Name: delivery of antibodies into the brain using focused scanning ultrasound
Uploaded: 2020-07-18T14:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Delivery of Antibodies into the Brain Using Focused Scanning Ultrasound at JoVE.com

Vi anerkjenner støtte fra Estate of Dr Clem Jones AO, National Health and Medical Research Council of Australia [GNT1145580, GNT1176326], Metal Foundation og staten Queensland (DSITI, Institutt for vitenskap, informasjonsteknologi og innovasjon).

Alle dyreforsøk ble godkjent av dyreetikkkomiteen ved University of Queensland.
1. Intern mikrobubble forberedelse
<ol><li>Vei ut et 9:1 molarforhold på 1,2-distearoyl-sn-glysero-3-fosfocholin og 1,2-distearoyl-sn-glysero-3-fosfoetanolamin-N-[amino(polyetylenglykol)-2000] (ammoniumsalt). 0,5 mg lipidblanding er nødvendig per 1 ml mikrobubble-løsning. Alternativt kan lipider kjøpes allerede i kloroform, hvis bruk av forløsede lipider fortsetter til trinn 1.3.</li>
	<li>Løs lipiden i et...

<ol>
	<li>Choi, J. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Noninvasive+and+transient+blood-brain+barrier+opening+in+the+hippocampus+of+Alzheimer's+double+transgenic+mice+using+focused+ultrasound.">Noninvasive and transient blood-brain barrier opening in the hippocampus of Alzheimer's double transgenic mice using focused ultrasound.</a> Ultrasonic Imaging. 30 (3), 189-200 (2008).</li><li>Lipsman, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Blood-brain+barrier+opening+in+Alzheimer's+disease+using+MR-guided+focused+ultrasound.">Blood-brain barrier opening in Alzheimer's disease using MR-guided focused ultrasound.</a> Nature Communications. 9 (1), 2336 (2018).</li><li>Pandit, R., Chen, L., G&#246;tz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+blood-brain+barrier:+physiology+and+strategies+for+drug+delivery.">The blood-brain barrier: physiology and strategies for drug delivery.</a> Advanced Drug Delivery Reviews. (19), 30238 (2019).</li><li>Golde, T. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Open+questions+for+Alzheimer's+disease+immunotherapy.">Open questions for Alzheimer's disease immunotherapy.</a> Alzheimers Research &amp; Therapy. 6 (1), 3 (2014).</li><li>Nisbet, R. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Combined+effects+of+scanning+ultrasound+and+a+tau-specific+single+chain+antibody+in+a+tau+transgenic+mouse+model.">Combined effects of scanning ultrasound and a tau-specific single chain antibody in a tau transgenic mouse model.</a> Brain. 140 (5), 1220-1230 (2017).</li><li>Janowicz, P. W., Leinenga, G., G&#246;tz, J., Nisbet, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasound-mediated+blood-brain+barrier+opening+enhances+delivery+of+therapeutically+relevant+formats+of+a+tau-specific+antibody.">Ultrasound-mediated blood-brain barrier opening enhances delivery of therapeutically relevant formats of a tau-specific antibody.</a> Scientific Reports. 9 (1), 9255 (2019).</li><li>Leinenga, G., G&#246;tz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+ultrasound+removes+amyloid-beta+and+restores+memory+in+an+Alzheimer's+disease+mouse+model.">Scanning ultrasound removes amyloid-beta and restores memory in an Alzheimer's disease mouse model.</a> Science Translational Medicine. 7 (278), 233 (2015).</li><li>Burgess, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Targeted+delivery+of+neural+stem+cells+to+the+brain+using+MRI-guided+focused+ultrasound+to+disrupt+the+blood-brain+barrier.">Targeted delivery of neural stem cells to the brain using MRI-guided focused ultrasound to disrupt the blood-brain barrier.</a> PLoS One. 6 (11), 27877 (2011).</li><li>Chen, H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Focused+ultrasound-enhanced+intranasal+brain+delivery+of+brain-derived+neurotrophic+factor.">Focused ultrasound-enhanced intranasal brain delivery of brain-derived neurotrophic factor.</a> Scientific Reports. 6, 28599 (2016).</li><li>Leinenga, G., Langton, C., Nisbet, R., G&#246;tz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ultrasound+treatment+of+neurological+diseases+-+current+and+emerging+applications.">Ultrasound treatment of neurological diseases - current and emerging applications.</a> Nature Reviews Neurology. 12 (3), 161-174 (2016).</li><li>G&#246;tz, J., Halliday, G., Nisbet, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Molecular+Pathogenesis+of+the+Tauopathies.">Molecular Pathogenesis of the Tauopathies.</a> Annual Reviews of Pathology. 14, 239-261 (2019).</li><li>Pandit, R., Leinenga, G., G&#246;tz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Repeated+ultrasound+treatment+of+tau+transgenic+mice+clears+neuronal+tau+by+autophagy+and+improves+behavioral+functions.">Repeated ultrasound treatment of tau transgenic mice clears neuronal tau by autophagy and improves behavioral functions.</a> Theranostics. 9 (13), 3754-3767 (2019).</li><li>Karakatsani, M. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Unilateral+Focused+Ultrasound-Induced+Blood-Brain+Barrier+Opening+Reduces+Phosphorylated+Tau+from+The+rTg4510+Mouse+Model.">Unilateral Focused Ultrasound-Induced Blood-Brain Barrier Opening Reduces Phosphorylated Tau from The rTg4510 Mouse Model.</a> Theranostics. 9 (18), 5396-5411 (2019).</li><li>Valdez, M. A., Fernandez, E., Matsunaga, T., Erickson, R. P., Trouard, T. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Distribution+and+Diffusion+of+Macromolecule+Delivery+to+the+Brain+via+Focused+Ultrasound+using+Magnetic+Resonance+and+Multispectral+Fluorescence+Imaging.">Distribution and Diffusion of Macromolecule Delivery to the Brain via Focused Ultrasound using Magnetic Resonance and Multispectral Fluorescence Imaging.</a> Ultrasound in Medicine and Biology. 46 (1), 122-136 (2020).</li></ol>

Fluorescerende merkede antistoffer kan leveres til hjernen ved hjelp av fokusert ultralyd sammen med mikrobobler påført i skannemodus. Antistofftilførsel, mikroglial morfologi og lysosomal forstørrelse kan påvises ved fluorescensmikroskopi etter skanning av ultralyd. Mikroglia kan ta opp i sine lysosomer antistoffer og antigener som antistoffene har bundet til i en Fc-reseptor-mediert prosess4.
Det er en rekke kritiske trinn for å oppnå repeterbar BBB-åpning og ...

Terapeutisk ultralyd er en fremvoksende teknologi rettet mot behandling av hjernesykdommer på en ikke-invasiv måte, delvis ved å legge til rette for tilgang til terapeutiske midler til hjernen1,2,3. Siden bare en liten brøkdel av terapeutiske antistoffer rettet mot hjernesykdommer tas opp av og beholdes i hjernen4, gir terapeutisk ultralyd muligheten til å øke opptaket og målrette engasjementet5,6.
I vårt laboratorium utvikler vi terapeutiske tilnærminger for nevrodegenerative sykdommer der et antistoff i ulike formater leveres over blod-hjernebarrieren (BBB) ved hjelp av mikrobobler. For å oppnå dette påføres ultralyd gjennom skallen inn i hjernen på flere steder ved hjelp av en skannemodus vi refererer til som skanning ultralyd (SUS)7. Den mekaniske interaksjonen mellom ultralydenergien, de intravenøst injiserte mikroboblene og hjernevaskulaturen skiller forbigående de tette kryssene til BBB i et gitt sonikeringsvolum, slik at antistoffer og andre last, inkludert terapeutiske midler, effektivt kan krysse denne barrieren7,8,9 . Videre har ultralyd vist seg å lette opptaket av antistoffer fra interstitiell hjerne til hjerneceller, for eksempel nevroner, hvor antistoffet fordeler seg gjennom hele cellekroppen og til og med inn i neuritiske prosesser5,10.
Alzheimers sykdom er preget av en amyloid-β og tau patologi11, og en rekke dyremodeller er tilgjengelig for å dissekere patogene mekanismer og validere terapeutiske strategier. En SUS-tilnærming, der ultralyd påføres i et sekvensielt mønster over hele hjernen, når den gjentas over flere behandlingsøkter, kan redusere amyloid plakkpatologi i hjernen til amyloid-β-deponerende amyloidforløperprotein (APP) mutantmus og aktivere mikroglia som tar opp amyloiden, noe som fører til forbedring i kognitiv funksjon7. BBB-åpning med ultralyd og mikrobobler reduserer også tau patologi i pR5, K3 og rTg4510 tau transgene mus5,12,13. Viktig, mens mikroglia fjerner ekstracellulære proteinavsetninger, er en av de underliggende clearancemekanismene for intraneuronale patologier indusert av SUS aktivering av nevronal autofagi12.
Her skisserer vi en eksperimentell prosess, hvorved fluorescerende merkede antistoffer fremstilles, og deretter blandes med interne lipidbaserte mikrobobler, etterfulgt av retroorbital injeksjon til bedøvede mus. Retroorbital injeksjon er et alternativ til hale vene injeksjon som vi har funnet å være like effektive og enklere å gjentatte ganger utføre. Dette etterfølges umiddelbart av å bruke SUS på hjernen. For å bestemme det terapeutiske antistoffopptaket ofres mus og den økte antistoffkonsentrasjonen i hjernen kvantifiseres deretter. Som en proxy av endringen i hjernen homeostase, er mikroglial fagocytisk aktivitet bestemt av histologi og volumetrisk 3D-rekonstruksjon.
De genererte dataene tyder på at ultralydlevering av antistoffer er en potensielt attraktiv tilnærming for å behandle nevrodegenerative sykdommer. Protokollen kan også brukes på andre legemiddelkandidater, samt modelllaster som fluorescerende merket dextrans av definerte størrelser14.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphocholine</td>
			<td>Avanti</td>
			<td>850365C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>1,2-distearoyl-sn-glycero-3-phosphoethanolamine-N-[amino(polyethyleneglycol)-2000]</td>
			<td>Avanti</td>
			<td>880128C</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AlexaFluor 647 antibody labeling kit</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>A20186</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>CD68 antibody</td>
			<td>AbD Serotec</td>
			<td>MCA1957GA</td>
			<td>Use 1:1000 dilution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Chloroform</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>372978</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Coulter Counter (Multisizer 4e)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Glycerol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>G5516</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Goat anti-rabbit IgG, Alexa Fluor 488</td>
			<td>Thermo FIsher</td>
			<td>A-11008</td>
			<td>Use 1:500 dilution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Goat anti-rabbit IgG, Alexa Fluor 488</td>
			<td>Thermo Fisher</td>
			<td>A-11077</td>
			<td>Use 1:500 dilution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>head holder (model SG-4N, Narishige Japan)</td>
			<td></td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Iba1 antibody</td>
			<td>Wako</td>
			<td>019-19741</td>
			<td>Use 1:1000 dilution</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Image analysis software</td>
			<td>Beckman Coulter</td>
			<td>#8547008</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Isoflow flow solution</td>
			<td>Beckman Coulter</td>
			<td>B43905</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Near infrared imaging system Odyssey Fc</td>
			<td>Licor</td>
			<td>2800-03</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Octafluoropropane</td>
			<td>Arcadophta</td>
			<td>0229NC</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Propylene Glycol</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>P4347</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TIPS (Therapy Imaging Probe System)</td>
			<td>Philips Research</td>
			<td>TIPS_007</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td></td>
			<td>Bitplane</td>
			<td></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

delivery of antibodies into the brain using focused scanning ultrasound

Bare en liten brøkdel av terapeutiske antistoffer rettet mot hjernesykdommer tas opp av hjernen. Fokusert ultralyd gir en mulighet til å øke opptaket av antistoffer og engasjement gjennom forbigående åpning av blod-hjernebarrieren (BBB). I vårt laboratorium utvikler vi terapeutiske tilnærminger for nevrodegenerative sykdommer der et antistoff i ulike formater leveres over BBB ved hjelp av mikrobobler, samtidig med fokusert ultralydapplikasjon gjennom skallen rettet mot flere flekker, en tilnærming vi refererer til som skanning ultralyd (SUS). De mekaniske effektene av mikrobobler og ultralyd på blodkar øker paracellulær transport over BBB ved å skille tette veikryss og forbedrer vesicle-mediert transcytose, slik at antistoffer og terapeutiske midler effektivt kan krysse. Videre letter ultralyd også opptaket av antistoffer fra den interstitielle hjernen til hjerneceller som nevroner der antistoffet fordeler seg gjennom hele cellekroppen og til og med i neuritiske prosesser. I våre studier fremstilles fluorescerende merkede antistoffer, blandet med interne tilberedte lipidbaserte mikrobobler og injiseres i mus umiddelbart før SUS påføres hjernen. Den økte antistoffkonsentrasjonen i hjernen kvantifiseres deretter. For å gjøre rede for endringer i normal hjerne homeostase, kan mikroglial fagocytose brukes som en cellulær markør. De genererte dataene antyder at ultralydlevering av antistoffer er en attraktiv tilnærming for å behandle nevrodegenerative sykdommer.

Ved hjelp av denne protokollen leveres fluorescerende merkede antistoffer til hjernen og kan påvises, sammen med mikrogliaaktivering. Konklusjonen som kan trekkes er bruk av fokusert ultralyd og mikrobobler forbedrer markert hjerneopptaket av antistoffer og kan levere antistoffer til hele hjernen eller halvkule av en mus når den brukes i skannemodus. Figur 1 viser TIPS ultralydapplikasjonsenheten (forskjellige komponenter merket) som brukes til å åpne BBB. Figur 2</s...

Watch this Scientific Journal Video about Delivery of Antibodies into the Brain Using Focused Scanning Ultrasound at JoVE.com

Delivery of Antibodies into the Brain Using Focused Scanning Ultrasound

Presentert her er en protokoll for å midlertidig åpne blod-hjernebarrieren (BBB) enten brennvidt eller gjennom en musehjerne for å levere fluorescerende merkede antistoffer og aktivere mikroglia. Også presentert er en metode for å oppdage levering av antistoffer og mikroglia aktivering ved histologi.

Levering av antistoffer i hjernen ved hjelp av fokusert skanning ultralyd

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

Research

JoVE Journal

Neuroscience

Ultrasound-Guided Microinjection into the Mouse Forebrain In Utero at E9.5

Ultrasound-Guided Microinjection into the Mouse Forebrain In Utero at E9.5

In utero survival surgery in mice permits the molecular manipulation of gene expression during development.  However, because the uterine wall is opaque ...

Focussed Ion Beam Milling and Scanning Electron Microscopy of Brain Tissue

This protocol describes how biological samples, like brain tissue, can be imaged in three dimensions using the focussed ion beam/scanning electron ...

Efficient Gene Delivery into Multiple CNS Territories Using In Utero Electroporation

Efficient Gene Delivery into Multiple CNS Territories Using In Utero Electroporation

The ability to manipulate gene expression is the cornerstone of modern day experimental embryology, leading to the elucidation of multiple developmental ...

Stereotaxic Infusion of Oligomeric Amyloid-beta into the Mouse Hippocampus

Stereotaksisk Infusjon av Oligomeric amyloid-beta i musen Hippocampus

Alzheimer&#8217;s disease is a neurodegenerative disease affecting the aging population. A key neuropathological feature of the disease is the ...

Analysis of Brain Mitochondria Using Serial Block-Face Scanning Electron Microscopy

Analyse av Brain Mitokondrier Bruke Serial Block-Face Scanning elektronmikroskopi

Human brain is a high energy consuming organ that mainly relies on glucose as a fuel source. Glucose is catabolized by brain mitochondria via glycolysis, ...

Mouse Microsurgery Infusion Technique for Targeted Substance Delivery into the CNS via the Internal Carotid Artery

Mouse Microsurgery Infusion Technique for Targeted Substance Delivery into the CNS via the Internal Carotid Artery

Mus Microsurgery Infusion Teknikk for målrettet Stoff Levering inn i CNS<i&gt; via</i&gt; Arteria carotis interna

Animal models of central nervous system (CNS) diseases and, consequently, blood-brain barrier disruption diseases, require the delivery of exogenous ...

Delivery of Antibodies into the Murine Brain via Convection-enhanced Delivery

Levering av antistoffer inn i murine Brain via konveksjon-forbedret levering

Convection-enhanced delivery (CED) is a neurosurgical technique enabling effective perfusion of large brain volumes using a catheter system. Such an ...

Using Near-infrared Fluorescence and High-resolution Scanning to Measure Protein Expression in the Rodent Brain

Bruke nær-infrarød fluorescens og høyoppløselig skanning å måle protein uttrykk i gnagere Brain

Neuroscience is the study of how cells in the brain mediate various functions. Measuring protein expression in neurons and glia is critical for the study ...

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

En benchtop tilnærming til plasseringen spesifikke blod hjernebarriere åpning ved hjelp av fokusert ultralyd i en rotte modell

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

Intra-Arterial Delivery of Neural Stem Cells to the Rat and Mouse Brain: Application to Cerebral Ischemia

Intraarteriell levering av nevrale stamceller til rotte- og mushjernen: Søknad om cerebral iskemi

Neural stem cell (NSC) therapy is an emerging innovative treatment for stroke, traumatic brain injury and neurodegenerative disorders. As compared to ...