このプロジェクトは、KWF-STW(小児びまん性特異性ポンチングリオーマと高級グリオーマにおけるソノポレーションによる薬物送達)によって資金提供されました。イリャ・スカチコフとチャールズ・ムーゲトがシステム開発に参加してくれたことに感謝します。

すべてのin vivo実験は、オランダの倫理委員会(ライセンス許可番号AVD114002017841)と、オランダのアムステルダム大学の動物福祉団体によって承認されました。研究者は、動物の不快感を最小限に抑えるためにFUSシステムの基礎訓練を受けました。
1. 集中超音波システム
注:記載されているセットアップは、市販のコンポーネントに基づいて社内構築されたBBBディスラプションシステムであり、3Dプリントされたカスタムメイドのコーンと取り外し可能な立体戦術プラットフォームが含まれています。システムは、利用可能な機器と特定の用途に応じて変更を容易にするモジュラー設計されています。プロトコルは、マウス脳のポンチン領域におけるより大きな領域のソノポレーションの手順を記述する。ターゲットの位置を調整することにより、脳の異なる部分を標的とすることができます。この研究では、焦点距離75mmの1MHz単元素トランスデューサ、60mmの絞り、1.5 x 1.5 x 5mm(ピーク圧力のFWHM)の焦点領域を使用しました。トランスデューサの焦点面は、耳の棒と交差する水平面で動物の頭蓋骨を通って配置されます。
<ol><li>げっ歯類のBBBの開口部のための適切なトランスデューサを選択してください。 注:マイクロバブルの特性と採用周波数に基づいて、音響設定、特に機械的指数(MI)は、13、38に変更される場合があります。</li>
	<li>3D プリントされたコーンにトランスデューサを置きます。</li>
	<li>ビーム伝搬経路の音響結合を達成するために、コーンの底端に音響的に透明なマイラー膜を使用し、脱気水でコーンを満たす。</li>
	<li>図1に示すように、トランスデューサを動物の上に取り付け、トランスデューサの自動垂直位置を設定します。</li>
	<li>図 1および図 2に示すように、温度調節された加熱、咬傷および耳棒、麻酔およびマルチモダリティ受託マーカーを含む、研究の要件に基づいて取り外し可能な立体性プラットフォームを設計する。立体的プラットフォームの取り付けは、ビームの下で動物の正確な自動位置決め(<0.1mm)を可能にする2D線形段階システムで構成されています。</li>
	<li>トランスデューサを、トランスデューサ、ファンクションジェネレータ、パワーアンプからなる 図1 に示す音響発光チェーンに接続します。</li>
	<li>画像処理パイプラインを考案して、針ハイドロフォンによって検出された脳領域の正確なソノポレーションターゲティングとキャビテーションデータの収集を可能にするマルチモダリティ受託マーカーを検出します。</li>
	<li>システムを較正し、立体性プラットフォーム上の動物の垂直位置に対応してトランスデューサの焦点点を決定する。</li>
</ol>2. 動物の準備
注: 次のプロトコルは、マウスに対して指定されていますが、ラットに適合させることができます。これらの実験のために、雌の高胸腺ヌードFoxn1--マウス(6-8週齢)が使用された。
<ol><li>動物施設で少なくとも1週間順応し、定期的に動物の重量を量ることを許可します。</li>
	<li>FUS治療を開始する30分前に皮下(.c)注射を介してブプレノルフィン(0.05mg/kg)を投与する。</li>
	<li>3%のイソフルラン、2 L/分O2 で動物を麻酔し、動物が深く麻酔されていることを確認します。動物を全手順中に麻酔を付け、呼吸頻度と心拍数を監視してイオブルランの濃度を必要に応じて調整します。</li>
	<li>ドライアイを防止し、可能な怪我を避けるために、眼軟膏を適用します。</li>
	<li>かみそりと脱毛クリームで頭の上の髪を取り除き、皮膚への刺激を避けるために任意の残留物を取り除くために水で後で洗います。</li>
	<li>BLI腫瘍モデルの実験では、BLI画像誘導用に29Gインスリン注射器を用いて、D-ルシフェリン(30mg/mL)腹腔内(i.p.)を150μL注入します。</li>
	<li>26-30 Gの尾静脈カテーテルを挿入し、少量のヘパリン溶液(5 UI/mL)でカテーテルと静脈を洗い流します。血液凝固を避けるためにヘパリン溶液でカテーテルを充填します。 注意:カテーテルに血液が還流すると、良好なカテーテル法が見られます。塞栓を防ぐためにカテーテルの気泡を避けてください。過度の射出圧力を避けるために、カテーテルの長さができるだけ短くしてください。</li>
	<li>低体温症を避けるために、温度調整された立体性プラットフォーム上に動物を置きます。 注:低体温は、マイクロバブルの注射/循環および薬物の薬物動態に影響を与える血液循環を減少させる39。</li>
	<li>イヤーバーと一口バーを使用して、立体性プラットフォーム上で動物の頭を固定し、固定します。ストラップで体を固定し、プラットフォームに動物の尾をテープ。</li>
</ol>3. 生体内画像誘導集中超音波
注:このプロトコルでは、10 msの持続時間を持つトーンバーストパルスを備えた1MHzのモノ要素トランスデューサ、0.4のMI、240秒の40サイクルの1.6 Hzのパルス繰り返し周波数が使用されました。このプロトコルは、硫化物六フッ化物(SF6)を含むリン脂質を無害なガスとして安定化させたマイクロバブルに最適化されており、それによって平均気泡径は2.5μm、泡の90%以上が8μm未満である。
<ol><li>取り付けられた動物と一緒に立体性プラットフォームをイメージングモダリティ(例えば、BLI またはX線)に配置し、動物の画像を撮ります。</li>
	<li>画像処理パイプラインと組み合わせてマルチモダリティの受容マーカーを使用して、トランスデューサのフォーカスポイントに従って動物の位置をマークします。</li>
	<li>獲得したX線画像の上に脳の輪郭を配置するか、BLI画像を使用して腫瘍の中心を決定することによって、ターゲット領域を決定する(図2)。脳の特定の部分の位置は、頭蓋骨のマーキングブレグマとラムダを基準点として使用して、パキシノス脳アトラス40 で指定されます。例えば、ポンはラムダからx=-1.0、y=-0.8、z=-4.5の位置にあります。</li>
	<li>動物の鼻孔と口を粘着テープで保護し、超音波ゲルが呼吸を妨げるのを防ぎます。</li>
	<li>動物の頭の上に超音波ゲルを適用します。</li>
	<li>動物の首の皮膚を引き込み、針ハイドロフォンを超音波ゲルで潤滑し、針ハイドロフォンを後頭骨の直接近傍に置く。</li>
	<li>画像処理パイプラインとフォーカスポイントを使用して、トランスデューサを正しい位置に導きます。</li>
	<li>あらかじめ構成された設定を接続されているすべてのデバイスに適用し、対象となる脳領域をターゲットにします。 注: 研究の質問に応じて、腫瘍または脳領域は、単一の焦点として、または容積形状としてソノポポできます( 図2を参照)。</li>
	<li>メーカーの説明に従ってマイクロバブルをアクティブにします。120 μL (5.4 μg) のマイクロバブルを 1 個注入します。</li>
	<li>尾静脈カテーテルを生理食い物で洗い流し、カテーテルの開口部を確認します。</li>
	<li>マイクロバブルを注入し、インソネーションを開始します。</li>
	<li>針ハイドロフォンでマイクロバブルキャビテーションを記録します。</li>
	<li>血管内造影剤または薬物を、ソノポレーション後に投与する。用量, タイミングと計画は、研究の目的と薬に依存します。 注:エヴァンスブルーはBBBの開口部41を評価するための一般的なカラーエージェントです。</li>
	<li>所定の時間ポイントまで、または人道的エンドポイントの前まで動物を監視します。</li>
</ol>4. マイクロバブルキャビテーションの解析
注:ここでは、MDannoldらが最初に示唆したように、1MHzの周波数で10msの持続時間のバーストトーンパルスで励起された平均直径2.5μm(8μm以下の気泡の80%)を有するSF6-リン脂質微小気泡の生体内実験に適した適用手順を説明する。
<ol><li>フーリエは、記録されたPCD信号を時間領域から周波数領域に変換します。</li>
	<li>図 3 (2 MHz と 3 MHz の緑色のボックス) に示すように、得られたスペクトルパワーを統合して、2番目と 3番目の高調波 (± 50 kHz) の周囲で安定したキャビテーション検出を行います。</li>
	<li>図3(赤いボックス)に示すように、慣性キャビテーション検出のためのスペクトルパワーを、主周波数、2番目、3番目の高調波、第1および第2の超高調波および第1の低調波(±150kHz)の間に統合します。</li>
	<li>従来取得した PCD 信号の両方の正規化のために、原理周波数(1 MHz ± 50 kHz)の周囲にスペクトルパワーを統合します。 注:PCDシグナルは、1MHzでの生体内実験におけるSF6-リン脂質微小気泡の場合、 図3に示すように、慣性キャビテーションが設定される前に超高調波またはサブハーモニクスを表示しない。</li>
</ol>

著者らは開示するものは何もない。

本研究では、脳のパレンチマへの薬物送達増加のための一過性BBB破壊のための費用対効果の高い画像誘導ベースのFUSシステムを開発した。このシステムは、主に市販のコンポーネントとX線およびBLIと組み合わせて構築されました。提案された設計のモジュール性は、高スループットワークフローでの計画と評価のためのいくつかのイメージングモダリティの使用を可能にします。このシステ...

血液脳関門(BBB)は、脳のパレンチマへの薬物送達のための主要な障害です。開発されたほとんどの治療薬は、その物理化学的パラメータ(例えば、親油性、分子量、水素結合アクセプターおよびドナー)のためにBBBを横断しないか、または脳内の流出輸送体に対する親和性のために保持されない1、2。BBBを横断できる薬物の小さなグループは、典型的には小さな親油性分子であり、これは限られた数の脳疾患1,2にのみ有効である。その結果、大多数の脳疾患では、薬理学的治療の選択肢が限られており、新しい薬物送達戦略が3,4に必要である。
治療超音波は、BBB破壊(BBBD)、神経変調、およびアブレーション4、5、6、7などの異なる神経学的用途に使用することができる新たな技術である。頭蓋骨を介して体外超音波エミッタを有するBBB開口部を達成するために、集中超音波(FUS)は、マイクロバブルと組み合わされる。マイクロバブル媒介FUSは、脳のパレンチマ5、8、9における薬物の生物学的利用能の増加をもたらす。音波の存在下では、マイクロバブルがBBBの内皮細胞間の緊密な接合部の開始と破壊を開始し、より大きな分子10の細胞内輸送を可能にする。これまでの研究では、音響放射の強度とBBB開口部11、12、13、14に及ぼす生物学的影響との相関が確認された。FUSは、マイクロバブルと組み合わせて、化学療法剤としてテモゾロミドまたはリポソームドキソルビシンを用いた神経膠芽腫の治療、またはアルツハイマー病および筋萎縮性側索硬化症5、9、15、16の治療に対する臨床試験で既に使用されている。
超音波は、薬物療法のための全く新しい可能性のBBB開口部を介して仲介するので、臨床翻訳のための前臨床研究は、選択された薬物候補の治療応答を評価するために必要とされる。通常、高空間精度の高スループット ワークフローと、高い再現性を備えたターゲット BBB 開口部の監視用の統合キャビテーション検出が必要です。可能であれば、これらのシステムは、研究規模に応じてスケーラブルにするために、初期投資とランニングコストの両方でコスト効率が高い必要があります。ほとんどの前臨床FUSシステムは、画像誘導および治療計画15、17、18、19のためにMRIと組み合わされる。MRIは腫瘍の解剖学と容積に関する詳細な情報を提供するが、それは一般的に訓練を受けた/熟練したオペレータによって行われる高価な技術である。さらに、高精細MRIは、常に前臨床施設の研究者が利用できるとは限らず、動物1匹あたりのスキャン時間が長く必要であり、高スループットの薬理学的研究にはあまり適していません。注目すべきは、神経腫瘍学の分野における前臨床研究、特に浸潤性腫瘍モデルのために、腫瘍を可視化し標的にする可能性が治療の成功20に不可欠である。現在、この要件はMRIまたは光タンパク質を導入した腫瘍によってのみ満たされ、光タンパク質基質の投与と組み合わせて生物発光イメージング(BLI)による可視化を可能にする。
MRI誘導FUSシステムは、多くの場合、経頭蓋適用のための超音波の伝播を確実にするために水浴を使用し、それによって動物の頭部は部分的に水中に沈み、いわゆる'ボトムアップ'システム15、17、18。これらの設計は一般的に小さな動物実験でうまく機能しますが、使用中の動物の準備時間、移植性、現実的に維持可能な衛生基準の間の妥協点です。MRIの代替として、立体的ナビゲーションのための他の誘導方法は、げっ歯類解剖学的アトラス21、22、23、レーザーポインタ支援視覚目撃24、ピンホール支援機械スキャン装置25、またはBLI26の使用を包含する。これらの設計のほとんどは、トランスデューサーが動物の頭の上に置かれ、動物が自然な位置に置かれる「トップダウン」システムです。'トップダウン'のワークフローは、水浴22、25、26または水で満たされたコーン21、24のいずれかで構成されています。閉じたコーンの内部のトランスデューサーを使用することの利点は、よりコンパクトなフットプリント、セットアップ時間の短縮、簡単な除染の可能性がワークフロー全体を簡素化することです。
マイクロバブルとの音響場の相互作用は圧力依存性であり、低振幅振動(安定キャビテーションと呼ばれる)から過渡的な気泡崩壊(慣性キャビテーションと呼ばれる)27,28に及ぶ。超音波BBBDは、BBBDを成功させるために安定キャビテーション閾値をはるかに上回る音響圧力を必要とするが、慣性キャビテーション閾値を下回るが、一般的に血管/神経損傷29に関連しているという確立されたコンセンサスがある。監視および制御の最も一般的な形態は、McDannoldらが示唆する(バック)散乱音響信号の分析である受動的キャビテーション検出(PCD)である。PCDは、安定キャビテーションの特徴(高調波、低調波、超高調波)と慣性キャビテーションマーカー(ブロードバンド応答)の強度と外観をリアルタイムで測定できるマイクロバブル放出信号のフーリエスペクトルの分析に依存しています。
精密な圧力制御のためのPCD解析は、マイクロバブル製剤の多分散性(振動振幅はバブル径に強く依存する)、ブランド間の気泡殻特性の違い、および音響振動の周波数と圧力30、31、32に強く依存する音響振動のために、正確な圧力制御のためのPCD分析が複雑である。その結果、多くの異なるPCD検出プロトコルが提案されており、これらのすべてのパラメータの特定の組み合わせに適応し、様々なアプリケーションシナリオ(小動物プロトコルを介したインビトロ実験から臨床用PCDまで)で使用され、堅牢なキャビテーション検出、さらには圧力11、14、30、31、32、33、34の遡及フィードバック制御に使用されています。本研究の範囲で用いられるPCDプロトコルはMcDannoldら12に直接由来し、慣性キャビテーション検出のための安定キャビテーションおよび広帯域ノイズの存在のために高調波放出を監視する。
脳のパレンチマへの薬物送達を増加させるBBBの一過性開口のための画像誘導神経ナビゲーションFUSシステムを開発しました。このシステムは、市販のコンポーネントに基づいており、動物施設で利用可能なイメージング技術に応じて、いくつかの異なるイメージングモダリティに容易に適応することができます。高スループットのワークフローが必要なため、画像誘導と治療計画にはX線とBLIを使用することを選択しました。光タンパク質を用いてトランスニューされる腫瘍細胞(例えば、ルシメラーゼ)はBLIイメージング20に適している。光タンパク質基質の投与後、腫瘍細胞は生体内でモニタリングすることができ、腫瘍の成長および位置は20,36と判定することができる。BLIは、低コストのイメージングモダリティであり、経時の腫瘍の成長に従うことを可能にし、高速なスキャン時間を有し、MRI36、37で測定された腫瘍増殖と良好に相関する。私たちは、げっ歯類が取り付けられているプラットフォームを自由に動かすための柔軟性を可能にするために、トランスデューサーに取り付けられた水で満たされたコーンで水浴を置き換えることを選びました8,24.この設計は、X線と光学画像の両立性(III)急速着脱可能な麻酔マスク、および(IV)統合された温度調節された動物加熱システムを備えた(I)小動物立体立体性プラットフォーム(II)受託者マーカーの統合を備えた取り外し可能なプラットフォームに基づいています。麻酔の最初の誘導の後、動物は全体のプロシージャの間に残るプラットホームの精密な位置に取付けられる。その結果、プラットフォーム全体が、正確で再現可能な位置決めと持続麻酔を維持しながら、介入全体のワークフローのすべてのステーションを通過します。この制御ソフトウェアは、受託者マーカーの自動検出を可能にし、すべてのタイプの画像と画像モダリティ(マイクロCT、X線、BLIおよび蛍光イメージング)を、立体的プラットフォームの基準フレームに自動的に登録します。自動較正手順の助けを借りて、超音波トランスデューサの焦点距離は正確に内部に知られており、介入計画、音響送達およびフォローアップ画像分析の自動融合を可能にする。図 1と図 2に示すように、このセットアップは、専用の実験ワークフローを設計する高い柔軟性を提供し、さまざまなステーションでの動物のインターリーブ処理を可能にし、ハイスループット実験を容易にします。我々は、この技術を用い、びまん性正中神経膠腫などの高悪性神経膠腫のマウス異種移植片における薬物送達に成功した。

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>1 mL luer-lock syringe</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td>309628</td>
			<td>Plastipak</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>19 G needle</td>
			<td>Terumo Agani</td>
			<td>8AN1938R1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>23 G needle</td>
			<td>Terumo Agani</td>
			<td>8AN2316R1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>3M Transpore surgical tape</td>
			<td>Science applied to life</td>
			<td>7000032707</td>
			<td>or similar</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Arbitrary waveform generator</td>
			<td>Siglent</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>SDG1025, 25 MHz, 125 Msa/s</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Automated stereotact</td>
			<td>in-house built</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>Stereotact with all elements were in-house built</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Bruker In-Vivo Xtreme</td>
			<td>Bruker</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>Includes software</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buffered NaCl solution</td>
			<td>B. Braun Melsungen AG</td>
			<td>220/12257974/110</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Buprenorfine hydrochloride</td>
			<td>Indivior UK limitd</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>0.324 mg</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cage enrichment: paper-pulp smart home</td>
			<td>Bio services</td>
			<td>n.a.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Carbon filter</td>
			<td>Bickford</td>
			<td>NC0111395</td>
			<td>Omnicon f/air</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ceramic spoon</td>
			<td>n.a</td>
			<td>n.a.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Cotton swabs</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>n.a.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>D-luciferin, potassium salt</td>
			<td>Gold Biotechnology</td>
			<td>LUCK-1</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ethanol</td>
			<td>VUmc pharmacy</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>70%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Evans Blue</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>E2129</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Fresenius NaCl 0.9%</td>
			<td>Fresenius Kabi</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>NaCl 0.9 %, 1000 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Histoacryl</td>
			<td>Braun Surgical</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>Histoacryl 0.5 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Hydrophone</td>
			<td>Precision Acoustics</td>
			<td>n.a.</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Insulin syringe</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td>324825/324826</td>
			<td>0.5 mL and 0.3 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflurane</td>
			<td>TEVA Pharmachemie BV</td>
			<td>8711218013196</td>
			<td>250 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ketamine</td>
			<td>Alfasan</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>10 %, 10 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mouse food: Teklad global 18% protein rodent diet</td>
			<td>Envigo</td>
			<td>2918-11416M</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Neoflon catheter</td>
			<td>Becton Dickinson</td>
			<td>391349</td>
			<td>26 GA 0.6 x 19 mm</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Oscilloscope</td>
			<td>Keysight technologies</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>InfiniiVision DSOX024A</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Plastic tubes</td>
			<td>Greiner bio-one</td>
			<td>210261</td>
			<td>50 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power amplifier</td>
			<td>Electronics &#38; Innovation Ltd</td>
			<td>210L</td>
			<td>Model 210L</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Preamplifier DC Coupler</td>
			<td>Precision Acoustics</td>
			<td>n..</td>
			<td>Serial number: DCPS94</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Scissors</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>S3146-1EA</td>
			<td>or similar</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sedazine</td>
			<td>AST Farma</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>2%</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>SonoVue microbubbles</td>
			<td>Bracco</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>8 &#181;l/ml</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Sterile water</td>
			<td>Fresenius Kabi</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>1000 mL</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Syringe</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>various syringes can be used</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Temgesic</td>
			<td>Indivior UK limitd</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>0.3 mg/ml</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Transducer</td>
			<td>Precision Acoustics</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>1 MHz</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tweezers</td>
			<td>Sigma Aldrich</td>
			<td>F4142-1EA</td>
			<td>or similar</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasound gel</td>
			<td>Parker Laboratories Inc.</td>
			<td>01-02</td>
			<td>Aquasonic 100</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Vidisic gel</td>
			<td>Bausch + Lomb</td>
			<td>n.a.</td>
			<td>10 g</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a high-throughput image-guided stereotactic neuronavigation and focused ultrasound system for blood-brain barrier opening in rodents

血液脳関門(BBB)は、様々な脳疾患の治療のための主要なハードルとなっています。狭い接合によって連結された内皮細胞は、大きな分子(>500 Da)が脳組織に入るのを防ぐ生理的障壁を形成する。マイクロバブル媒介型集中超音波(FUS)は、一過性の局所BBB開口部を誘導するために使用することができ、より大きな薬物が脳の気質に入ることを可能にする。
臨床翻訳のための大規模な臨床装置に加えて、薬剤候補の治療応答評価のための前臨床研究は、標的BBB開口部のための専用の小動物超音波セットアップを必要とする。これらのシステムは、高空間精度と統合キャビテーションモニタリングの両方でハイスループットのワークフローを可能にする一方で、初期投資コストとランニングコストの両方でコスト効率が良いものです。
ここでは、市販成分に基づき、前述の要件を満たす生物発光及びX線誘導体系小型動物FUSシステムを提示する。特に、大量の前臨床薬物評価研究で一般的に遭遇する課題を促進する高度な自動化に重点が置かれている。これらの課題の例として、データの再現性を確保し、グループ内変動を低減し、サンプルサイズを削減し、倫理的要件に準拠し、不要な作業負荷を軽減するために標準化が必要です。提案されたBBBシステムは、多形性神経膠芽腫およびびまん性正中性神経膠腫の患者由来異種移植片モデルに対するBBB開封促進薬物送達試験の範囲で検証された。

記載のFUSシステム(図1 および 図2)および関連ワークフローは100匹以上の動物に使用され、健常マウスおよび腫瘍軸受マウスの両方で再現可能なデータを生成した。マイクロバブルボーラス噴射のピークモーメントにおける記録キャビテーションと高調波におけるスペクトル密度に基づいて、各周波数のスペクトルパワーは、プロトコルのステップ4...

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A High-Throughput Image-Guided Stereotactic Neuronavigation and Focused Ultrasound System for Blood-Brain Barrier Opening in Rodents

血液脳関門(BBB)は、マイクロバブル媒介性集中超音波(FUS)で一時的に破壊することができる。ここでは、非超音波専門家がアクセス可能なモジュラーFUSシステムを使用して、高スループットBBBのインビボでの開口のためのステップバイステッププロトコルについて説明する。

げっ歯類における血液脳関門開口のためのハイスループット画像誘導定型神経ナビゲーションと集中超音波システム

The blood-brain barrier (BBB) has been a major hurdle for the treatment of various brain diseases. Endothelial cells, connected by tight junctions, form a ...

a-high-throughput-image-guided-stereotactic-neuronavigation-focused

Research

JoVE Journal

Neuroscience

4.7K ビュー.  Cancer Center Amsterdam. 血液脳関門(BBB)は、マイクロバブル媒介性集中超音波(FUS)で一時的に破壊することができる。ここでは、非超音波専門家がアクセス可能なモジュラーFUSシステムを使用して、高スループットBBBのインビボでの開口のためのステップバイステッププロトコルについて説明する。

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In vivo Electroporation of Developing Mouse Retina

The functional characterization of genes expressed during mammalian retinal development remains a significant challenge. Gene targeting to generate constitutive or conditional loss of function knockouts remains cost and labor intensive, as well as time consuming. Adding to these challenges, retina expressed genes may have essential roles outside the retina leading to unintended confounds when using a knockout approach. Furthermore, the ability to ectopically express a gene in a gain of function experiment can be extremely valuable when attempting to identify a role in cell fate specification and/or terminal differentiation.
We present a method for the rapid and efficient incorporation of DNA plasmids into the neonatal mouse retina by electroporation. The application of short electrical impulses above a certain field strength results in a transient increase in plasma membrane permeability, facilitating the transfer of material across the membrane 1,2,3,4. Groundbreaking work demonstrated that electroporation could be utilized as a method of gene transfer into mammalian cells by inducing the formation of hydrophilic plasma membrane pores allowing the passage of highly charged DNA through the lipid bilayer 5. Continuous technical development has resulted in the viability of electroporation as a method for in vivo gene transfer in multiple mouse tissues including the retina, the method for which is described herein 6, 7, 8, 9, 10. 
DNA solution is injected into the subretinal space so that DNA is placed between the retinal pigmented epithelium and retina of the neonatal (P0) mouse and electrical pulses are applied using a tweezer electrode. The lateral placement of the eyes in the mouse allows for the easy orientation of the tweezer electrode to the necessary negative pole-DNA-retina-positive pole alignment. Extensive incorporation and expression of transferred genes can be identified by postnatal day 2 (P2). Due to the lack of significant lateral migration of cells in the retina, electroporated and non-electroporated regions are generated. Non-electroporated regions may serve as internal histological controls where appropriate. 
Retinal electroporation can be used to express a gene under a ubiquitous promoter, such as CAG, or to disrupt gene function using shRNA constructs or Cre-recombinase. More targeted expression can be achieved by designing constructs with cell specific gene promoters. Visualization of electroporated cells is achieved using bicistronic constructs expressing GFP or by co-electroporating a GFP expression construct. Furthermore, multiple constructs may be electroporated for the study of combinatorial gene effects or simultaneous gain and loss of function of different genes. Retinal electroporation may also be utilized for the analysis of genomic cis-regulatory elements by generating appropriate expression constructs and deletion mutants. Such experiments can be used to identify cis-regulatory regions sufficient or required for cell specific gene expression 11. Potential experiments are limited only by construct availability.

In vivo Electroporation of Developing Mouse Retina

A method for the incorporation of plasmid DNA into murine retinal cells for the purpose of performing either gain- or loss of function studies in vivo is presented. This method capitalizes on the transient increase in permeability of cell plasma membranes induced by the application of an external electrical field.

開発マウス網膜の in vivoエレクトロポレーションで

The functional characterization of genes expressed during mammalian retinal development remains a significant challenge.  Gene targeting to generate ...

神経科学

A Fully Automated and Highly Versatile System for Testing Multi-cognitive Functions and Recording Neuronal Activities in Rodents

We have developed a fully automated system for operant behavior testing and neuronal activity recording by which multiple cognitive brain functions can be investigated in a single task sequence. The unique feature of this system is a custom-made, acoustically transparent chamber that eliminates many of the issues associated with auditory cue control in most commercially available chambers. The ease with which operant devices can be added or replaced makes this system quite versatile, allowing for the implementation of a variety of auditory, visual, and olfactory behavioral tasks. Automation of the system allows fine temporal (10 ms) control and precise time-stamping of each event in a predesigned behavioral sequence. When combined with a multi-channel electrophysiology recording system, multiple cognitive brain functions, such as motivation, attention, decision-making, patience, and rewards, can be examined sequentially or independently.

In this report, we present a fully automated and highly versatile system capable of simultaneously testing multi-cognitive behaviors and recording neuronal activities for rodents.

マルチ認知機能のテストとげっ歯類の神経活動を記録するための完全に自動化された汎用性の高いシステム

We have developed a fully automated system for operant behavior testing and neuronal activity recording by which multiple cognitive brain functions can be ...

Functional Neuroimaging Using Ultrasonic Blood-brain Barrier Disruption and Manganese-enhanced MRI

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains technically challenging. One approach, Activation-Induced Manganese-enhanced MRI (AIM MRI), has been used successfully to map neuronal activity in rodents 1-5. In AIM MRI, Mn2+ acts a calcium analog and accumulates in depolarized neurons 6,7. Because Mn2+ shortens the T1 tissue property, regions of elevated neuronal activity will enhance in MRI. Furthermore, Mn2+ clears slowly from the activated regions; therefore, stimulation can be performed outside the magnet prior to imaging, enabling greater experimental flexibility. However, because Mn2+ does not readily cross the blood-brain barrier (BBB), the need to open the BBB has limited the use of AIM MRI, especially in mice.
One tool for opening the BBB is ultrasound. Though potentially damaging, if ultrasound is administered in combination with gas-filled microbubbles (i.e., ultrasound contrast agents), the acoustic pressure required for BBB opening is considerably lower. This combination of ultrasound and microbubbles can be used to reliably open the BBB without causing tissue damage 8-11.
Here, a method is presented for performing AIM MRI by using microbubbles and ultrasound to open the BBB. After an intravenous injection of perflutren microbubbles, an unfocused pulsed ultrasound beam is applied to the shaved mouse head for 3 minutes. For simplicity, we refer to this technique of BBB Opening with Microbubbles and UltraSound as BOMUS 12. Using BOMUS to open the BBB throughout both cerebral hemispheres, manganese is administered to the whole mouse brain. After experimental stimulation of the lightly sedated mice, AIM MRI is used to map the neuronal response.
To demonstrate this approach, herein BOMUS and AIM MRI are used to map unilateral mechanical stimulation of the vibrissae in lightly sedated mice 13. Because BOMUS can open the BBB throughout both hemispheres, the unstimulated side of the brain is used to control for nonspecific background stimulation. The resultant 3D activation map agrees well with published representations of the vibrissae regions of the barrel field cortex 14. The ultrasonic opening of the BBB is fast, noninvasive, and reversible; and thus this approach is suitable for high-throughput and/or longitudinal studies in awake mice.

A technique is described for broadly opening the blood-brain barrier in the mouse using microbubbles and ultrasound. Using this technique, manganese can be administered to the mouse brain. Because manganese is an MRI contrast agent that accumulates in depolarized neurons, this approach enables imaging of neuronal activity.

超音波血液脳関門の破壊とマンガン増強MRIを用いた脳機能イメージングの試み

Although mice are the dominant model system for studying the genetic and molecular underpinnings of neuroscience, functional neuroimaging in mice remains ...

Application of Automated Image-guided Patch Clamp for the Study of Neurons in Brain Slices

Whole-cell patch clamp is the gold-standard method to measure the electrical properties of single cells. However, the in vitro patch clamp remains a challenging and low-throughput technique due to its complexity and high reliance on user operation and control. This manuscript demonstrates an image-guided automatic patch clamp system for in vitro whole-cell patch clamp experiments in acute brain slices. Our system implements a computer vision-based algorithm to detect fluorescently labeled cells and to target them for fully automatic patching using a micromanipulator and internal pipette pressure control. The entire process is highly automated, with minimal requirements for human intervention. Real-time experimental information, including electrical resistance and internal pipette pressure, are documented electronically for future analysis and for optimization to different cell types. Although our system is described in the context of acute brain slice recordings, it can also be applied to the automated image-guided patch clamp of dissociated neurons, organotypic slice cultures, and other non-neuronal cell types.

This protocol describes how to conduct automatic image-guided patch-clamp experiments using a system recently developed for standard in vitro electrophysiology equipment.

脳スライスにおけるニューロン研究のための自動画像誘導パッチクランプの応用

Whole-cell patch clamp is the gold-standard method to measure the electrical properties of single cells. However, the in vitro patch clamp remains a ...

Assessment of Blood-brain Barrier Permeability by Intravenous Infusion of FITC-labeled Albumin in a Mouse Model of Neurodegenerative Disease

Disruption of blood-brain barrier (BBB) integrity is a common feature for different neurological and neurodegenerative diseases. Although the interplay between perturbed BBB homeostasis and the pathogenesis of brain disorders needs further investigation, the development and validation of a reliable procedure to accurately detect BBB alterations may be crucial and represent a useful tool for potentially predicting disease progression and developing targeted therapeutic strategies.
Here, we present an easy and efficient procedure for evaluating BBB leakage in a neurodegenerative condition like that occurring in a preclinical mouse model of Huntington disease, in which defects in the permeability of BBB are clearly detectable precociously in the disease. Specifically, the high molecular weight fluorescein isothiocyanate labelled (FITC)-albumin, which is able to cross the BBB only when the latter is impaired, is acutely infused into a mouse jugular vein and its distribution in the vascular or parenchymal districts is then determined by fluorescence microscopy.
Accumulation of green fluorescent-albumin in the brain parenchyma functions as an index of aberrant BBB permeability and, when quantitated by using Image J processing software, is reported as Green Fluorescence Intensity.

In this study, we present an easy and efficient procedure for evaluating the disruption of the blood-brain barrier under neurodegenerative conditions. To achieve our objective, we infused high molecular weight fluorescein isothiocyanate labelled (FITC)-albumin into mouse jugular vein and evaluated its leakage into the brain parenchyma by fluorescence microscopy.

神経変性疾患のマウスモデルで FITC 標識アルブミンの点滴静注による血液脳関門透過性の評価

Disruption of blood-brain barrier (BBB) integrity is a common feature for different neurological and neurodegenerative diseases. Although the interplay ...

An In Vivo Blood-brain Barrier Permeability Assay in Mice Using Fluorescently Labeled Tracers

Blood-brain barrier (BBB) is a specialized barrier that protects the brain microenvironment from toxins and pathogens in the circulation and maintains brain homeostasis. The principal sites of the barrier are endothelial cells of the brain capillaries whose barrier function results from tight intercellular junctions and efflux transporters expressed on the plasma membrane. This function is regulated by pericytes and astrocytes that together form the neurovascular unit (NVU). Several neurological diseases such as stroke, Alzheimer&#39;s disease (AD), brain tumors are associated with an impaired BBB function. Assessment of the BBB permeability is therefore crucial in evaluating the severity of the neurological disease and the success of the treatment strategies employed.
We present here a simple yet robust permeability assay that have been successfully applied to several mouse models both, genetic and experimental. The method is highly quantitative and objective in comparison to the tracer fluorescence analysis by microscopy that is commonly applied. In this method, mice are injected intraperitoneally with a mix of aqueous inert fluorescent tracers followed by anesthetizing the mice. Cardiac perfusion of the animals is performed prior to harvesting brain, kidneys or other organs. Organs are homogenized and centrifuged followed by fluorescence measurement from the supernatant. Blood drawn from the cardiac puncture just before perfusion serves for normalization purpose to the vascular compartment. The tissue fluorescence is normalized to the wet weight and serum fluorescence to obtain a quantitative tracer permeability index. For additional confirmation, the contralateral hemi-brain preserved for immunohistochemistry can be utilized for tracer fluorescence visualization purposes.

An In Vivo Blood-brain Barrier Permeability Assay in Mice Using Fluorescently Labeled Tracers

Here we present a mouse brain vascular permeability assay using intraperitoneal injection of fluorescent tracers followed by perfusion that is applicable to animal models of blood-brain barrier dysfunction. One hemi-brain is used for assessing permeability quantitatively and the other for tracer visualization/immunostaining. The procedure takes 5 - 6 h for 10 mice.

生体内で血液脳関門透過性アッセイを用いたマウス蛍光トレーサーに分類

Blood-brain barrier (BBB) is a specialized barrier that protects the brain microenvironment from toxins and pathogens in the circulation and maintains ...

An In Vivo Assessment of Blood-Brain Barrier Disruption in a Rat Model of Ischemic Stroke

Ischemic stroke leads to vasogenic cerebral edema and subsequent primary brain injury, which is mediated through destruction of the blood-brain barrier (BBB). Rats with induced ischemic stroke were established and used as in vivo models to investigate the functional integrity of the BBB. Spectrophotometric detection of Evans blue (EB) in the brain samples with ischemic injury could provide reliable justification for the research and development of novel therapeutic modalities. This method generates reproducible results, and is applicable in any laboratory without a need for special equipment. Here, we present a visualized and technical guideline on the detection of the extravasation of EB following induction of ischemic stroke in rats.

An In Vivo Assessment of Blood-Brain Barrier Disruption in a Rat Model of Ischemic Stroke

The overall goal of this procedure is to provide a highly reproducible technique for in vivo assessment of the blood-brain barrier disruption in rat models of ischemic stroke.

虚血性脳卒中のモデルラットの血液脳関門の破壊のIn Vivo評価

Ischemic stroke leads to vasogenic cerebral edema and subsequent primary brain injury, which is mediated through destruction of the blood-brain barrier ...

A Benchtop Approach to the Location Specific Blood Brain Barrier Opening using Focused Ultrasound in a Rat Model

Stereotaxic surgery is the gold standard for localized drug and gene delivery to the rodent brain. This technique has many advantages over systemic delivery including precise localization to a target brain region and reduction of off target side effects. However, stereotaxic surgery is highly invasive which limits its translational efficacy, requires long recovery times, and provides challenges when targeting multiple brain regions. Focused ultrasound (FUS) can be used in combination with circulating microbubbles to transiently open the blood brain barrier (BBB) in millimeter sized regions. This allows intracranial localization of systemically delivered agents that cannot normally cross the BBB. This technique provides a noninvasive alternative to stereotaxic surgery. However, to date this technique has yet to be widely adopted in neuroscience laboratories due to the limited access to equipment and standardized methods. The overall goal of this protocol is to provide a benchtop approach to FUS BBB opening (BBBO) that is affordable and reproducible and can therefore be easily adopted by any laboratory.

Focused ultrasound with microbubble agents can open the blood brain barrier focally and transiently. This technique has been used to deliver a wide range of agents across the blood brain barrier. This article provides a detailed protocol for the localized delivery to the rodent brain with or without MRI guidance.

ラットモデルにおける集中超音波を用いた位置特異的血液脳関門開口へのベンチトップアプローチ

Stereotaxic surgery is the gold standard for localized drug and gene delivery to the rodent brain. This technique has many advantages over systemic ...

Targeted Neuronal Injury for the Non-Invasive Disconnection of Brain Circuitry

Surgical intervention can be quite effective for treating certain types of medically intractable neurological diseases. This approach is particularly useful for disorders in which identifiable neuronal circuitry plays a key role, such as epilepsy and movement disorders. Currently available surgical modalities, while effective, generally involve an invasive surgical procedure, which can result in surgical injury to non-target tissues. Consequently, it would be of value to expand the range of surgical approaches to include a technique that is both non-invasive and neurotoxic.
Here, a method is presented for producing focal, neuronal lesions in the brain in a non-invasive manner. This approach utilizes low-intensity focused ultrasound together with intravenous microbubbles to transiently and focally open the Blood Brain Barrier (BBB). The period of transient BBB opening is then exploited to focally deliver a systemically administered neurotoxin to a targeted brain area. The neurotoxin quinolinic acid (QA) is normally BBB-impermeable, and is well-tolerated when administered intraperitoneally or intravenously. However, when QA gains direct access to brain tissue, it is toxic to the neurons. This method has been used in rats and mice to target specific brain regions. Immediately after MRgFUS, successful opening of the BBB is confirmed using contrast enhanced T1-weighted imaging. After the procedure, T2 imaging shows injury restricted to the targeted area of the brain and the loss of neurons in the targeted area can be confirmed post-mortem utilizing histological techniques. Notably, animals injected with saline rather than QA do demonstrate opening of the BBB, but dot not exhibit injury or neuronal loss. This method, termed Precise Intracerebral Non-invasive Guided surgery (PING) could provide a non-invasive approach for treating neurological disorders associated with disturbances in neural circuitry.

The goal of the protocol is to provide a method for producing non-invasive neuronal lesions in the brain. The method utilizes Magnetic Resonance-guided Focused Ultrasound (MRgFUS) to open the Blood Brain Barrier in a transient and focal manner, in order to deliver a circulating neurotoxin to the brain parenchyma.

脳回路の非侵襲的切断に対する標的ニューロン損傷

Surgical intervention can be quite effective for treating certain types of medically intractable neurological diseases. This approach is particularly ...

Focused Ultrasound Induced Blood-Brain Barrier Opening for Targeting Brain Structures and Evaluating Chemogenetic Neuromodulation

Acoustically Targeted Chemogenetics (ATAC) allows for the noninvasive control of specific neural circuits. ATAC achieves such control through a combination of focused ultrasound (FUS) induced blood-brain barrier opening (FUS-BBBO), gene delivery with adeno-associated viral (AAV) vectors, and activation of cellular signaling with engineered, chemogenetic, protein receptors and their cognate ligands. With ATAC, it is possible to transduce both large and small brain regions with millimeter precision using a single noninvasive ultrasound application. This transduction can later allow for a long-term, noninvasive, device-free neuromodulation in freely moving animals using a drug. Since FUS-BBBO, AAVs, and chemogenetics have been used in multiple animals, ATAC should also be scalable for the use in other animal species. This paper expands upon a previously published protocol and outlines how to optimize the gene delivery with FUS-BBBO to small brain regions with MRI-guidance but without a need for a complicated MRI-compatible FUS device. The protocol, also, describes the design of mouse targeting and restraint components that can be 3D-printed by any lab and can be easily modified for different species or custom equipment. To aid reproducibility, the protocol describes in detail how the microbubbles, AAVs, and venipuncture were used in ATAC development. Finally, an example data is shown to guide the preliminary investigations of studies utilizing ATAC.

This protocol delineates steps necessary for the gene delivery through focused ultrasound blood brain barrier (BBB) opening, evaluation of the resulting gene expression, and measurement of neuromodulation activity of chemogenetic receptors through histological tests.