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

Detta projekt finansierades av KWF-STW (Drug Delivery by Sonoporation in Childhood Diffuse Intrinsic Pontine Glioma och High-grade Glioma). Vi tackar Ilya Skachkov och Charles Mougenot för deras bidrag i utvecklingen av systemet.

Alla in vivo-experiment godkändes av den nederländska etiska kommittén (licenstillståndsnummer AVD114002017841) och djurskyddsorganet i Vrije Universiteit Amsterdam, Nederländerna. Utredarna utbildades i grunderna i FUS-systemet för att minimera djurens obehag.
1. Fokuserat ultraljudssystem
OBS: Den beskrivna installationen är ett inhousebyggt BBB-störningssystem baserat på kommersiellt tillgängliga komponenter och innehåller en 3D-utskriven specialtillverk...

I denna studie utvecklade vi ett kostnadseffektivt bildstyrt FUS-system för övergående BBB-störningar för ökad läkemedelstillförsel till hjärnans parenkym. Systemet byggdes till stor del med kommersiellt tillgängliga komponenter och i samband med röntgen och BLI. Den föreslagna designens modularitet gör det möjligt att använda flera bildframställningsmetoder för planering och utvärdering i arbetsflöden med hög genomströmning. Systemet kan kombineras med mer omfattande högupplösta 3D-bildframställn...

Blod- hjärnbarriären (BBB) är ett stort hinder för läkemedelsleverans till hjärnans parenkym. De flesta terapeutiska läkemedel som har utvecklats korsar inte BBB på grund av deras fysikaliskkemiska parametrar (t.ex. lipofilibilitet, molekylvikt, vätebindnings acceptorer och givare) eller behålls inte på grund av deras affinitet för utflödestransportörer i hjärnan1,2. Den lilla gruppen läkemedel som kan korsa BBB är vanligtvis små lipofila molekyler, som bara är effektiva i ett begränsat antal hjärnsjukdomar1,2. Som en följd av detta, för de flesta hjärnsjukdomar, är farmakologiska behandlingsalternativ begränsade och nya drug delivery-strategier behövs3,4.
Terapeutisk ultraljud är en framväxande teknik som kan användas för olika neurologiska applikationer såsom BBB-störningar (BBBD), neuromodulering och ablation4,5,6,7. För att uppnå en BBB-öppning med en extrakorpooreal ultraljudsemitterare genom kraniet kombineras fokuserat ultraljud (FUS) med mikrobubblor. Mikrobubble-medierad FUS resulterar i ökad biotillgänglighet av läkemedel i hjärnan parenkym5,8,9. I närvaro av ljudvågor börjar mikrobubblor svänga initiering av transcytos och störningar av de snäva korsningarna mellan endotelcellerna i BBB, vilket möjliggör paracellulär transport av större molekyler10. Tidigare studier bekräftade sambandet mellan intensiteten i det akustiska utsläppet och den biologiska påverkan på BBB-öppningen11,12,13,14. FUS i kombination med mikrobubblor har redan använts i kliniska prövningar för behandling av glioblastom med temozolomid eller liposomal doxorubicin som kemoterapeutiskt medel, eller för behandling av Alzheimers sjukdom och amyotrofisk lateral skleros5,9,15,16.
Eftersom ultraljud medierad BBB-öppning resulterar i helt nya möjligheter till farmakoterapi, behövs preklinisk forskning för klinisk översättning för att bedöma terapisvaret hos utvalda läkemedelskandidater. Detta kräver vanligtvis ett arbetsflöde med hög genomströmning med både hög rumslig precision och helst en integrerad kavitationsdetektering för övervakning av riktad BBB-öppning med hög reproducerbarhet. Om möjligt måste dessa system vara kostnadseffektiva i både initiala investeringar och driftskostnader för att kunna skalbara enligt studiestorleken. De flesta prekliniska FUS-system kombineras med MRT för bildvägledning och behandlingsplanering15,17,18,19. Även om MRI ger detaljerad information om tumör anatomi och volym, är det en dyr teknik, som i allmänhet utförs av utbildade / skickliga operatörer. Dessutom kanske högupplöst MRT inte alltid är tillgängligt för forskare i prekliniska anläggningar och kräver långa skanningstider per djur, vilket gör det mindre lämpligt för farmakologiska studier med hög genomströmning. Anmärkningsvärt är att för preklinisk forskning inom neuro-onkologi, i synnerhet infiltrativa tumörmodeller, är möjligheten att visualisera och rikta tumören avgörande för behandlingsframgång20. För närvarande uppfylls detta krav endast av MRI eller av tumörer transduced med ett fotoprotein, vilket möjliggör visualisering med bioluminescens imaging (BLI) i kombination med administrering av fotoprotein substrat.
MRI-styrda FUS-system använder ofta ett vattenbad för att säkerställa ultraljudsvågspridning för transkraniella tillämpningar, varigenom djurets huvud delvis är nedsänkt i vattnet, de så kallade "bottom-up"-systemen15,17,18. Även om dessa konstruktioner i allmänhet fungerar bra i mindre djurstudier, är de en kompromiss mellan djurberedningstider, bärbarhet och realistiskt underhållbara hygieniska standarder under användning. Som ett alternativ till MRI omfattar andra styrmetoder för stereotaktisk navigering användningen av en gnagare anatomisk atlas21,22,23, laserpekare assisterad visuell observation24, pinhole-assisted mekanisk skanning enhet25, eller BLI26. De flesta av dessa mönster är "top-down" -system där givaren placeras ovanpå djurets huvud, med djuret i en naturlig position. Arbetsflödet "uppifrån och ned" består antingen av ett vattenbad22,25,26 eller en vattenfylld kon21,24. Fördelen med att använda en givare inuti en sluten kon är det mer kompakta fotavtrycket, kortare installationstid och möjligheter till direkt sanering som förenklar hela arbetsflödet.
Interaktionen mellan det akustiska fältet och mikrobubblorna är tryckberoende och sträcker sig från oscillationer med låg amplitud (kallas stabil kavitation) till övergående bubbelkollaps (kallad inertial kavitation)27,28. Det finns en etablerad konsensus om att ultraljud-BBBD kräver ett akustiskt tryck långt över den stabila kavitation tröskeln för att uppnå framgångsrika BBBD, men under den inertiella kavitation tröskeln, som i allmänhet är associerad med vaskulär/neuronal skada29. Den vanligaste formen av övervakning och kontroll är analysen av den (rygg)spridda akustiska signalen med passiv kavitationsdetektering (PCD), som föreslagits av McDannold et al.12. PCD bygger på analys av Fourier-spektrat av mikrobubblors emissionssignaler, där styrkan och utseendet hos stabila kavitationsmärken (övertoner, subharmoniker och ultraharmoniker) och inerta kavitationsmarkörer (bredbandsrespons) kan mätas i realtid.
En "en storlek passar alla" PCD-analys för exakt tryckkontroll är komplicerad på grund av mikrobubbleformuleringens polydispersitet (oscillationsamlituden beror starkt på bubbeldiametern), skillnaderna i bubbelskalegenskaper mellan märken och den akustiska svängningen, som starkt beror på frekvens och tryck30,31,32. Som en följd av detta har många olika PCD-detekteringsprotokoll föreslagits, som har anpassats till särskilda kombinationer av alla dessa parametrar och har använts i olika applikationsscenarier (allt från in vitro-experiment över små djurprotokoll till PCD för klinisk användning) för robust kavitationsdetektering och även för retroaktiv återkopplingskontroll av trycket11,14,30,31,32,33,34,35. PcD-protokollet som används inom ramen för denna studie härleds direkt från McDannold et al.12 och övervakar det harmoniska utsläppet för förekomst av stabil kavitation och bredbandsbuller för inertiell kavitationsdetektering.
Vi har utvecklat ett bildstyrt neuronavigation FUS-system för övergående öppning av BBB för att öka läkemedelstillförseln till hjärnan parenkym. Systemet bygger på kommersiellt tillgängliga komponenter och kan enkelt anpassas till flera olika bildframställningsmetoder, beroende på tillgängliga bildtekniker i djuranläggningen. Eftersom vi behöver ett arbetsflöde med hög genomströmning har vi valt att använda röntgen och BLI för bildvägledning och behandlingsplanering. Tumörceller transduced med ett fotoprotein (t.ex. luciferas) är lämpliga för BLI imaging20. Efter administrering av fotoproteinsubstratet kan tumörceller övervakas in vivo och tumörtillväxt och plats kanbestämmas 20,36. BLI är en billig bildframställning modalitet, det gör det möjligt att följa tumörtillväxten över tid, den har snabba skanningstider och det korrelerar väl med tumörtillväxt mätt med MRI36,37. Vi har valt att ersätta vattenbadet med en vattenfylld kon fäst vid givaren för att möjliggöra flexibilitet att fritt flytta plattformen där gnagaren är monterad8,24. Designen är baserad på en avtagbar plattform utrustad med integrering av (I) smådjurs stereotaktiska plattform (II) fiducialmarkörer med både röntgen- och optisk bildkompatibilitet (III) snabbavtagbar anestesimask och (IV) integrerat temperaturreglerat djurvärmesystem. Efter den första induktionen av anestesi monteras djuret i ett exakt läge på plattformen där det förblir under hela proceduren. Följaktligen passerar hela plattformen alla stationer i arbetsflödet för hela insatsen, samtidigt som en korrekt och reproducerbar positionering upprätthålls och en ihållande anestesi upprätthålls. Kontrollprogramvaran gör det möjligt att automatiskt detektera fiducialmarkörerna och registrerar automatiskt alla typer av bilder och bildmodaliteter (dvs. mikro-CT, röntgen, BLI och fluorescensavbildning) i referensramen för den stereotaktiska plattformen. Med hjälp av ett automatiskt kalibreringsförfarande är ultraljudsgivarens brännvidd exakt känd inom, vilket möjliggör automatisk fusion av interventionell planering, akustisk leverans och uppföljande bildanalys. Som visas i figur 1 och figur 2ger denna inställning en hög grad av flexibilitet för att utforma dedikerade experimentella arbetsflöden och möjliggör interfolierade hantering av djuret på olika stationer, vilket i sin tur underlättar experiment med hög genomströmning. Vi har använt denna teknik för framgångsrik läkemedelsleverans i mus xenografts av hög kvalitet gliom såsom diffusa mittlinjen gliom.

<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- hjärnbarriären (BBB) har varit ett stort hinder för behandling av olika hjärnsjukdomar. Endotelceller, förbundna med snäva korsningar, bildar en fysiologisk barriär som förhindrar att stora molekyler (>500 Da) kommer in i hjärnvävnaden. Microbubble-medierad fokuserad ultraljud (FUS) kan användas för att inducera en övergående lokal BBB öppning, så att större läkemedel kan komma in i hjärnan parenkym.
Förutom storskaliga kliniska enheter för klinisk översättning kräver preklinisk forskning för behandlingsresponsbedömning av läkemedelskandidater dedikerade smådjur ultraljudsinställningar för riktad BBB-öppning. Helst tillåter dessa system arbetsflöden med hög genomströmning med både hög rumslig precision och integrerad kavitationsövervakning, samtidigt som de är kostnadseffektiva i både initiala investeringar och driftskostnader.
Här presenterar vi ett bioluminescens- och röntgenstyrt stereotaktiskt FUS-system för smådjur som bygger på kommersiellt tillgängliga komponenter och uppfyller ovan nämnda krav. Särskild vikt har lagts vid en hög grad av automatisering som underlättar de utmaningar som vanligtvis uppstår i prekliniska läkemedelsutvärderingsstudier med hög volym. Exempel på dessa utmaningar är behovet av standardisering för att säkerställa data reproducerbarhet, minska variabiliteten inom gruppen, minska urvalsstorleken och därmed uppfylla etiska krav och minska onödig arbetsbelastning. Det föreslagna BBB-systemet har validerats inom ramen för BBB-öppnandet av underlättade läkemedelsleveransförsök på patientbaserade xenograftmodeller av glioblastom multiforme och diffusa midline glioma.

Det beskrivna FUS-systemet (figur 1 och figur 2) och det tillhörande arbetsflödet har använts i över 100 djur och producerat reproducerbara data om både friska möss och tumörbärande möss. Baserat på den registrerade kavitationen och spektraltätheten vid övertonerna under det högsta ögonblicket av mikrobubble bolus-injektionen kan spektraleffekten för varje frekvens beräknas med hjälp av Fourier-analysen enligt vad som förklaras i steg 4 i proto...

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- hjärnbarriären (BBB) kan tillfälligt störas med mikrobubble-medierat fokuserat ultraljud (FUS). Här beskriver vi ett steg-för-steg-protokoll för hög genomströmning BBB-öppning in vivo med hjälp av ett modulärt FUS-system tillgängligt för icke-ultraljudsexperter.

Ett bildstyrt stereotaktiskt neuronavigation med hög genomströmning och fokuserat ultraljudssystem för öppning av blod- hjärnbarriärer hos gnagare

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

Funktionell hjärnavbildning med ultraljud Blod-hjärnbarriären störningar och mangan-förstärkt MRT

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

Tillämpning av automatiserad bildstyrd patchklem för studie av neuroner i hjärnskivor

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

Bedömning av blod - hjärnbarriären permeabilitet av intravenös Infusion av FITC-märkt Albumin i en musmodell av neurodegenerativa sjukdomar

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 - hjärnbarriären permeabilitet test på möss med Fluorescently märkt spårämnen

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 -bedömning av blod - hjärnbarriären störningar i en råtta modell av ischemisk Stroke

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 bänktop till den platsspecifika blodhjärnbarriäröppningen med fokuserat ultraljud i en råttmodell

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

Riktade neuronal skada för icke-invasiv frånkoppling av brain circuitry

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

Fokuserad ultraljudsinducerad blod-hjärnbarriäröppning för att rikta in sig på hjärnstrukturer och utvärdera kemogenetisk neuromodulering

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 av barriärfunktionell integritet på bEnd.3 vaskulära endotelceller via transendotelial elektrisk motståndsdetektering

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 av blod-hjärnbarriären in vitro för att modellera och terapeutiskt rikta in sig på neurologiska sjukdomar

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