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

Этот проект финансировался KWF-STW (Доставка лекарств сонопорой в детстве диффузной внутренней понтийной глиомы и высококачественной Глиомы). Благодарим Илью Скачкова и Шарля Мугенота за вклад в развитие системы.

Все эксперименты in vivo были одобрены голландским комитетом по этике (номер разрешения на лицензию AVD114002017841) и Органом защиты животных Vrije Universiteit Amsterdam, Нидерланды. Исследователи прошли подготовку по основам системы FUS, чтобы свести к минимуму дискомфорт животных.
1. Сфокусир?...

В этом исследовании мы разработали экономически эффективную систему FUS на основе изображения для временного нарушения BBB для увеличения доставки препарата в паренхиму мозга. Система была построена в основном с коммерчески доступными компонентами и в сочетании с рентгеновскими и BLI. Мо...

Гемовоэнцефалический барьер (BBB) является основным препятствием для доставки препарата в паренхиму мозга. Большинство терапевтических препаратов, которые были разработаны не пересекают BBB из-за их физико-химических параметров (например, липофилифия, молекулярный вес, водородные облигации принимает и доноров) или не сохраняются из-за их сродства к efflux транспортеров вголовном мозге 1,2. Небольшая группа препаратов, которые могут пересечь BBB, как правило, небольшие липофильные молекулы, которые эффективны только в ограниченном количествезаболеваний мозга 1,2. Как следствие, для большинства заболеваний головного мозга, фармакологические варианты лечения ограничены и новые стратегии доставкилекарств необходимы 3,4.
Терапевтическое УЗИ является новой техникой, которая может быть использована для различных неврологических приложений, таких как нарушение BBB (BBBD), нейромодуляция, иабляция4,5,6,7. Для достижения открытия BBB с экстракорпоратерным ультразвуковым излучателем через череп, сфокусированное УЗИ (FUS) сочетается с микропузырями. Микросовместимые FUS приводит к повышенной биодоступности препаратов в паренхимемозга 5,8,9. При наличии звуковых волн микропузырьки начинают колебаться, инициируя трансцитоз и нарушение плотных соединений между эндотелиальными клетками BBB, что позволяет параклеточной транспортировке больших молекул10. Предыдущие исследования подтвердили корреляцию между интенсивностью акустического излучения и биологическим воздействием на открытие BBB11,12,13,14. FUS в сочетании с микропузырями уже используется в клинических испытаниях для лечения глиобластомы с использованием темозоломида или липосомного доксорубицина в качестве химиотерапевтического агента, или для терапии болезни Альцгеймера и боковогоамиотрофического склероза 5,9,15,16.
Поскольку ультразвук опосредованное открытие BBB открывает совершенно новые возможности для фармакотерапии, для оценки реакции отдельных кандидатов на лекарственные препараты необходимы доклинические исследования клинического перевода. Это обычно требует высокой пропускной способности рабочего процесса с высокой пространственной точностью и предпочтительно комплексного обнаружения кавитации для мониторинга целевого открытия BBB с высокой воспроизводимостью. Если это возможно, эти системы должны быть экономически эффективными как в первоначальных инвестиций и эксплуатационных расходов, с тем чтобы быть масштабируемым в зависимости от размера исследования. Большинство доклинических систем FUS сочетаются с МРТ для изображения руководства ипланирования лечения 15,17,18,19. Хотя МРТ дает подробную информацию об анатомии опухоли и объеме, это дорогой метод, который обычно выполняется обученными / квалифицированными операторами. Кроме того, МРТ высокого разрешения не всегда может быть доступна для исследователей в доклинических учреждениях и требует длительного времени сканирования на животное, что делает его менее пригодным для высокопроверяющих фармакологических исследований. Примечательно, что для доклинических исследований в области нейроонкологии, в частности, инфильтративных опухолевых моделей, возможность визуализировать и нацелить опухоль имеет важное значение дляуспеха лечения 20. В настоящее время это требование выполняется только МРТ или опухолями, трансфокированными с помощью фотопротеина, что позволяет визуализировать биолюминесценцию изображения (BLI) в сочетании с администрированием подстрата фотопротеина.
СИСТЕМы МРТ-управляемые FUS часто используют водяную баню для обеспечения распространения ультразвуковой волны для транскраниальных применений, при которой голова животного частично погружается в воду, так называемые системы«снизу вверх» 15,17,18. Хотя эти проекты работают в целом хорошо в небольших исследований на животных, они являются компромиссом между временем подготовки животных, портативность и реально поддерживать гигиенические стандарты во время использования. В качестве альтернативы МРТ, другие методы руководства для стереотаксической навигации включают в себя использованиегрызунов анатомического атласа 21,22,23, лазерная указка помощьвизуального прицельной 24, пинхол-помощь механического сканирующего устройства25, или BLI26. Большинство из этих конструкций являются "сверху вниз" системы, в которых предуц находится на верхней части головы животного, с животным в естественном положении. Рабочий процесс 'top-down' состоит либо из водянойванны 22,25,26 илизаполненного водойконуса 21,24. Преимущество использования преобразоваваека внутри закрытого конуса является более компактный след, короче время установки и прямо вперед возможности обеззараживания упрощает весь рабочий процесс.
Взаимодействие акустического поля с микропузырями зависит от давления и колеблется от низкоамплитудных колебаний (называемых стабильной кавитацией) до переходного коллапса пузыря (именуемого инерциальной кавитацией)27,28. Существует установленный консенсус, что ультразвук-BBBD требует акустического давления значительно выше стабильного порога кавитации для достижения успешного BBBD, но ниже порога инерциальной кавитации, который обычно ассоциируется с сосудистыми / нейрональнымиповреждениями 29. Наиболее распространенной формой мониторинга и контроля является анализ (обратного) рассеянного акустического сигнала с использованием пассивного обнаружения кавитации (PCD), как это предлагается McDannold et al.12. PCD опирается на анализ спектров Fourier микропузырьковых сигналов выбросов, в котором сила и внешний вид стабильных признаков кавитации (гармоники, субгармоника и ультрагармоника) и инерционные маркеры кавитации (широкополосная реакция) могут быть измерены в режиме реального времени.
"Один размер подходит всем" PCD-анализ для точного контроля давления осложняется из-за полидисперсности формулировки microbubble (амплитуля колебаний сильно зависит от диаметра пузыря), различия в свойствах оболочки пузыря между брендами, и акустические колебания, которые сильно зависят отчастоты и давления 30,31,32. Как следствие, было предложено много различных протоколов обнаружения PCD, которые были адаптированы к конкретным комбинациям всех этих параметров и были использованы в различных сценариях применения (от экспериментов in vitro над протоколами малых животных до PCD для клинического использования) для надежного обнаружения кавитации и даже для обратнойсвязи давления 11,14,30,31,32,33,34,35. Протокол PCD, используемый в рамках данного исследования, получен непосредственно из McDannold et al.12 и отслеживает гармоническое излучение на наличие стабильной кавитации и широкополосного шума для обнаружения инерциальной кавитации.
Мы разработали систему нейронавигации FUS с изображением для временного открытия BBB для увеличения доставки препарата в паренхиму мозга. Система основана на коммерчески доступных компонентах и может быть легко адаптирована к нескольким различным методам визуализации, в зависимости от имеющихся методов визуализации в животном объекте. Поскольку нам требуется рабочий процесс с высокой пропускной способностью, мы решили использовать рентгеновские снимки и BLI для планирования изображений и лечения. Опухолевые клетки, трансдуцированные с помощью фотопротеина (например, люцифераза), подходят дляbli-изображения 20. После введения подстрата фотопротеина, опухолевые клетки могут контролироваться in vivo и рост опухоли и расположениеможет быть определено 20,36. BLI является недорогим методом визуализации, он позволяет следить за ростом опухоли с течением времени, он имеет быстрое время сканирования и хорошо коррелирует с ростом опухоли измеряется МРТ36,37. Мы решили заменить водяную баню заполненным водой конусом, прикрепленным к преобразоваю, чтобы гибкость позволила свободно перемещать платформу, на которойсмонтирован грызун 8,24. Конструкция основана на съемной платформе, оснащенной интеграцией (I) маловодной стереотаксической платформы (II) фидуциальных маркеров с рентгеновской и оптическо-образной совместимостью (III) быстросемещанной анестезии и (IV) интегрированной системой нагрева животных. После первоначальной индукции анестезии животное устанавливается в точном положении на платформе, где оно остается в течение всей процедуры. Следовательно, вся платформа проходит все станции рабочего процесса всего вмешательства, сохраняя при этом точное и воспроизводимое позиционирование и устойчивую анестезию. Программное обеспечение управления позволяет автоматически обнаруживать фидуциальные маркеры и автоматически регистрирует все типы изображений и модальностей изображения (т.е. микро-КТ, рентгеновские, BLI и флуоресценции изображения) в рамках справочной стереотаксической платформы. С помощью автоматической процедуры калибровки, фокусное расстояние ультразвукового превью точно известно внутри, что позволяет автоматическим слиянием интервенционного планирования, акустической доставки и последующего анализа изображений. Как показано на рисунке 1 и рисунке 2,эта установка обеспечивает высокую степень гибкости для разработки специальных экспериментальных рабочих процессов и позволяет переплетенной обработки животных на различных станциях, что в свою очередь облегчает высокую пропускную способность экспериментов. Мы использовали этот метод для успешной доставки лекарств в ксенотрансплантатах мыши высококачественной глиомы, таких как диффузная глиома средней линии.

<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

Геммоемммм Эндотелиальные клетки, соединенные плотными соединениями, образуют физиологический барьер, препятствующий > молекул (>500 Da) в ткани мозга. Микропузырька опосредованное сфокусированное ультразвук (FUS) можно использовать для того чтобы навести преходящее местное отверстие BBB, позволяющ более большие снадобья войти parenchyma мозга.
В дополнение к крупномасштабным клиническим устройствам для клинического перевода, доклинические исследования для оценки реакции терапии кандидатов на препарат требует специальных малых животных ультразвуковых установок для целевого открытия BBB. Предпочтительно, чтобы эти системы позволяли использовать высокооборотные рабочие процессы как с высокой пространственной точностью, так и с комплексным мониторингом кавитации, при этом оставаясь экономически эффективными как с точки зрения первоначальных инвестиций, так и с точки зрения эксплуатационных расходов.
Здесь мы представляем биолюминесценцию и рентгеновская стереотаксическая система FUS для малых животных, которая основана на коммерчески доступных компонентах и соответствует вышеупомянутым требованиям. Особое внимание было уделено высокой степени автоматизации, облегчая проблемы, обычно встречающиеся в многотомных доклинических исследованиях по оценке лекарственных средств. Примерами этих проблем являются необходимость стандартизации для обеспечения воспроизводимости данных, уменьшения внутригрупповой изменчивости, уменьшения размера выборки и, таким образом, соблюдения этических требований и уменьшения ненужной рабочей нагрузки. Предлагаемая система BBB была проверена в рамках BBB открытия облегченные испытания доставки лекарств на пациента полученных ксенотрансплантатов модели глиобластомы мультиформной и диффузной средней линии глиомы.

Описанная система FUS (рисунок1 и рисунок 2) и связанный с ней рабочий процесс были использованы в более чем 100 животных и производится воспроизводимые данные о здоровых и опухолевых мышей. Основываясь на записанной кавитации и спектральной плотности гарм?...

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

Геммоэнцербированный барьер (BBB) может быть временно нарушен с помощью микропузырька-опосредованного сфокусированного ультразвука (FUS). Здесь мы описываем пошаговые протоколы для высокой пропускной способности BBB открытия in vivo с использованием модульной системы FUS, доступной для экспертов, не являясь ультразвуком.

Высокой пропускной способностью изображения руководствуясь стереотаксической нейронавигации и целенаправленной ультразвуковой системы для гемовеленно-мозгового барьера Открытие у грызунов

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

Функциональные нейровизуализации с использованием ультразвуковых Гематоэнцефалический Разрушение барьеров и марганца-МРТ

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

Применение автоматизированного патч-зажима для изображений для изучения нейронов в средах мозга

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

Оценка проницаемости гематоэнцефалического барьера путем внутривенного вливания FITC-меченых альбумина в мышиной модели нейродегенеративные заболевания

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

В естественных условиях Blood - brain барьер проницаемость Assay мышей с использованием дневно помечены Трейсеры

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

В естественных условиях оценки разрушения гематоэнцефалический барьер в мышиной модели ишемического инсульта

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

Бенчтоп Подход к местоположению Конкретный барьер мозга крови Открытие с помощью целенаправленного ультразвука в крысиной модели

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

Целевая нейронная травма для неинвазивного отключения головной цепи

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

Открытие гематоэнцефалического барьера с помощью фокусированного ультразвука для воздействия на структуры головного мозга и оценки хемогенетической нейромодуляции

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

Регистрация функциональной целостности барьера на клетках эндотелия сосудов bEnd.3 с помощью детектирования трансэндотелиального электрического сопротивления

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

Реконструкция гематоэнцефалического барьера in vitro для моделирования и терапевтического воздействия на неврологические заболевания

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