Name: a high-throughput image-guided stereotactic neuronavigation and focused ultrasound system for blood-brain barrier opening in rodents
Uploaded: 2020-07-16T12:30:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about A High-Throughput Image-Guided Stereotactic Neuronavigation and Focused Ultrasound System for Blood-Brain Barrier Opening in Rodents at JoVE.com

Dette projekt blev finansieret af KWF-STW (Drug Delivery af Sonoporation i barndommen Diffuse Intrinsic Pontine Glioma og High-grade Glioma). Vi takker Ilya Skachkov og Charles Mougenot for deres bidrag til udviklingen af systemet.

Alle in vivo-eksperimenter blev godkendt af det hollandske etiske udvalg (licenstilladelsesnummer AVD114002017841) og Dyrevelfærdsorganet ved Vrije Universiteit Amsterdam, Holland. Efterforskerne blev uddannet i det grundlæggende i FUS-systemet for at minimere dyrenes ubehag.
1. Fokuseret ultralydssystem
BEMÆRK: Den beskrevne opsætning er et indbygget bygget BBB-disruptionsystem baseret på kommercielt tilgængelige komponenter og omfatter en 3D-printet specialfre...

I denne undersøgelse udviklede vi et omkostningseffektivt billedstyret baseret FUS-system til forbigående BBB-forstyrrelse for øget lægemiddellevering til hjerneparenchymaet. Systemet blev stort set bygget med kommercielt tilgængelige komponenter og i samarbejde med X-ray og BLI. Modulariteten af det foreslåede design gør det muligt at anvende flere billedbehandlingsmetoder til planlægning og vurdering i arbejdsgange med høj overførselshastighed. Systemet kan kombineres med mere omfattende 3D-billedbehandlingsm...

Blod-hjerne barrieren (BBB) er en stor hindring for levering af narkotika i hjernen parenchyma. De fleste terapeutiske lægemidler, der er udviklet, krydser ikke BBB på grund af deres fysiskkemiske parametre (f.eks. lipofilicitet, molekylvægt, hydrogenbindingstagere og donorer) eller bevares ikke på grund af deres affinitet for efflux-transportører i hjernen1,2. Den lille gruppe af lægemidler, der kan krydse BBB, er typisk små lipofile molekyler, som kun er effektive i et begrænset antal hjernesygdomme1,2. Som følge heraf er farmakologiske behandlingsmuligheder begrænsede for de fleste hjernesygdomme, og der er behov for nye lægemiddelleveringsstrategier3,4.
Terapeutisk ultralyd er en ny teknik, der kan bruges til forskellige neurologiske applikationer som BBB-forstyrrelse (BBBD), neuromodulation og ablation4,5,6,7. For at opnå en BBB-åbning med en ekstracorporeal ultralydsudleder gennem kraniet kombineres fokuseret ultralyd (FUS) med mikrobobler. Mikroboble-medieret FUS resulterer i øget biotilgængelighed af lægemidler i hjernen parenchyma5,8,9. I nærværelse af lydbølger begynder mikrobobler at svinge indlede transcytose og forstyrrelse af de stramme kryds mellem BBB's endotelceller, hvilket muliggør paracellulær transport af større molekyler10. Tidligere undersøgelser bekræftede sammenhængen mellem intensiteten af den akustiske emission og den biologiske indvirkning på BBB-åbning11,12,13,14. FUS i kombination med mikrobobler er allerede blevet anvendt i kliniske forsøg til behandling af glioblastoma ved hjælp af temozolomide eller liposomal doxorubicin som kemoterapeutisk middel eller til behandling af Alzheimers sygdom og amyotrofisk lateral sklerose5,9,15,16.
Da ultralyd medieret BBB åbning resulterer i helt nye muligheder for farmakoterapi, præklinisk forskning for klinisk oversættelse er nødvendig for at vurdere behandlingen respons af udvalgte lægemiddelkandidater. Dette kræver typisk en arbejdsgang med høj gennemløb med både høj rumlig præcision og helst en integreret kavitationsregistrering til overvågning af målrettet BBB-åbning med høj reproducerbarhed. Hvis det er muligt, skal disse systemer være omkostningseffektive i både initialinvesteringer og driftsomkostninger for at kunne skaleres i henhold til undersøgelsens størrelse. De fleste prækliniske FUS-systemer kombineres med MR-scanning til billedvejledning og behandlingsplanlægning15,17,18,19. Selv om MR giver detaljerede oplysninger om tumor anatomi og volumen, det er en dyr teknik, som generelt udføres af uddannede / dygtige operatører. Derudover er MR-scanning i høj opløsning muligvis ikke altid tilgængelig for forskere i prækliniske faciliteter og kræver lange scanningstider pr. dyr, hvilket gør det mindre egnet til farmakologiske undersøgelser med høj gennemløb. Bemærkelsesværdigt er, at for præklinisk forskning inden for neuro-onkologi, især infiltrerende tumormodeller, er muligheden for at visualisere og målrette tumoren afgørende for behandlingssucces20. I øjeblikket er dette krav kun opfyldt af MR eller af tumorer transduceret med et fotoprotein, der muliggør visualisering med bioluminescens imaging (BLI) i kombination med administration af photoprotein substratet.
MR-styrede FUS-systemer bruger ofte et vandbad til at sikre ultralydbølgeudbredelse til transkraniale applikationer, hvor dyrets hoved delvist er nedsænket i vandet, de såkaldte ''bottom-up''-systemer15,17,18. Mens disse designs fungerer generelt godt i mindre dyreforsøg, er de et kompromis mellem dyreforberedelsestider, bærbarhed og realistisk vedligeholdbare hygiejniske standarder under brug. Som et alternativ til MRI omfatter andre styremetoder til stereotaktisk navigation brugen af et anatomisk atlas over gnavere21,22,23, laserpegepind assisteret visuel observation24, pinhole-assisteret mekanisk scanningsenhed25eller BLI26. De fleste af disse designs er "top-down" systemer, hvor transduceren er placeret oven på dyrets hoved, med dyret i en naturlig position. ''Top-down'-arbejdsgangen består enten af et vandbad22,25,26 eller en vandfyldt kegle21,24. Fordelen ved at bruge en transducer inde i en lukket kegle er det mere kompakte fodaftryk, kortere opsætningstid og ligetil dekontamineringsmuligheder, der forenkler hele arbejdsgangen.
Samspillet mellem det akustiske felt og mikroboblerne er trykafhængigt og spænder fra svingninger med lav amplitude (kaldet stabil kavitation) til forbigående boblekollaps (kaldet inertial kavitation)27,28. Der er en etableret konsensus om, at ultralyd-BBBD kræver et akustisk tryk et godt stykke over den stabile kavitationstærskel for at opnå vellykket BBBD, men under den inertielle kavitationstærskel, som generelt er forbundet med vaskulær / neuronal skade29. Den mest almindelige form for overvågning og kontrol er analysen af det (back-)spredte akustiske signal ved hjælp af passiv kavitationsdetektering (PCD), som foreslået af McDannold et al.12. PCD bygger på analysen af Fourier spektre af mikroboble emissionssignaler, hvor styrken og udseendet af stabile kavitation kendetegnende (harmoniske, subharmonics, og ultraharmonics) og inertial kavitation markører (bredbånd svar) kan måles i realtid.
En "one size fits all" PCD-analyse for præcis trykkontrol er kompliceret på grund af mikrobobleformuleringens polydispersitet (svingningsforstærkningen afhænger stærkt af boblediameteren), forskellene i bobleskalegenskaber mellem mærker og den akustiske svingning, som afhænger stærkt af frekvens og tryk30,31,32. Som følge heraf er der foreslået mange forskellige PCD-detektionsprotokoller, som er blevet tilpasset bestemte kombinationer af alle disse parametre og er blevet brugt i forskellige applikationsscenarier (lige fra in vitro-forsøg over små dyreprotokoller til PCD til klinisk brug) til robust kavitationsdetektion og endda til tilbagevirkende feedbackkontrol af trykket11,14,30,31,32,33,34,35. Pcd-protokollen, der anvendes i forbindelse med denne undersøgelse, er afledt direkte af McDannold et al.12 og overvåger den harmoniske emission for tilstedeværelsen af stabil kavitation og bredbåndsstøj til inertikavitationsdetektion.
Vi har udviklet et billedstyret neuronavigation FUS-system til forbigående åbning af BBB for at øge lægemiddelleveringen til hjerneparenchymaet. Systemet er baseret på kommercielt tilgængelige komponenter og kan let tilpasses flere forskellige billedbehandlingsmetoder, afhængigt af de tilgængelige billeddannelsesteknikker i dyrefaciliteten. Da vi har brug for en arbejdsgang med høj overførselshastighed, har vi valgt at bruge røntgen og BLI til billedvejledning og behandlingsplanlægning. Tumorceller transduceret med et photoprotein (f.eks luciferase) er egnet til BLI imaging20. Efter administration af fotoproteinsubstratet kan tumorceller overvåges in vivo og tumorvækst og placering kan bestemmes20,36. BLI er en billig billedbehandling modalitet, det gør det muligt at følge tumorvæksten over tid, det har hurtige scanningstider, og det korrelerer godt med tumorvækst målt med MRI36,37. Vi har valgt at erstatte vandbadet med en vandfyldt kegle fastgjort til transduceren for at muliggøre fleksibilitet til frit at flytte den platform, hvorpå gnaveren er monteret8,24. Designet er baseret på en aftagelig platform udstyret med integration af (I) stereotaktiske platformer til små dyr (II) fiduciale markører med både røntgen- og optisk billedkompatibilitet (III) hurtig aftagelig anæstesimaske og (IV) integreret temperaturreguleret dyreopvarmningssystem. Efter den første induktion af anæstesi monteres dyret i en præcis position på platformen, hvor det forbliver under hele proceduren. Derfor passerer hele platformen alle stationer i arbejdsgangen for hele interventionen, samtidig med at den opretholder en nøjagtig og reproducerbar positionering og vedvarende anæstesi. Kontrolsoftwaren gør det muligt automatisk at registrere de fiduciale markører og registrerer automatisk alle typer billeder og billedmodaliteter (dvs. mikro-CT, X-ray, BLI og fluorescensbilleddannelse) i referencerammen for den stereotaktiske platform. Ved hjælp af en automatisk kalibreringsprocedure er ultralydtransducerens brændvidde præcist kendt inden for, hvilket muliggør automatisk fusion af interventionel planlægning, akustisk levering og opfølgende billedanalyse. Som vist i figur 1 og figur 2giver denne opsætning en høj grad af fleksibilitet til at designe dedikerede eksperimentelle arbejdsgange og tillader interleaved håndtering af dyret på forskellige stationer, hvilket igen letter eksperimenter med høj gennemløb. Vi har brugt denne teknik til vellykket levering af lægemidler i mus xenografts af høj kvalitet gliom såsom diffus midline glioma.

<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

Blod-hjerne barrieren (BBB) har været en stor forhindring for behandling af forskellige hjernesygdomme. Endotelceller, der er forbundet med stramme vejkryds, danner en fysiologisk barriere, der forhindrer store molekyler (>500 Da) i at komme ind i hjernevævet. Mikroboble-medieret fokuseret ultralyd (FUS) kan bruges til at fremkalde en forbigående lokal BBB åbning, så større lægemidler til at komme ind i hjernen parenchyma.
Ud over store kliniske enheder til klinisk oversættelse kræver præklinisk forskning til vurdering af lægemiddelkandidaters behandlingsrespons dedikerede små ultralydsopsætninger til målrettet BBB-åbning. Disse systemer giver helst mulighed for arbejdsprocesser med høj gennemløb med både høj rumlig præcision og integreret kavitationsovervågning, samtidig med at de stadig er omkostningseffektive i både initialinvestering og driftsomkostninger.
Her præsenterer vi et bioluminescens- og røntgenstyret stereotaktisk FUS-system til små dyr, der er baseret på kommercielt tilgængelige komponenter og opfylder ovennævnte krav. Der er lagt særlig vægt på en høj grad af automatisering, der letter de udfordringer, der typisk opstår i prækliniske narkotikavurderingsundersøgelser med store mængder. Eksempler på disse udfordringer er behovet for standardisering for at sikre datagen reproducerbarhed, reducere variabilitet inden for grupper, reducere stikprøvestørrelsen og dermed overholde etiske krav og reducere unødvendig arbejdsbyrde. Det foreslåede BBB-system er blevet valideret inden for rammerne af BBB,der åbner faciliterede lægemiddelleveringsforsøg på patientbaserede xenograftmodeller af glioblastoma multiforme og diffuse midline glioma.

Det beskrevne FUS-system (figur 1 og figur 2) og den tilhørende arbejdsgang er blevet brugt i over 100 dyr og produceret reproducerbare data om både sunde og tumorbærende mus. Baseret på den registrerede kavitation og spektraltætheden ved overtonerne i det højeste øjeblik af mikrobubble bolus injektionen kan spektraleffekten af hver frekvens beregnes ved hjælp af Fourier-analysen som forklaret i trin 4 i protokollen. Baseret på den akustiske protokol (1...

Watch this Scientific Journal Video about A High-Throughput Image-Guided Stereotactic Neuronavigation and Focused Ultrasound System for Blood-Brain Barrier Opening in Rodents at JoVE.com

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

Blod-hjerne barrieren (BBB) kan midlertidigt forstyrres med mikroboble-medieret fokuseret ultralyd (FUS). Her beskriver vi en trinvis protokol for BBB-åbning i høj overførselshastighed ved hjælp af et modulært FUS-system, der er tilgængeligt for ikke-ultralydseksperter.

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 ...

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 ...

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

Anvendelse af automatiseret billedstyret patchklemme til undersøgelse af neuroner i hjerneskiver

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

Vurdering af blod - hjerne barrieren permeabilitet af intravenøs Infusion af FITC-mærket Albumin i en musemodel af neurodegenerativ sygdom

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

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

En In Vivo blod - hjerne barrieren permeabilitet Assay i mus ved hjælp af Fluorescently mærket røbestoffer

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

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 ...

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

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 ...

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

Målrettet neuronal skade for ikke-invasiv afbrydelse af hjernen kredsløb

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

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 ...

Transendothelial Resistance Measurement to Assess Cell Barrier Integrity

Barrier Functional Integrity Recording on bEnd.3 Vascular Endothelial Cells via Transendothelial Electrical Resistance Detection

Applications of TEER Detection to Assess Cell Barrier Integrity (Video) | JoVE

Registrering af barrierefunktionel integritet på bEnd.3 Vaskulære endotelceller via transendotelial elektrisk modstandsdetektion

The blood-brain barrier (BBB) is a dynamic physiological structure composed of microvascular endothelial cells, astrocytes, and pericytes. By coordinating ...

A 3D Blood-Brain Barrier Model Derived from Human Pluripotent Stem-Cells

Reconstruction of the Blood-Brain Barrier In Vitro to Model and Therapeutically Target Neurological Disease

A Personalized Approach Towards Investigating Alzheimer's Disease Using an In Vitro Blood-Brain Barrier Model (Video) | JoVE

Rekonstruktion af blod-hjerne-barrieren in vitro til modellering og terapeutisk målretning af neurologisk sygdom

The blood-brain barrier (BBB) is a key physiological component of the central nervous system (CNS), maintaining nutrients, clearing waste, and protecting ...