Name: delivery of antibodies into the brain using focused scanning ultrasound
Uploaded: 2020-07-18T14:00:00
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Reconhecemos o apoio do Dr. Clem Jones AO, do Conselho Nacional de Saúde e Pesquisa Médica da Austrália [GNT1145580, GNT1176326], da Fundação metal, e do Governo do Estado de Queensland (DSITI, Departamento de Ciência, Tecnologia da Informação e Inovação).

Todos os experimentos em animais foram aprovados pelo comitê de ética animal da Universidade de Queensland.
1. Preparação interna de microbolhas
<ol><li>Pese uma razão molar de 9:1 de 1,2-distearoyl-sn-glycero-3-fosfocholina e 1,2-distearoyl-sn-gliceo-3-phosphoethanolamine-N-[amino (polietilenoglicol)-2000] (sal de amônio). 0,5 mg de mistura lipídica é necessário por 1 mL de solução de microbolhas. Alternativamente, os lipídios já podem ser comprados em clorofórmio, se o uso de...

<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>

Anticorpos fluorescentes podem ser entregues ao cérebro usando ultrassom focado juntamente com microbolhas aplicadas em um modo de varredura. O parto de anticorpos, a morfologia microglial e o alargamento liossômico podem ser detectados por microscopia de fluorescência após o ultrassom de varredura. Microglia pode entrar em seus anticorpos e antígenos lysossomes que os anticorpos têm vinculado em um processo mediado por receptores fc4.
Há uma série de etapas cr?...

O ultrassom terapêutico é uma tecnologia emergente voltada para o tratamento de doenças cerebrais de forma não invasiva, em parte facilitando o acesso de agentes terapêuticos ao cérebro1,2,3. Como apenas uma pequena fração de anticorpos terapêuticos voltados para doenças cerebrais são absorvidos e retidos no cérebro4, o ultrassom terapêutico oferece a possibilidade de aumentar sua absorção e engajamento direcionado5,6.
Em nosso laboratório, estamos desenvolvendo abordagens terapêuticas para doenças neurodegenerativas nas quais um anticorpo em vários formatos é entregue através da barreira hematoencefálica (BBB) usando microbolhas. Para isso, o ultrassom é aplicado através do crânio no cérebro em vários pontos usando um modo de varredura que chamamos de ultrassom de varredura (SUS)7. A interação mecânica entre a energia do ultrassom, os microbolhas injetadas por via intravenosa e a vasculatura cerebral separa transitoriamente as junções apertadas do BBB em um determinado volume de sônica, permitindo anticorpos e outras cargas, incluindo agentes terapêuticos para efetivamente atravessar essa barreira7,8,9 . Além disso, o ultrassom tem sido mostrado para facilitar a absorção de anticorpos do cérebro intersticicial em células cerebrais, como neurônios, onde o anticorpo se distribui por todo o corpo celular e até mesmo em processos neuróticos5,10.
A doença de Alzheimer é caracterizada por uma patologia amilóide-β e tau11, e uma série de modelos animais está disponível para dissecar mecanismos patogênicos e validar estratégias terapêuticas. Uma abordagem do SUS, pela qual o ultrassom é aplicado em um padrão sequencial em todo o cérebro, quando repetida em várias sessões de tratamento, pode reduzir a patologia da placa amiloide no cérebro de camundongos mutantes de proteína precursora amilóide-β (APP) e ativar microglia que toma o amiloide, levando à melhoria na função cognitiva7. A abertura do BBB com ultrassom e microbolhas também reduz a patologia tau em pR5, K3 e rTg4510 tau transgênicos camundongos5,12,13. É importante ressaltar que, enquanto a microglia remove depósitos de proteína extracelular, um dos mecanismos de liberação subjacentes às patologias intraneuronas induzidas pelo SUS é a ativação da autofagia neuronal12.
Aqui, delineamos um processo experimental, pelo qual anticorpos fluorescentes rotulados são preparados, e depois misturados com microbolhas à base de lipídios interna, seguidos de injeção retroorbital em camundongos anestesiados. A injeção retroorbital é uma alternativa à injeção da veia da cauda que descobrimos ser igualmente eficaz e simples de realizar repetidamente. Isso é imediatamente seguido pela aplicação do SUS no cérebro. Para determinar a absorção de anticorpos terapêuticos, os camundongos são sacrificados e o aumento da concentração de anticorpos no cérebro é então quantificado. Como proxy da mudança na homeostase cerebral, a atividade fagocítica microglial é determinada pela histologia e reconstrução volumosa 3D.
Os dados gerados sugerem que a entrega de ultrassom de anticorpos é uma abordagem potencialmente atraente para tratar doenças neurodegenerativas. O protocolo pode ser aplicado da mesma forma a outros candidatos a medicamentos, bem como a cargas modelo, como dextrans fluorescentemente rotulados de tamanhos definidos14.

<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

Apenas uma pequena fração de anticorpos terapêuticos voltados para doenças cerebrais são tomados pelo cérebro. O ultrassom focado oferece a possibilidade de aumentar a absorção de anticorpos e o engajamento através da abertura transitória da barreira hematoencefálica (BBB). Em nosso laboratório, estamos desenvolvendo abordagens terapêuticas para doenças neurodegenerativas em que um anticorpo em diversos formatos é entregue em todo o BBB utilizando microbolhas, concomitante com aplicação de ultrassom focalizada através do crânio visando múltiplas manchas, uma abordagem que chamamos de ultrassom de varredura (SUS). Os efeitos mecânicos de microbolhas e ultrassom nos vasos sanguíneos aumentam o transporte paracelular através do BBB, separando transitoriamente junções apertadas e aumentando a transcitose mediada por vesículas, permitindo que anticorpos e agentes terapêuticos cruzem efetivamente. Além disso, o ultrassom também facilita a absorção de anticorpos do cérebro intersticicial em células cerebrais, como neurônios onde o anticorpo se distribui por todo o corpo celular e até mesmo em processos neuróticos. Em nossos estudos, anticorpos fluorescentes rotulados são preparados, misturados com microbolhas baseadas em lipídios preparados internamente e injetados em camundongos imediatamente antes de o SUS ser aplicado ao cérebro. O aumento da concentração de anticorpos no cérebro é então quantificado. Para explicar alterações na homeostase cerebral normal, a fagocitose microglial pode ser usada como marcador celular. Os dados gerados sugerem que o fornecimento de ultrassom de anticorpos é uma abordagem atraente para tratar doenças neurodegenerativas.

Usando este protocolo, anticorpos rotulados fluorescentemente são entregues ao cérebro e podem ser detectados, juntamente com a ativação de microglia. A conclusão que pode ser traçada é o uso de ultrassom focado e microbolhas marcadamente melhora a absorção cerebral de anticorpos e pode entregar anticorpos para todo o cérebro ou hemisfério de um rato quando usado em um modo de varredura. A Figura 1 mostra o dispositivo de aplicação de ultrassom TIPS (diferentes componentes rotul...

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Delivery of Antibodies into the Brain Using Focused Scanning Ultrasound

Apresentado aqui é um protocolo para abrir transitoriamente a barreira hematoencefálica (BBB) focalmente ou em todo o cérebro do rato para fornecer anticorpos fluorescentes e ativar microglia. Também é apresentado um método para detectar a entrega de anticorpos e ativação de microglia por histologia.

Entrega de anticorpos no cérebro usando ultrassom de varredura focalizado

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

Ultra-som guiada microinjeção em parte frontal do cérebro do rato In Utero Em E9.5

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

Neurociência

Focussed Ion Beam Milling and Scanning Electron Microscopy of Brain Tissue

Ion Beam centrada Fresagem e Microscopia Eletrônica de Varredura do Tecido Cerebral

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

Entrega Gene eficiente em múltiplos territórios CNS Usando In Utero Eletroporação

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

Infusão estereotáxica de oligomica beta-amilóide no ratinho 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

Análise do Cérebro mitocôndrias Usando Serial Block-cara Scanning Electron Microscopy

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

Técnica do mouse Microcirurgia de infusão para distribuição de substâncias alvejado no SNC<i&gt; via</i&gt; Artéria carótida 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

Entrega de anticorpos para o cérebro murino via convecção-fornecimento aprimorado

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

Usando a fluorescência near-infrared e a exploração de alta resolução para medir a expressão da proteína no cérebro do roedor

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

Uma abordagem benchtop para a abertura da barreira cerebral de sangue específica do local usando ultrassom focado em um modelo de rato

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

Entrega intra-arterial de células-tronco neurais ao cérebro de ratos e ratos: aplicação à isquemia cerebral

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