A عالية الإنتاجية صورة موجهة الخلايا العصبية المجسمة ونظام الموجات فوق الصوتية مركزة لفتح حاجز الدم في الدماغ القوارض
يوليو 16, 2020
يمكن تعطيل حاجز الدم في الدماغ (BBB) مؤقتا باستخدام الموجات فوق الصوتية المركزة بوساطة الميكروببل (FUS). هنا، نقوم بوصف بروتوكول خطوة بخطوة لفتح BBB عالي الإنتاجية في الجسم الحي باستخدام نظام FUS نمطي يمكن للخبراء غير الموجات فوق الصوتية الوصول إليه.
الأورام الدبقية عالية الدرجة مثل الورم الدبقي الجسري الجوهري المنتشر هي أورام شديدة التوغل مع معدل وفيات مرتفع. على الرغم من سنوات من البحث المكثف ، فإن الحاجز الدموي الدماغي هو جانب مهم لأن العلاج الكيميائي غير قادر على الوصول إلى الدماغ بشكل فعال. لحسن الحظ ، فإن الموجات فوق الصوتية المركزة قادرة على فتح الحاجز الدموي الدماغي مؤقتا وموضعيا لعلاجات فعالة.
قمنا بتطوير نظام الموجات فوق الصوتية المركزة العصبي الصغير والفعال من حيث التكلفة لاضطراب الحاجز الدموي الدماغي. تم تصميم هذا النظام بمكونات متوفرة تجاريا وبدرجة عالية من الأتمتة ، فإنه يسمح بدراسات تقييم الأدوية قبل السريرية. يعرف الطب الدقيق بأنه الدواء المناسب بالجرعة المناسبة للمريض المناسب في الوقت المناسب.
لتحقيق ذلك ، يجب فحص العديد من الأدوية المختارة مسبقا. يسمح لنا نظام الموجات فوق الصوتية المركزة المدمج عالي الإنتاجية لاضطراب الحاجز الدموي الدماغي بالقيام بذلك. سيظهر الإجراء ريان هومان وإلفين تي هارت ، وهما طالبان دكتوراه من مجموعتي البحثية.
يتضمن سير العمل للموجات فوق الصوتية المركزة للملاحة العصبية التجسيمية الموجهة بالصور التصوير التداخلي والاقتران الصوتي للصوت في منصة الموجات فوق الصوتية. بعد ذلك ، يمكن إجراء تصوير المتابعة. حدد محول طاقة مناسبا بناء على متطلبات التجربة المصممة.
ضعه في مخروط مطبوع ثلاثي الأبعاد مملوء بالماء منزوع الغاز وأغلقه في الأسفل بغشاء مايلر شفاف صوتيا. قم بتوصيل محول الطاقة بمولد وظائف ومضخم طاقة. قم بتركيب محول الطاقة على مرحلة خطية آلية لتحديد المواقع الرأسية التلقائية وتوصيله بمضخم الطاقة.
استخدم منصة تجسيمية قابلة للفصل تتضمن تسخينا منظما لدرجة الحرارة ، وقضبان عضة وأذن ، وتخدير ، وعلامات إيمانية متعددة الوسائط. نعلق المنصة على المرحلة الخطية 2D. قبل استخدام نظام FUS ، قم بمعايره وتحديد نقطة التركيز البؤري لمحول الطاقة.
تتوافق نقطة التركيز مع الوضع الرأسي للحيوان على المنصة التجسيمية. تأقلم مع المنشأة لمدة أسبوع على الأقل بعد وصوله ووزنه بانتظام. في يوم التجربة، يتم تطبيق البوبرينورفين عن طريق الحقن تحت الجلد قبل 30 دقيقة من علاج FUS.
بعد تخدير الماوس ، ضع مرهم العين لمنع جفاف العين. إذا لزم الأمر ، قم بإزالة الشعر الموجود أعلى رأس باستخدام ماكينة حلاقة وكريم مزيل للشعر. اغسل الجلد بالماء لإزالة أي بقايا.
للتجارب على نماذج أورام BLI، قم بحقن 150 ميكرولترا من D-luciferin داخل الصفاق باستخدام حقنة أنسولين قياس 29. لإدارة الفقاعات الدقيقة لفتح BBB ، أدخل قسطرة وريد الذيل قياس 26 إلى 30 وقم بغسل الوريد بحجم صغير من محلول الهيبارين. قم بتأمين القسطرة بشريط منديل لمنع الانفصال.
إذا نجحت القسطرة ، املأ القسطرة بمحلول الهيبارين لتجنب تخثر الدم. ضع على المنصة التجسيمية التي تنظم درجة الحرارة لتجنب انخفاض حرارة الجسم. قم بإصلاح رأس باستخدام قضيب لدغة وقضبان أذن وقم بلصق الذيل والقسطرة على المنصة.
إصلاح جسم الماوس مع حزام. ضع المنصة التجسيمية مع الماوس المركب في طريقة التصوير والتقط صورا للحيوان. حدد ما إذا كان قد تم وضعه بشكل صحيح على المنصة.
حدد موضع باستخدام العلامات الائتمانية متعددة الوسائط جنبا إلى جنب مع خط أنابيب معالجة الصور وفقا لنقطة تركيز محول الطاقة. حدد المنطقة المستهدفة عن طريق وضع مخطط للدماغ فوق صورة الأشعة السينية المكتسبة أو باستخدام صور BLI لتحديد مركز الورم. قبل وضع محول الطاقة ، قم بحماية فتحتي أنف وفم بشريط لاصق لمنع هلام الموجات فوق الصوتية من التدخل في التنفس.
ضع جل الموجات فوق الصوتية فوق رأس الماوس لتوصيل الصوت بشكل صحيح. سجل تجويف الفقاعات الدقيقة باستخدام هيدروفون الإبرة ، والذي يتم وضعه في المنطقة المجاورة مباشرة للعظم القذالي. بناء على قيم المعايرة ، قم بتوجيه محول الطاقة إلى الموضع الصحيح فوق.
قم بتطبيق الإعدادات التي تم تكوينها مسبقا على جميع الأجهزة المتصلة لاستهداف منطقة الدماغ التي تهمك. بعد وضع محول الطاقة في الموضع الصحيح ، قم بإذابة وتنشيط الفقاعات الدقيقة كما هو موضح من قبل الشركة المصنعة. قبل حقن الفقاعات الدقيقة ، اغسل قسطرة وريد الذيل بالمحلول الملحي لتأكيد وصول وريد الذيل.
ابدأ مسار الرنين وحقن الفقاعات الدقيقة في نفس الوقت. في الوقت نفسه ، سيكتشف الهيدروفون الإبرة وتتحقق من تجويف الفقاعات الدقيقة في الوقت الفعلي. إذا رغبت في ذلك ، قم بإعطاء عامل تباين داخل الأوعية الدموية أو دواء بعد التنقيب.
راقب حتى نقطة زمنية محددة مسبقا. قدم الضغط الصوتي بمؤشر ميكانيكي 0.4 بالاشتراك مع الفقاعات الدقيقة وسيلة حساسة وموثوقة للغاية للكشف عن التجويف المستقر مقارنة بعدم الكشف عن التوافقيات الفرعية عند عدم حقن الفقاعات الدقيقة أو ملاحظة التجويف بالقصور الذاتي عند تطبيق MI 0.6. في حين أن الضغط الصوتي مع MI يصل إلى 0.6 لم ينتج عنه أي ضرر عياني ، فقد تم إثبات الضرر المجهري من الناحية النسيجية عند MI 0.6.
أدى سعة الضغط مع MI 0.8 إلى نزيف دماغي عياني للأوعية الكبيرة وتحليق الأنسجة على نطاق واسع مع تسرب كريات الدم الحمراء. تم حقن إيفانز الأزرق عن طريق الوريد للتحقق من صحة فتح BBB في منطقة الجسر. لوحظ تسرب الألبومين المترافق الأزرق إيفانز على مستوى الجسر والمخيخ في الفأر المعالج ب FUS والفقاعات الدقيقة مما يدل على استهداف دقيق لمنطقة الاهتمام.
تتمثل أهم خطوات هذا البروتوكول في الوضع الصحيح لقسطرة وريد الذيل ، وتحديد موضع واستهدافه ، وحقن الفقاعات الدقيقة بالموجات فوق الصوتية المركزة مع اكتشاف التجويف. يمكن تكييف نظام الموجات فوق الصوتية المركز هذا وإعادة تصميمه لأسئلة بحثية متعددة ، مع كونه فعالا من حيث التكلفة وله سير عمل آلي ، مما يجعله مناسبا للباحثين عديمي الخبرة نسبيا.
اعرض النص الكامل واحصل على الوصول إلى آلاف الفيديوهات العلمية
نظرة عامة
تقدم هذه الدراسة بروتوكولاً عالي الإنتاجية للتعطيل المؤقت للحاجز الدموي الدماغي (BBB) باستخدام نظام الموجات فوق الصوتية المركزة (FUS) النمطي. ومن خلال الاستفادة من التثقيب الصوتي بوساطة الفقاعات الدقيقة، تسهل هذه التقنية التوصيل الفعال للعلاجات المخصصة لحالات مثل الأورام الدبقية التي يعيقها الحاجز الدموي الدماغي. وقد صُممت هذه المنهجية لتكون سهلة الوصول، مما يسمح لغير الخبراء بتنفيذ عملية فتح الحاجز الدموي الدماغي في الجسم الحي (in vivo).
المكونات الرئيسية للدراسة
مجال العلم
- علوم الأعصاب
- الهندسة الطبية الحيوية
- إيصال العلاج
خلفية علمية
- تعد الأورام الدبقية عالية الدرجة أوراماً شديدة الغزو مع خيارات علاجية محدودة بسبب الحاجز الدموي الدماغي (BBB).
- برزت الموجات فوق الصوتية المركزة كوسيلة واعدة لتعطيل الحاجز الدموي الدماغي (BBB).
- هناك حاجة إلى أجهزة فعالة من حيث التكلفة ويمكن تشغيلها بسهولة من قبل غير الخبراء.
- يهدف البروتوكول الموضح هنا إلى تعزيز دراسات تقييم الأدوية في المرحلة قبل السريرية.
الغرض من الدراسة
- تطوير نظام للموجات فوق الصوتية المركزة (FUS) عالي الإنتاجية لتعطيل الحاجز الدموي الدماغي (BBB).
- تسهيل فحص عقاقير مختارة مسبقاً لتطبيقات الطب الدقيق.
- توضيح الإجراء بفعالية باستخدام نظام مؤتمت.
الطرق المستخدمة
- استُخدم نظام الموجات فوق الصوتية المركزة النموذجي في التجارب الحيوية.
- اعتُمِدت نماذج الفئران لدراسة اختراق الحاجز الدموي الدماغي (BBB) وإيصال العوامل العلاجية.
- تتضمن العملية التصوير التداخلي والاقتران الصوتي من أجل التثقيب الصوتي.
- تشمل الخطوات الحرجة تأقلم الحيوانات، وإعطاء التخدير، والقسطرة، والوضع الدقيق لمحول الطاقة الخاص بالموجات فوق الصوتية.
النتائج الرئيسية
- أثبت الإجراء بشكل موثوق القدرة على تعزيز إيصال الدواء عبر الحاجز الدموي الدماغي (BBB).
- كان الكشف عن تكهف الفقاعات الدقيقة أساسياً لمراقبة فعالية العلاج.
- أكدت النتائج الكمية التحديد الدقيق لموقع اختراق الحاجز الدموي الدماغي (BBB).
- تم قياس التأثيرات الجهازية بعد تطبيق الموجات فوق الصوتية، مما أظهر السلامة والفعالية.
الاستنتاجات
- تضع هذه الدراسة منهجية عملية وفعالة لتعطيل الحاجز الدموي الدماغي (BBB)، مما يسمح بتعزيز التدخلات العلاجية.
- يوفر نظام الموجات فوق الصوتية المركزة (FUS) القابل للتعديل أساساً لمزيد من الأبحاث في مجال إيصال الأدوية وعلاج أمراض الجهاز العصبي المركزي (CNS).
- يمكن للرؤى المكتسبة أن تعزز فهم الطب الدقيق والاستهداف العلاجي في الحالات العصبية.
الأسئلة الشائعة
الأهمية التنفيذية في الصناعة
يتيح نظام الموجات فوق الصوتية المركزة عالي الإنتاجية هذا فتح حاجز الدم الدماغي بدقة وقابلية للتكرار في نماذج القوارض، مما يدعم بشكل مباشر التقييم قبل السريري للأدوية الخاصة بعلاجات الجهاز العصبي المركزي. ومن خلال دمج الملاحة التجسيمية الموجهة بالصور مع المراقبة الآلية للتكهف، يقلل النظام من التباين ويعزز موثوقية البيانات في حملات الفحص ذات الحجم الكبير. كما يسهل تصميمه المعياري وفعاليته من حيث التكلفة إمكانية التطبيق القابل للتوسع عبر تدفقات عمل الاكتشاف التي تستهدف الورم الدبقي وأمراض الدماغ الأخرى.
التطبيقات الاستراتيجية في البحث والتطوير في مجال الأدوية الحيوية
الاكتشاف المبكر والتحقق من الهدف
- القيمة العلمية: تتيح استجواب الآليات الخاصة بنفاذية الحاجز الدموي الدماغي للتحقق من صحة الأهداف في نماذج الورم الدبقي.
- القيمة التشغيلية: تدعم سير عمل معياري ومؤتمت يقلل من التباين داخل المجموعة الواحدة ويحسن قابلية التكرار في دراسات ارتباط الهدف.
الفحص وتطوير المقايسة
- القيمة العلمية: يوفر كشفاً كمياً للتكهف في الوقت الفعلي كعلامة بيولوجية على النجاح في فتح الحاجز الدموي الدماغي.
- القيمة التشغيلية: يتيح الفحص عالي الإنتاجية لمركبات دوائية مختارة مسبقاً من خلال التموضع الآلي للمحول وتوصيل الفقاعات الدقيقة.
الأبحاث الترجمية وما قبل السريرية
- القيمة العلمية: تم التحقق من الفعالية في نماذج طعوم غريبة مشتقة من المرضى لورم الأرومة الدبقية والورم الدبقي المتوسط المنتشر، مما يضمن نمذجة قبل سريرية ذات صلة بالمرض.
- القيمة التشغيلية: تسهل اتخاذ قرارات التقدم المعدلة حسب المخاطر من خلال تأكيد التوصيل الدقيق والموضعي للدواء عبر الحاجز الدموي الدماغي.
تكامل مسارات العمل وسير العمل
يتكامل هذا النظام ضمن سلسلة عمليات الاكتشاف، بدءاً من التحقق من الهدف وصولاً إلى تحديد المركبات الرائدة، مما يتيح إحداث اختراق موجه بالصور وقابل للتكرار للحاجز الدموي الدماغي من أجل الفحص العلاجي.
- بيولوجيا الاكتشاف: تدعم اختبار الفرضيات المتعلقة بتعديل الحاجز الدموي الدماغي في نماذج الورم الأرومي الدبقي من خلال الاستهداف الإحداثي الدقيق.
- الفحص المسحي: توفر الجاهزية لإجراء المقايسات عبر سير عمل مؤتمت، وحقن معياري للفقاعات الدقيقة، ومراقبة التجويف في الوقت الفعلي لتقييم المركبات.
- التحليلات: تُنتج مخرجات كمية تشمل إشارات التجويف، ونضح صبغة Evans blue، والتأكيد النسيجي لفتح الحاجز.
- البحث الانتقالي: تربط بين الاستمرارية قبل السريرية من خلال التحقق في نماذج الورم الأرومي الدبقي المشتقة من المرضى، مما يدعم التقييم العلاجي المتوافق مع المؤشرات الحيوية.
- إعادة الاستخدام المؤسسي: صُممت من مكونات متاحة تجارياً بتصميم معياري، مما يتيح تكييفها مع أسئلة بحثية متعددة والاستخدام المتكرر في مسارات الاكتشاف.
التأثير التشغيلي والمؤسسي
- القيمة العلمية: تعزز الثقة التنبؤية في بيانات اختراق الحاجز الدموي الدماغي، مما يقلل من الغموض الميكانيكي في إيصال الأدوية إلى الجهاز العصبي المركزي.
- القيمة التشغيلية: تحقق التوحيد القياسي، وقابلية التكرار، وقابلية التوسع من خلال الأتمتة والاستهداف الموجه بالصور.
- القيمة الاستراتيجية: تحسن قرارات المضي قدماً أو التوقف عن المشروع من خلال توفير بيانات كمية موثوقة حول فتح الحاجز الدموي الدماغي، مما يقلل من المخاطر البيولوجية في المراحل المتأخرة.
- التأثير على محفظة المشاريع: تتيح ترتيب أولويات المرشحين من أدوية الجهاز العصبي المركزي بناءً على تقييم المخاطر، وذلك استناداً إلى تعطل الحاجز الموضعي المؤكد وإيصال الدواء.
اعتبارات التنفيذ
- يتطلب خبرة في الجراحة التجسيمية، وفيزياء الموجات فوق الصوتية، والتعامل مع الفقاعات الدقيقة.
- يستلزم توفر أجهزة تشمل مولد دالات، ومضخم قدرة، ومنصة خطية آلية، ومجس مائي إبري، ووسائل تصوير (الأشعة السينية، والتألق الحيوي).
- يتطلب توحيد المعايير بين الفرق في إجراءات تحضير الحيوانات، والقسطرة، ومعايرة المحولات.
- يتضمن اعتبارات التكيف مع ترددات المحولات المختلفة، وإحداثيات الاستهداف، وأنظمة النماذج (مثل الجرذ مقابل الفأر).
- تشمل القيود العملية الحاجة إلى مهارة جراحية في قسطرة وريد الذيل، والتباين المحتمل في سمك الجمجمة الذي يؤثر على انتقال الموجات فوق الصوتية.
