Ultrasonido focalizado transcraneal

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 13500 (2023) Citar este artículo

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El acoplamiento acústico a través de los pelos sigue siendo un desafío para realizar procedimientos de ultrasonido enfocados transcranealmente. Aquí, demostramos que este desafío podría abordarse utilizando aceite como medio de acoplamiento, aprovechando la alta afinidad del aceite por los pelos debido a su hidrofobicidad inherente. Comparamos los resultados de la apertura de la barrera hematoencefálica inducida por ultrasonido enfocado (FUS-BBBO) en ratones bajo tres condiciones de acoplamiento: aceite con pelos (“aceite + pelos”), gel de ultrasonido con afeitado del cabello (“gel de ultrasonido + sin pelo”), y gel de ultrasonido con pelos (“gel de ultrasonido + pelos”). La calidad del acoplamiento se evaluó mediante imágenes de resonancia magnética (MRI) ponderadas \({\mathrm{T}}_{2}\) y detección de cavitación pasiva (PCD). El resultado de FUS-BBBO se evaluó mediante la extravasación de agente de contraste para resonancia magnética utilizando resonancia magnética potenciada con contraste ponderada \({\mathrm{T}}_{1}\) in vivo. También se evaluó mediante imágenes de fluorescencia ex vivo del cerebro de ratón después de la inyección intravenosa de un fármaco modelo, el azul de Evans. Los resultados mostraron que “aceite + pelos” lograron consistentemente un acoplamiento acústico de alta calidad sin atrapar burbujas de aire. El resultado de FUS-BBBO no fue significativamente diferente entre los grupos "aceite + pelos" y "gel de ultrasonido + sin pelo". Estos dos grupos tenían niveles significativamente más altos de apertura BHE que el grupo "gel de ultrasonido + pelos". Este estudio demostró que el aceite podría ser un medio de acoplamiento para procedimientos FUS transcraneales sin afeitar el vello.

La reciente aprobación por parte de la Administración de Alimentos y Medicamentos de los Estados Unidos de la técnica de ultrasonido focalizado transcraneal (tFUS) para el tratamiento de ablación térmica de los temblores esenciales marcó el comienzo de una nueva era para las neurointervenciones sin incisiones1. tFUS proporciona una plataforma tecnológica con posibles aplicaciones clínicas más allá de la ablación térmica2. Una aplicación prometedora en la administración de fármacos al cerebro es el uso de tFUS de baja intensidad combinado con microburbujas para la apertura de la barrera hematoencefálica (FUS-BBBO)3. La viabilidad y seguridad de la técnica FUS-BBBO se han demostrado en pacientes con diversas enfermedades cerebrales, incluidos glioma, esclerosis lateral amiotrófica (ELA), enfermedad de Alzheimer y enfermedad de Parkinson4,5,6,7. A pesar de la gran promesa de tFUS, la mayoría de las aplicaciones reportadas, excepto la neuromodulación por ultrasonido8,9, requieren el afeitado del cabello para lograr una entrega eficiente y consistente de energía de ultrasonido al cerebro4,5,10,11. El afeitado del cabello causa importantes impactos psicológicos en los pacientes, incluida la disminución de la autoestima, la inseguridad y la angustia, especialmente en las pacientes femeninas12. Esto puede conducir a una menor disposición de las pacientes a participar en estudios tFUS13. El impacto psicológico de la eliminación del vello podría disminuir la atracción de tFUS para pacientes y médicos y limitar el alcance de futuros estudios clínicos de tFUS.

Sólo se ha realizado un trabajo limitado para investigar el efecto de los pelos en la transmisión de ultrasonidos, y todos los estudios informados se realizaron ex vivo utilizando muestras de cráneos humanos. Raymond y cols. demostraron que los pelos completamente desgasificados en un tanque de agua solo causaban una pérdida <10 % de la potencia de ultrasonido transmitida y una distorsión mínima en la forma del haz para frecuencias inferiores a 1 MHz13. Eames y cols. demostraron que los pelos completamente desgasificados en un tanque de agua casi no causaron ninguna disminución en la eficiencia del calentamiento transcraneal cuando se operó a 220 kHz y una deducción del 17% a 710 kHz, lo que indica que la pérdida térmica inducida por los pelos desgasificados fue mínima14. Estos dos estudios sugirieron que el tratamiento con tFUS podría realizarse sin afeitarse si el cabello estuviera completamente desgasificado. Como resultado, los procedimientos tFUS existentes a menudo requieren afeitar el vello y luego aplicar gel de ultrasonido para lograr un acoplamiento acústico suficiente. Vale la pena señalar que actualmente se llevan a cabo varios ensayos clínicos de FUS-BBBO utilizando un sistema FUS guiado por resonancia magnética, ExAblate Neuro (Insightec, Dallas, TX) sin afeitar el cabello. En cambio, los pelos se cortan y se desgasifican en un transductor FUS con forma de casco acoplado a una vejiga de agua. Sin embargo, esto requiere un transductor FUS especialmente diseñado con una unidad de desgasificación, que no está disponible en otros dispositivos tFUS. Además, cuando se terminó este manuscrito, no se habían publicado datos sobre este método de acoplamiento acústico.

El gel de ultrasonido es un líquido a base de agua con alta viscosidad. El gel de ultrasonido tiene un coeficiente de transmisión acústica superior y un coeficiente de reflexión más bajo en comparación con otros materiales de acoplamiento, como el aceite mineral, y se ha utilizado ampliamente como capa de acoplamiento entre el cuero cabelludo y el transductor FUS15. Sin embargo, las burbujas de aire pueden quedar atrapadas fácilmente en la superficie del cabello. Estas burbujas de aire dispersan y reflejan el ultrasonido transmitido, disminuyendo significativamente la presión ultrasónica intracraneal y distorsionando la distribución de la presión en el objetivo. Estas burbujas de aire también distorsionan las señales de cavitación de microburbujas emitidas desde el cerebro e impiden una monitorización efectiva de la cavitación pasiva transcraneal. Se necesita un mejor medio de acoplamiento para minimizar el atrapamiento de burbujas de aire en la superficie del cabello y evitar afeitar el cabello.

El cabello está naturalmente cubierto de sebo, que consiste principalmente en lípidos y cera producidos por las glándulas del cuero cabelludo16. Esta capa de lípidos contribuye a la naturaleza hidrofóbica de la superficie del cabello. Cuando la superficie hidrofóbica del cabello entra en contacto con el agua, se puede formar una capa de agotamiento entre las moléculas de agua y la superficie del cabello17, permitiendo que residan burbujas de aire. El aceite, como líquido hidrófobo, tiene una mayor afinidad por las superficies del cabello que el agua, lo que tiene el potencial de proporcionar un acoplamiento acústico en presencia de pelos. El aceite mineral se ha utilizado anteriormente como medio de acoplamiento acústico para aplicaciones terapéuticas de ultrasonido18,19, pero no se ha utilizado para el acoplamiento a través del cabello.

Este estudio tuvo como objetivo evaluar la eficacia del aceite como medio de acoplamiento para el tratamiento tFUS sin afeitar el vello. Para lograr este objetivo, comparamos los resultados de FUS-BBBO en ratones bajo tres condiciones de acoplamiento: (1) aceite con pelos y sin gel de ultrasonido (“aceite + pelos”), (2) gel de ultrasonido con afeitado de cabello (“gel de ultrasonido + sin pelos”), y (3) gel de ultrasonido con pelos (“gel de ultrasonido + pelos”). “Aceite + pelos” se realizó aplicando aceite seguido de gel de ultrasonido. Se realizó “gel ultrasónico + sin pelo” siguiendo el procedimiento establecido, de ahí el grupo de control positivo, que consiste en afeitar los pelos y aplicar el ultrasonido14. Agregamos el tercer grupo como grupo de control negativo, con condiciones equivalentes a las de "aceite + pelos", para comparar directamente las soluciones de acoplamiento a base de agua y aceite en presencia de pelos. Se aplicó agua desgasificada a los pelos, seguido de la aplicación del gel de ultrasonido. La calidad del acoplamiento acústico y el resultado FUS-BBBO se compararon entre estos tres grupos.

Todos los procedimientos con animales fueron revisados y aprobados por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales de la Universidad de Washington en St. Louis de acuerdo con las Directrices de los Institutos Nacionales de Salud para la investigación con animales. Este estudio se informa de acuerdo con las pautas de ARRIVE. Se utilizaron un total de 15 ratones (suizos, de 6 a 8 semanas de edad, hembras, Charles River Laboratory, Wilmington, MA). Estos ratones se dividieron aleatoriamente en tres grupos para comparar el resultado de FUS-BBBO en las tres condiciones de acoplamiento: "aceite + pelos" (n = 5), "gel de ultrasonido + sin pelo" (n = 5) y "gel de ultrasonido" + pelos” (n = 5).

Se utilizó un sistema FUS guiado por RM (Image Guided Therapy, Pessac, Francia) para realizar el procedimiento FUS-BBBO en ratones. En la Fig. 1A se muestra un diagrama esquemático del sistema experimental. Este sistema se utilizó en nuestros estudios previos FUS-BBBO guiados por RM10,20. El sistema constaba de un transductor FUS compatible con resonancia magnética (Imasonic, Voray-sur-l'Ognon, Francia) formado por una matriz anular de siete elementos con una frecuencia central de 1,5 MHz, una apertura de 25 mm y un radio de curvatura. de 20 milímetros. El sistema se integró en un escáner de resonancia magnética para animales pequeños de 9,4 T (Bruker, Billerica, MA, EE. UU.). El transductor se conectó a un motor piezoeléctrico compatible con MRI, lo que permitió ajustar mecánicamente la posición del transductor en las direcciones laterales (a lo largo de los ejes x e y, Fig. 1A). Los anchos completos axial y lateral en la mitad del máximo del transductor FUS fueron de 5,5 mm y 1,2 mm, respectivamente. La presión acústica informada en este estudio se corrigió para una pérdida de inserción del cráneo del ratón del 18 %10,20. Un sensor de detección pasiva de cavitación (PCD) integrado en el centro del transductor FUS tenía una frecuencia central de 1,6 MHz y un ancho de banda de -6 dB de 754 kHz. Las señales detectadas con el sensor PCD se adquirieron a través del PicoScope (5244B, Pico Technology, Cambridgeshire, Reino Unido) para monitorear los eventos de cavitación. El conjunto de transductores (transductor FUS y PCD) se conectó a un globo de agua lleno de agua desionizada y desgasificada.

Configuración experimental FUS-BBBO en ratones. (A) La configuración experimental consistió en un escáner de resonancia magnética para animales pequeños de 9,4 T y un sistema FUS comercial. (B) Se utilizaron diferentes métodos de acoplamiento para cada grupo de ratones: "aceite + pelos", "gel de ultrasonido + sin pelo" y "gel de ultrasonido + pelos".

El globo de agua del transductor se acopló a la cabeza del ratón utilizando diferentes métodos de acoplamiento, como se muestra en las figuras 1A y B.

Para el grupo “aceite + pelos”, primero se vertió aceite mineral (Walgreen Company, Deerfield, IL) en un recipiente de papel para pesar y se esperó durante al menos 5 minutos para permitir que las burbujas atrapadas, si las hubiera, flotaran y se disiparan del recipiente. aceite. Luego se cargó una porción del aceite mineral en una jeringa. El resto se utilizó para remojar los bastones de algodón. Luego se aplicaron gotas de aceite sobre la cabeza del ratón con una jeringa, y el aceite se extendió suavemente y se cepilló con hisopos de algodón bañados en aceite. Luego, se agregaron de 1 a 2 ml de aceite sobre los pelos con una jeringa. Luego se ajustó la altura del transductor FUS de modo que la membrana del transductor estuviera en contacto con el aceite.

Para el grupo "gel de ultrasonido + sin pelo", se eliminaron los pelos con Nair (Church & Dwight Co., Princeton, Nueva Jersey, EE. UU.) y se limpió minuciosamente el cuero cabelludo con gasas con alcohol. Posteriormente, se aplicó un gel de ultrasonido desgasificado (Aquasonic, Parker Laboratories, Inc., Fairfield, Nueva Jersey, EE. UU.) y se colocó el transductor FUS para acoplarlo con el gel de ultrasonido.

Para el grupo "gel de ultrasonido + pelos", los pelos se limpiaron primero a fondo con toallitas con alcohol. Se añadió agua desgasificada a los pelos y se aplicó gel de ultrasonido a los pelos mojados. Luego se acopló el transductor FUS con el gel de ultrasonido.

Después de completar el acoplamiento acústico, se realizaron exploraciones de resonancia magnética ponderada en T2 (TR/TE: 2200/35; grosor del corte: 0,5 mm; resolución en el plano: 0,125 mm; tamaño de la matriz: 256 × 256) para adquirir la ubicación relativa de el transductor FUS al cerebro. Se eligió el cuerpo estriado izquierdo como ubicación cerebral objetivo (FUS +) y el lado contralateral como control no sonicado (FUS-). Se encendió el conjunto de transductores (transductor FUS y PCD) y durante la sonicación mediante cada pulso FUS, el PCD registró la emisión acústica de las microburbujas. Los parámetros acústicos se mantuvieron iguales en los tres grupos (presión negativa máxima in situ de 0,6 MPa, frecuencia de repetición de pulso de 5 Hz, 10.000 ciclos, ciclo de trabajo del 3,3 % y duración de la sonicación de 3 minutos). Treinta segundos después del inicio de la sonicación FUS, se administraron por vía intravenosa microburbujas comerciales (Definity, Lantheus Medical Imaging, North Billerica, MA, EE. UU.) a una concentración de \(8\times {10}^{8}\) burbujas/ml y un volumen total de 30 l, seguido de un lavado con solución salina. Inmediatamente después del tratamiento con FUS, se administró por vía intravenosa azul de Evans al 4% como fármaco modelo.

De manera similar a nuestra publicación anterior10, se escribió un script MATLAB personalizado para procesar los datos de PCD adquiridos para la evaluación de dosis de cavitación estable. Brevemente, los datos de PCD de referencia se adquirieron durante los 30 segundos iniciales de sonicación antes de la inyección de microburbujas. Después de inyectar las microburbujas, se adquirieron datos de PCD hasta que finalizó la sonicación. La dosis de cavitación estable se calculó con los siguientes pasos: (1) La media del nivel de cavitación estable (SC) previo a la inyección de microburbujas se calculó promediando los niveles de SC observados antes de la inyección de microburbujas. El nivel de SC se evaluó en el dominio de la frecuencia sumando la amplitud en el segundo armónico (3,0 MHz) dentro de un ancho de banda de ± 0,02 MHz. (2) El nivel de SC posterior a la inyección de microburbujas se determinó restando la media del nivel de SC previo a la microburbuja del nivel de SC calculado en cada momento. (3) Luego se cuantificó la dosis de cavitación estable sumando los niveles de SC entre el tiempo posterior a la inyección de microburbujas y el final de la sonicación. Estos pasos aseguraron la consideración de las variaciones en el nivel basal de SC para ratones individuales.

Se realizó una resonancia magnética ponderada en T2 (TR/TE, 4228/35; grosor del corte: 0,5 mm; resolución en el plano: 0,125 mm; tamaño de la matriz: 256 × 256) en la parte superior de la cabeza del ratón para evaluar la calidad de la imagen. acoplamiento acústico. Como evaluación cuantitativa, calculamos el número de burbujas de aire atrapadas en el medio de acoplamiento dentro de una región de interés (ROI) en la interfaz entre el medio de acoplamiento y el pelo/piel de los ratones. El tamaño del ROI (40 × 24 píxeles, ancho de píxel de 0,125 mm) se mantuvo constante en todos los objetos. La ubicación del ROI se fijó en la porción posterior de la región de interfaz del medio de acoplamiento piel/cabello, que apareció como el área gris en las imágenes de resonancia magnética ponderadas en T2. Luego, las burbujas de aire dentro de la ROI se extrajeron mediante posprocesamiento utilizando ImageJ21.

El resultado de FUS-BBBO se evaluó in vivo mediante resonancia magnética ponderada en T1 con contraste y ex vivo mediante imágenes de fluorescencia de cortes de cerebro.

In vivo, se realizó una resonancia magnética ponderada en T1 con contraste (TR/TE: 20/5; grosor del corte: 0,13 mm; resolución en el plano: 0,13 mm; tamaño de la matriz: 120 × 240; ángulo de giro: 20°) para evaluar el resultado de FUS-BBBO basándose en la extravasación del agente de contraste para resonancia magnética gadobenato de dimeglumina (Gd-BOPTA; MultiHance, Bracco Diagnostics Inc., Monrow Township, Nueva Jersey) de la circulación sanguínea al tejido cerebral. El volumen BBBO se calculó comparando el volumen con contraste en las imágenes ponderadas en T1 en los lados FUS + y FUS- utilizando un script MATLAB personalizado informado en nuestras publicaciones anteriores10,20,22. Brevemente, el volumen mejorado con contraste para cada ratón se calculó mediante la suma de vóxeles en el lado FUS + con una intensidad superior a la media más tres veces la desviación estándar del lado FUS- para cada corte de exploración individual.

Todos los ratones se sacrificaron bajo anestesia con isoflurano vaporizado aproximadamente 30 minutos después de la sonicación con FUS mediante perfusión transcardial con 30 ml 1 x PBS durante 5 minutos. Los cerebros se recogieron y se fijaron en paraformaldehído al 4% durante al menos 24 h. Luego, los cerebros se cortaron transversalmente en rodajas de 1 mm usando una matriz cerebral (RBM-4000C, ASI Instruments Inc., MI, EE. UU.) y se tomaron imágenes usando el Pearl Trilogy Image System (LI-COR, Lincoln, NE, EE. UU.). El resultado de la entrega de azul de Evans se cuantificó utilizando el software integrado del sistema (Image Studio Lite, LI-COR, Lincoln, NE, EE. UU.). La intensidad de fluorescencia dentro del lado FUS + se sumó y normalizó mediante la suma de la intensidad de fluorescencia del lado contralateral del cuerpo estriado para cada corte de cerebro individual.

Los análisis estadísticos se realizaron utilizando GraphPad Prism (Versión 9.0, La Jolla, CA, EE. UU.). Las diferencias entre múltiples grupos se determinaron mediante ANOVA unidireccional ordinario con comparaciones grupales. Se utilizó un valor de p <0,05 para determinar la significación estadística.

La resonancia magnética ponderada \({\mathrm{T}}_{2}\) mostró que “aceite + pelos” y “gel de ultrasonido + sin pelo” lograron un acoplamiento sin burbujas similar, mientras que el grupo “gel de ultrasonido + pelos” tuvo burbujas atrapadas en el medio de acoplamiento (Fig. 2). La cuantificación del número de burbujas dentro del ROI seleccionado encontró que había significativamente más burbujas en el medio de acoplamiento acústico en el grupo "gel de ultrasonido + pelos" en comparación con los grupos "aceite + pelos" y "gel de ultrasonido + sin pelo" (p = 0,0022 y 0,0028, respectivamente). No se encontraron diferencias significativas en el recuento de burbujas entre los grupos "gel de ultrasonido + sin pelo" y "aceite + pelos".

“Oil + hairs” logró un acoplamiento acústico limpio y sin burbujas. (A) Imágenes de resonancia magnética ponderadas \({\mathrm{T}}_{2}\) transversales representativas del cuero cabelludo para los tres grupos. Se ven más burbujas, como lo muestran los puntos negros, en las imágenes ponderadas \({\mathrm{T}}_{2}\) para el grupo “gel de ultrasonido + pelos” que para el grupo “aceite + pelos” y “ultrasonido”. grupos gel + sin pelo”. La región de interés (ROI) para la cuantificación del número de burbujas está resaltada en el cuadro rojo de cada imagen. (B) Cuantificación del número de burbujas de aire atrapadas en el medio de acoplamiento dentro del ROI para cada grupo de ratones. **p<0,01.

La Figura 3A presenta el espectro de frecuencia representativo de cada grupo de la señal PCD adquirida. Se observó una mayor amplitud del espectro para los grupos “aceite + pelos” y “gel de ultrasonido + sin pelo” que para el grupo “gel de ultrasonido + pelos” en la segunda frecuencia armónica. La Figura 3B muestra que no se observó ninguna diferencia significativa en la dosis de cavitación estable entre los grupos "aceite + pelos" y "gel de ultrasonido + sin pelo". La dosis de cavitación estable para el grupo “aceite + pelos” fue significativamente mayor que la del grupo “gel de ultrasonido + pelos” (p = 0,0428).

“Aceite + pelos” logró una dosis de cavitación estable comparable a la del “gel de ultrasonido + pelos” convencional. (A) Señales espectrales PCD de pulso único representativas para "aceite + pelos", "gel de ultrasonido + sin pelo" y "gel de ultrasonido + pelos" para un ratón. La segunda señal armónica, que se utilizó como marcador de cavitación estable, se indica mediante una flecha en cada gráfico. (B) Cuantificación de las dosis de cavitación estable para los tres grupos. Se observó una diferencia significativa entre los grupos “aceite + pelos” y “gel de ultrasonido + pelos” (p = 0,0428). Los datos calculados para los sujetos representativos que se muestran en A están resaltados con su color correspondiente (marrón para “Aceite + pelos”, verde para “Gel de ultrasonido + sin pelo” y morado para “Gel de ultrasonido + pelos”). *p < 0,05.

La apertura exitosa de la BBB se logró en cinco de cinco ratones en el grupo "aceite + pelos" y en el grupo "gel de ultrasonido + sin pelos" (Fig. 4A). Tres de cada cinco ratones del grupo "gel de ultrasonido + pelos" también tenían niveles bajos de apertura de la BBB. El volumen con contraste, medido según la resonancia magnética con contraste, no fue significativamente diferente entre el grupo "aceite + pelos" (15,1 ± 1,4 mm3) y el grupo "gel de ultrasonido + sin pelo" (14,6 ± 2,4 mm3). Ambos grupos lograron volúmenes de realce de contraste significativamente mayores que el grupo “gel de ultrasonido + pelos” (p = 0,0002 y p = 0,0002, respectivamente) (Fig. 4B).

“Aceite + pelos” logró un volumen BBBO comparable al del “gel de ultrasonido + pelos” convencional. (A) Imágenes de resonancia magnética representativas potenciadas con contraste \({\mathrm{T}}_{1}\) para "aceite + pelos", "gel de ultrasonido + sin pelo" y "gel de ultrasonido + pelos". (B) El volumen mejorado con contraste se comparó entre estos tres grupos. Los volúmenes mejorados con contraste del grupo "aceite + pelos" (p = 0,0002) y el grupo "gel de ultrasonido + sin pelo" (p = 0,0002) fueron significativamente mayores que los del grupo "gel de ultrasonido + pelos". ***p < 0,001.

Consistentemente, la intensidad del azul de Evans no fue significativamente diferente entre el grupo "aceite + pelos" y el grupo "gel de ultrasonido + sin pelo". Ambos grupos tuvieron una entrega de azul de Evans significativamente mayor que el grupo "gel de ultrasonido + pelos" (p = 0,0043 y p = 0,0035, respectivamente) (Fig. 5B).

“Aceite + pelos” logró una administración de fármaco comparable a la del “gel de ultrasonido + pelos” convencional. (A) Imágenes de fluorescencia ex vivo de la entrega de azul de Evans en los cinco cerebros de ratón de los tres grupos. (B) Cuantificación de la intensidad de fluorescencia del azul de Evans para los tres grupos. La intensidad de fluorescencia fue significativamente mayor para los grupos “aceite + pelos” (p = 0,0043) y “gel de ultrasonido + sin pelo” (p = 0,0035) que para el grupo “gel de ultrasonido + pelos”. **p< 0,01.

Este estudio presentó una solución práctica para el acoplamiento acústico sin afeitarse los pelos. Usó aceite como medio de acoplamiento en lugar de gel de ultrasonido a base de agua. El resultado de FUS-BBBO utilizando el aceite como medio de acoplamiento sin afeitar los pelos no fue significativamente diferente del logrado con el método convencional, que requirió afeitar los pelos y luego aplicar el gel de ultrasonido. Este estudio demostró por primera vez que FUS-BBBO in vivo se puede realizar sin afeitar ni acortar el vello.

La naturaleza hidrofóbica del aceite es ventajosa sobre los geles de ultrasonido convencionales a base de agua para el acoplamiento acústico en presencia de pelos. Las glándulas del cuero cabelludo de animales y humanos secretan naturalmente sebo, una mezcla de lípidos y cera, que forma una superficie hidrofóbica en el pelo. Esta superficie impide la unión entre las moléculas de agua y las cutículas del cabello, lo que dificulta que el agua y el gel a base de agua llenen el espacio entre las diferentes capas de las cutículas del cabello y, en última instancia, contribuye a atrapar burbujas de aire al aplicar el gel de ultrasonido17. Se observaron más burbujas pequeñas en las imágenes ponderadas en T2 (Fig. 2) en ratones tratados con gel de ultrasonido en los pelos que en aquellos tratados con aceite en los pelos. Además, el aceite se puede aplicar cómodamente a los pacientes sin causar irritación en la piel. Se puede limpiar fácilmente con champú o detergente una vez finalizado el procedimiento, lo que lo convierte en una solución excelente para aplicaciones amplias en terapias tFUS. Vale la pena señalar que utilizamos aceite mineral en este estudio porque está ampliamente disponible. Aún así, esperamos que se pueda utilizar una amplia gama de soluciones a base de aceites y lípidos para lograr resultados similares, como se demuestra en este estudio.

El método de acoplamiento “aceite + pelos” es fácil de implementar y tan eficaz como el método convencional “gel de ultrasonido + sin pelo”. La monitorización de la cavitación mediante PCD (Fig. 3), la cuantificación del volumen de BBBO mediante resonancia magnética con contraste in vivo (Fig. 4) y la evaluación de la eficiencia de la administración del fármaco mediante imágenes de fluorescencia ex vivo (Fig. 5) no encontraron diferencias significativas entre “aceite + pelos”. ” y el convencional “gel para ultrasonidos + sin pelo”. Este hallazgo sugiere que el método de acoplamiento actual se puede reemplazar con aceite sin comprometer el resultado del BBBO.

Aunque logramos resultados satisfactorios de FUS-BBBO a través de pelos que utilizaron aceite como medio de acoplamiento, nuestro estudio tiene algunas limitaciones. Los pelos de ratón son diferentes a los pelos humanos, lo que hace que sea mucho más fácil que el aceite permanezca. La forma de la cabeza de los ratones es relativamente plana en comparación con la de los humanos. Puede ser más difícil que el aceite permanezca en la cabeza humana que en la del ratón. Estas limitaciones pueden mitigarse potencialmente mediante el uso de una solución de aceite más viscosa. Se justifican estudios futuros para evaluar y optimizar este enfoque de acoplamiento acústico para humanos. Además, en futuros estudios se pueden explorar otras soluciones hidrofóbicas, como el hidrogel hidrofóbico y el gel de petróleo, como medio de acoplamiento alternativo para el aceite mineral.

Se propuso utilizar aceite en lugar de gel de ultrasonido como medio de acoplamiento para abordar la necesidad crítica de una solución práctica para lograr un acoplamiento acústico de alta calidad sin afeitar los pelos. Se utilizó aceite como medio de acoplamiento alternativo en lugar de gel de ultrasonido a base de agua, aprovechando la hidrofobicidad de la superficie del cabello. Se compararon tres métodos de acoplamiento (“aceite + pelos”, “gel de ultrasonido + sin pelo” y “gel de ultrasonido + pelos”). Los resultados mostraron que la aplicación de aceite directamente sobre el cabello logró resultados FUS-BBBO comparables en comparación con el método convencional, que aplicaba gel de ultrasonido después del afeitado. Este estudio de prueba de concepto sentó las bases para el desarrollo futuro de técnicas tFUS sin afeitar el vello.

Los conjuntos de datos utilizados y analizados durante el estudio actual están disponibles a través del autor correspondiente.

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Esta investigación fue financiada por las subvenciones R01EB027223, R01EB030102, R01MH116981, R01CA276174 y R01NS128461 de los Institutos Nacionales de Salud (NIH).

Estos autores contribuyeron igualmente: Lu Xu y Yan Gong.

Departamento de Ingeniería Biomédica, Universidad de Washington en St. Louis, Saint Louis, MO, 63130, EE. UU.

Lu Xu, Yan Gong, Chih-Yen Chien, Eric Leuthardt y Hong Chen

Departamento de Neurocirugía, Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, Saint Louis, MO, 63110, EE. UU.

Eric Leuthardt y Hong Chen

Centro de Innovación en Neurociencia y Tecnología, Facultad de Medicina de la Universidad de Washington, Saint Louis, MO, 63110, EE. UU.

Eric Leuthardt

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LX desarrolló la idea, escribió el manuscrito y preparó todas las figuras. LX diseñó el experimento. YG realizó el experimento con la ayuda de LXYG y LX realizó el análisis de imágenes de resonancia magnética y fluorescencia. CYC realizó el análisis de señales PCD. EL contribuyó durante el proceso de conceptualización. HC brindó apoyo y supervisión en todas las fases del estudio. Todos los autores revisaron el manuscrito. Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada del manuscrito.

Correspondencia a Hong Chen.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Xu, L., Gong, Y., Chien, CY. et al. Apertura de la barrera hematoencefálica inducida por ultrasonido transcraneal enfocado en ratones sin afeitar el pelo. Representante científico 13, 13500 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-40598-4

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Recibido: 08 de febrero de 2023

Aceptado: 14 de agosto de 2023

Publicado: 19 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-40598-4

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