitt. Många laboratorier är dock inte förberedda för kostnaden för sådana instrument. Dä…
The authors have nothing to disclose.
Denna forskning stöddes delvis av ett NSF EPSCoR Research Infrastructure-anslag till Clemson University (1632881). Dessutom stöddes denna forskning delvis av Civitan International Research Center, Birmingham, AL. Författarna erkänner tacksamt användningen av tjänsterna och faciliteterna vid University of Alabama vid Birmingham Small Animal Imaging Shared Facility Grant [NIH P30 CA013148]. Författarna erkänner Rajiv Chopra för hans stöd och vägledning.
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 |