Name: a benchtop approach to the location specific blood brain barrier opening using focused ultrasound in a rat model
Uploaded: 2020-06-13T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A Benchtop Approach to the Location Specific Blood Brain Barrier Opening using Focused Ultrasound in a Rat Model at JoVE.com

Denne forskning blev delvist støttet af et NSF EPSCoR Research Infrastructure-tilskud til Clemson University (1632881). Derudover blev denne forskning delvist støttet af Civitan International Research Center, Birmingham, AL. Forfatterne taknemmeligt anerkende brugen af de tjenester og faciliteter ved University of Alabama i Birmingham Small Animal Imaging Shared Facility Grant [NIH P30 CA013148]. Forfatterne anerkender Rajiv Chopra for hans støtte og vejledning.

Alle forsøgsprocedurer blev udført i overensstemmelse med UAB Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC) retningslinjer.
1. Fokuseret ultralyd køreudstyr setup
<ol><li>Brug 50 Ohm koaksialE BNC-kabler til at forbinde (1) ultralydtransducerens indgang til RF-forstærkerens output og (2) RF-forstærkerens indgang til funktionsgeneratorens output.</li>
	<li>Indstil funktionsgeneratortilstanden til en sinusoid burst en gang i sekundet med en 1% arbejdscyklus.<ol>
<li>For den dæmpede...

Her beskrev vi en benchtop tilgang til mikroboble assisteret FUS BBB åbning med alternative tilgange, herunder to forskellige transducere og metoder til intrakraniel målretning med og uden MR-vejledning. For at etablere MRI-guidet FUS BBB-åbning i laboratoriet er der i øjeblikket mulighed for at købe fremragende brugsklare enheder, der giver meget standardiserede og reproducerbare resultater med brugervenlige grænseflader. Men mange laboratorier er ikke forberedt på omkostningerne ved sådanne instrumenter. Derfor...

På trods af de mange opdagelser i grundlæggende neurovidenskab forbliver antallet af nye behandlinger for neuroudviklingsmæssige og neurodegenerative lidelser relativt begrænset1,2. En dybere forståelse af de gener, molekyler og cellulære kredsløb, der er involveret i neurologiske lidelser, har foreslået lovende behandlinger, der ikke kan realiseres hos mennesker med nuværende teknikker3. Effektive behandlinger er ofte begrænset af behovet for at være hjernepenetrable og stedsspecifikke4,5,6,7,8. Eksisterende metoder til lokaliseret lægemiddellevering til specifikke hjerneregioner (f.eks. levering via injektion eller kanyle) er imidlertid invasive og kræver en åbning, der skal foretages i kraniet9. Invasiviteten af denne operation forhindrer rutinemæssig brug af lokaliseret levering til den menneskelige hjerne. Derudover er vævsskader og de resulterende inflammatoriske reaktioner allestedsnærværende confounds for grundlæggende og prækliniske undersøgelser, der er afhængige af intracerebral injektion10. Evnen til ikke-invasivt at levere agenter på tværs af blodhjernebarrieren (BBB) og målrette dem mod specifikke hjerneregioner kan have en enorm indflydelse på behandlinger for neurologiske lidelser, samtidig med at det giver et kraftfuldt undersøgelsesværktøj til præklinisk forskning.
En metode til målrettet transport på tværs af BBB med minimal vævsskade er transkranial fokuseret ultralyd (FUS) sammen med mikrobobler til fokalt og forbigående åbne BBB11,12,13,14,15,16. FUS BBB åbning har fået den seneste opmærksomhed til behandling af neurodegenerative lidelser, slagtilfælde og gliom ved at lokalisere terapeutiske til at målrette hjernen regioner såsom neurotrofiske faktorer17,18,19, genterapier20,21,22, antistoffer23, neurotransmittere24, og nanopartikler25,26,27,28,29. Med sin brede vifte af applikationer og sin noninvasive natur30,31, FUS BBB åbning er et ideelt alternativ til rutinemæssige stereotaxic intrakranielle injektioner. På grund af sin nuværende anvendelse hos mennesker30,32, kan prækliniske undersøgelser ved hjælp af denne teknik betragtes som meget translationelle. Fus BBB-åbningen er dog endnu ikke en veletableret teknik inden for grundforskning og præklinisk forskning på grund af manglende tilgængelighed. Derfor leverer vi en detaljeret protokol for en bænktoptilgang til FUS BBB-åbning som udgangspunkt for laboratorier, der er interesseret i at etablere denne teknik.
Disse undersøgelser blev udført med enten en høj effekt luftstøttet FUS specifik ultralyd transducer eller en lav effekt dæmpet fokuseret ultralyd nedsænkning transducer. Transducerne blev drevet af en RF-effektforstærker designet til reaktive belastninger og en standard bænktopfunktionsgenerator. Nærmere oplysninger om disse varer findes i tabellen over materialer.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" style="width:1437px;" width="1437">
	<colgroup>
		<col />
		<col />
		<col />
		<col />
	</colgroup>
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Bubble shaker</td>
			<td style="width:240px;">Lantheus Medical Imaging</td>
			<td style="width:197px;">VMIX</td>
			<td style="width:729px;">VIALMIX, actiation device used to activate Definity microbubbles</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Catheter plug/ Injection cap</td>
			<td>SAI infusion technologies</td>
			<td>Part Number: IC</td>
			<td style="width:729px;">Catheter plug/ Injection cap</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Evans blue dye</td>
			<td style="width:240px;">Sigma</td>
			<td style="width:197px;">E2129-10G</td>
			<td style="width:729px;">Evans blue dye</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Function generator</td>
			<td style="width:240px;">Tektronix</td>
			<td style="width:197px;">AFG3022B</td>
			<td>Dual channel, 250MS/s, 25MHz</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">FUS transducer, 1.1MHz</td>
			<td style="width:240px;">FUS Instruments</td>
			<td>TX-110</td>
			<td>1 MHz MRI-compatible spherically focused ultrasound transducer with a hydrophone</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Heating pad for Mice and Rats</td>
			<td style="width:240px;">Kent Scientific</td>
			<td style="width:197px;">PS-03</td>
			<td>Heating pad- PhysioSuite for Mice and Rats</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Infusion pump</td>
			<td style="width:240px;">KD Scientific</td>
			<td style="width:197px;">780100</td>
			<td>KDS 100 Legacy Single Syringe Infusion Pump</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Kapton tape</td>
			<td style="width:240px;">Gizmo Dorks</td>
			<td>https://www.amazon.com/dp/B01N1GGKRC/ 
			ref=cm_sw_em_r_mt_dp_U_GbR7Db56HKD91</td>
			<td>Gizmo Dorks Kapton Tape (Polyimide) for 3D Printers and Printing, 8 x 8 inches, 10 Sheets per Pack</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Low power immersion transducer, 1MHz</td>
			<td style="width:240px;">Olympus</td>
			<td>V303-SU</td>
			<td>Immersion Transducer, 1 MHz, 0.50 in. Element Diameter, Standard Case Style, Straight UHF Connector, F=0.80IN PTF</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Magnet sets</td>
			<td style="width:240px;">WINOMO</td>
			<td>https://www.amazon.com/dp/B01DJZQJBG/ 
			ref=cm_sw_em_r_mt_dp_U_JYQ7DbM32E5QC</td>
			<td>WINOMO 15mm Sew In Magnetic Bag Clasps for Sewing Scrapbooking - 10 Sets</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">RF amplifier</td>
			<td style="width:240px;">E&#38;I</td>
			<td style="width:197px;">A075</td>
			<td>75W</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Tail vein catheter</td>
			<td style="width:240px;">BD</td>
			<td>382512/ Fisher Item: NC1228513</td>
			<td>24g BD Insyte Autoguard shielded IV catheters (non-winged)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Ultrasound contrast microbubbles</td>
			<td>Lantheus Medical Imaging</td>
			<td style="width:197px;">DE4, DE16</td>
			<td>DEFINITY (Perflutren Lipid Microsphere)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Ultrasound gel</td>
			<td style="width:240px;">Aquasonic</td>
			<td>https://www.amazon.com/dp/B07FPQDM4F/ 
			ref=cm_sw_em_r_mt_dp_U_D6Q7Db3J9QP7P</td>
			<td>Ultrasound Gel Aquasonic 100 Transmission 1 Liter Squeeze Bottle</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">Winged infusion sets, 22ga.</td>
			<td style="width:240px;">Fisher Healthcare</td>
			<td>22-258087</td>
			<td>Terumo Surflo Winged Infusion Sets</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">motor controller software</td>
			<td style="width:240px;">N/A</td>
			<td>N/A</td>
			<td style="width:729px;">custom software written in LabView for controlling the Velmex motor controller</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">runtime environment for the motor controller software</td>
			<td style="width:240px;">National Instruments</td>
			<td>LabView runtime engine version 2017 or better</td>
			<td>https://www.ni.com/en-us/support/downloads/software-products/download.labview.html</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">3 axis Linear stage actuator (XYZ positioner)</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td style="width:197px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">bolts</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td>MB-1</td>
			<td>BiSlide Bolt 1/4-20x3/4&#34; Socket cap screw (10 pack), Qty:3</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">motor controller</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td>VXM-3</td>
			<td style="width:729px;">Control,3 axis programmable stepping motor control, Qty:1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">mounting cleats</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td>MC-2</td>
			<td>Cleat, 2 hole BiSlide, Qty:6</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">mounting cleats</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td>MC-2</td>
			<td style="width:729px;">Cleat, 2 hole BiSlide, Qty:2</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">usb to serial converter</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td>VXM-USB-RS232</td>
			<td style="width:729px;">USB to RS232 Serial Communication Cable 10ft, Qty:1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">x-axis linear stage</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td>MN10-0100-M02-21</td>
			<td style="width:729px;">BiSlide, travel=10 inch, 2 mm/rev, limits, NEMA 23, Qty:1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">x-axis stepper motor</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td>PK266-03A-P1</td>
			<td>Vexta Type 23T2, Single Shaft Stepper Motor, Qty:1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">y-axis linear stage</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td>MN10-0100-M02-21</td>
			<td>BiSlide, travel=10 inch, 2 mm/rev, limits, NEMA 23, Qty:1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">y-axis stepper motor</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td>PK266-03A-P1</td>
			<td style="width:729px;">Vexta Type 23T2, Single Shaft Stepper Motor, Qty:1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">z-axis damper</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td>D6CL-6.3F</td>
			<td style="width:729px;">D6CL Damper for Type 23 Double Shaft Stepper Motor, Qty:1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">z-axis linear stage</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td>MN10-0100-M02-21</td>
			<td style="width:729px;">BiSlide, travel=10 inch, 2 mm/rev, limits, NEMA 23, Qty:1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">z-axis stepper motor</td>
			<td style="width:240px;">Velmex</td>
			<td>PK266-03B-P2</td>
			<td style="width:729px;">Vexta Type 23T2, Double Shaft Stepper Motor, Qty:1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">3D printable files</td>
			<td style="width:240px;"></td>
			<td style="width:197px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Immersion transducer mount and pointer</td>
			<td></td>
			<td style="width:197px;"></td>
			<td>https://www.tinkercad.com/things/cRgTthGXSRq</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Stereotaxic frame</td>
			<td></td>
			<td style="width:197px;"></td>
			<td>https://www.tinkercad.com/things/ilynoQcdqlH</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Stereotaxic frame holder</td>
			<td></td>
			<td style="width:197px;"></td>
			<td>https://www.tinkercad.com/things/aZNgqhBOHAX</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">9.4T small bore animal MRI</td>
			<td style="width:240px;">Bruker</td>
			<td style="width:197px;">Bruker BioSpec 94/20</td>
			<td>ParaVision version 5.1</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">AAV9-hsyn-GFP</td>
			<td style="width:240px;">Addgene</td>
			<td style="width:197px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Cream hair remover</td>
			<td style="width:240px;">Church &#38; Dwight</td>
			<td style="width:197px;"></td>
			<td>Nair cream</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">gadobutrol MRI contrast agent</td>
			<td style="width:240px;">Bayer</td>
			<td style="width:197px;"></td>
			<td>Gadavist (Gadobutrol, 1mM/mL)</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">Stereotactic frame</td>
			<td style="width:240px;">Stoelting</td>
			<td style="width:197px;">#51500</td>
			<td>not MRI compatible</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:271px;">turnkey FUS delivery device</td>
			<td style="width:240px;">FUS Instruments</td>
			<td style="width:197px;">RK-300</td>
			<td style="width:729px;">ready to use MRI compatible FUS for rodents</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

a benchtop approach to the location specific blood brain barrier opening using focused ultrasound in a rat model

Stereotaxic kirurgi er guldstandarden for lokaliseret medicin og gen levering til gnaver hjernen. Denne teknik har mange fordele i forhold til systemisk levering, herunder præcis lokalisering til et mål hjerne region og reduktion af off target bivirkninger. Stereotaxisk kirurgi er imidlertid meget invasiv, hvilket begrænser dens translationelle effekt, kræver lange restitutionstider og giver udfordringer, når den målrettes mod flere hjerneområder. Fokuseret ultralyd (FUS) kan bruges i kombination med cirkulerende mikrobobler til forbigående at åbne blodhjernebarrieren (BBB) i millimeterstore regioner. Dette muliggør intrakraniel lokalisering af systemisk leverede agenter, der normalt ikke kan krydse BBB. Denne teknik giver et noninvasive alternativ til stereotaxic kirurgi. Til dato er denne teknik dog endnu ikke blevet udbredt i neurovidenskabslaboratorier på grund af den begrænsede adgang til udstyr og standardiserede metoder. Det overordnede mål med denne protokol er at give en bænktop tilgang til FUS BBB åbning (BBBO), der er overkommelig og reproducerbar og kan derfor let vedtages af ethvert laboratorium.

Her viser vi, at fokuseret ultralyd med mikrobobler kan fremkalde lokaliseret BBB-åbning ved hjælp af de parametre, der er angivet ovenfor, med både laveffektsænkningstransduceren (Figur 3) og FUS-transduceren (Figur 4). For det første blev laveffekttransduceren i de tidlige eksperimenter målrettet mod en hjernehalvdel enten forreste (figur 3b) eller mediale (Figur 3a). Dyr blev derefter ofret 2 t...

Watch this Scientific Journal Video about A Benchtop Approach to the Location Specific Blood Brain Barrier Opening using Focused Ultrasound in a Rat Model at JoVE.com

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

Fokuseret ultralyd med mikroboble midler kan åbne blodhjerne barrieren fokalt og forbigående. Denne teknik er blevet brugt til at levere en bred vifte af agenter på tværs af blodhjerne barrieren. Denne artikel indeholder en detaljeret protokol for den lokaliserede levering til gnaverhjernen med eller uden MR-vejledning.

En benchtop tilgang til placeringsspecifik blodhjernebarriereåbning ved hjælp af fokuseret ultralyd i en rottemodel

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

Research

JoVE Journal

Neuroscience

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

Funktionel Neuroimaging Med Ultrasonic blod-hjerne barrieren forstyrrelser og mangan-forstærket MRI

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

Stereotaxic Surgery for Excitotoxic Lesion of Specific Brain Areas in the Adult Rat

Stereotaktisk kirurgi for excitotoksiske læsion af specifikke områder i hjernen i den voksne rotte

Many behavioral functions in mammals, including rodents and humans, are mediated principally by discrete brain regions. A common method for discerning the ...

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

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

En In Vivo evaluering af blod - hjerne barrieren forstyrrelser i en rotte Model af iskæmisk slagtilfælde

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

An Alternative Approach to Study Primary Events in Neurodegeneration Using Ex Vivo Rat Brain Slices

An Alternative Approach to Study Primary Events in Neurodegeneration Using Ex Vivo Rat Brain Slices

En alternativ metode til at studere primære begivenheder i Neurodegeneration ved hjælp af Ex Vivo rotte hjernen skiver

Despite&#160;numerous studies that attempt to develop reliable animal models&#160;which reflecting the primary processes underlying neurodegeneration, ...

A Human Blood-Brain Interface Model to Study Barrier Crossings by Pathogens or Medicines and Their Interactions with the Brain

En menneskelige blod-hjerne Interface Model til at studere barriere overfarter af patogener eller lægemidler og deres interaktioner med hjernen

The early screening of nervous system medicines on a pertinent and reliable in cellulo BBB model for their penetration and their interaction with the ...

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

En high-throughput Image-Guided Stereotactic Neuronavigation og fokuseret ultralyd system til blod-hjerne barrieren Åbning i gnavere

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 ...

Measuring Post-Stroke Cerebral Edema, Infarct Zone and Blood-Brain Barrier Breakdown in a Single Set of Rodent Brain Samples

Måling af Post-Stroke Cerebral Ødem, Infarct Zone og Blod-Brain Barrier Opdeling i et enkelt sæt gnaver Hjerne Prøver

One of the most common causes of morbidity and mortality worldwide is ischemic stroke. Historically, an animal model used to stimulate ischemic stroke ...

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

Fokuseret ultralydinduceret blod-hjerne-barriereåbning til målretning af hjernestrukturer og evaluering af kemogenetisk neuromodulation

Acoustically Targeted Chemogenetics (ATAC) allows for the noninvasive control of specific neural circuits. ATAC achieves such control through a ...

Delivery of Antibodies into the Brain Using Focused Scanning Ultrasound

Levering af antistoffer i hjernen ved hjælp af fokuseret scanning ultralyd

Only a small fraction of therapeutic antibodies targeting brain diseases are taken up by the brain. Focused ultrasound offers a possibility to increase ...

A Rat Model of EcoHIV Brain Infection

En rottemodel af EcoHIV-hjerneinfektion

It has been well studied that the EcoHIV infected mouse model is of significant utility in investigating HIV associated neurological complications. ...