全ての実験は、パーデュー大学の動物実験委員会とパデュー大学実験動物プログラムの監督の下で行われた。 この作品は、を介して、信頼性の高いニューラル技術プログラムの一環として、博士ジャック·W·ジュディ（jack.judy @ darpa.mil）の後援の下に、米国防総省の国防高等研究計画庁（DARPA）のマイクロシステム技術事務所（MTO）が主催したスペースと海上戦システムコマンド（SPAWAR）システムセンター（SSC）の太平洋助成金番号N66001-11-1から4013まで。 著者らは、これらの顕微鏡の専門知識を共有するためのミハイルSlipchenko、ドン·レディ、グレッグ·リヒター、アーロンテイラー、ケビンEliceiriに感謝したいと思います。

<ol>
	<li>Schwartz, A. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Cortical+Neural+Prosthetics.">Cortical Neural Prosthetics.</a> Annual Review of Neuroscience. 27, 487-507 (2004).</li><li>Normann, R. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Technology+Insight:+future+neuroprosthetic+therapies+for+disorders+of+the+nervous+system.">Technology Insight: future neuroprosthetic therapies for disorders of the nervous system.</a> Nature Clinical Practice Neurology. 3, 444-452 (2007).</li><li>Rousche, P., Normann, R. 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J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Voltage+Biasing,+Cyclic+Voltammetry,+&amp;+Electrical+Impedance+Spectroscopy+for+Neural+Interfaces.">Voltage Biasing, Cyclic Voltammetry, &amp; Electrical Impedance Spectroscopy for Neural Interfaces.</a> J. Vis. Exp. (60), e3566 (2012).</li></ol>

著者は、金融やそれ以外の場合、宣言する関連する開示を持ちません。

ここで示した &quot;デバイスキャプチャ組織学&quot;（DCHist）メソッドは、脳組織および組織形態学的にインプラント間の相互作用の維持に近い組織学的評価が可能になります。 DCHistの組織採取は、脳に移植したコンポーネントから頭蓋骨にマウントされたデバイスコンポーネントを慎重に分離する必要があります。 DCHistも厚い組織学的組織切片（&gt; 250μm）のコレクションを必要とします。これらの組織切片は、一度、標識されたクリアされ、搭載され、画像化され、注入傷害またはデバイス留置後に慢性的な応答に新たな洞察を提供することができます。 図3-5で示されるように、高度な顕微鏡検査ツールを使用して、組織とデバイス間のインターフェイスは、高詳細に画像化し、分析することができます。 彼らの現在の形で紹介する手法は、ゆっくりと注入装置のポイントは2つの部分から成る歯科用セメントとクイック·ジンシルから作らheadcapを離れ発掘する能力に依存しています。離れて燃焼またはそうでなければ削除することができます歯科用セメントと小さなハサミが視覚的に非常に正常にその頭蓋骨実装部品から移植された装置を分離するのに役立つと導くことができるそれを通して明確なシリコンエラストマーを利用。頭蓋骨にマウントされたインプラントは、脳のかなりの量を引き出されるように、その場でそれを収集するために、頭蓋骨の下に、脳上記デバイスを切断しようとすると、推奨されません。 そのようなNeuroNexus TechnologiesからシングルシャンクのMEAとしてシンナー、小さなインプラントは、DCHistに最も適していますが、原則は、シングル·デバイス·シャンクまたは微小電極アレイに限定されません。コレクションおよびイメージング戦略は要件がそれらがどんな頭蓋骨マウントから分離し、厚い組織切片内で収集しなければならないことであることと、マルチシャンクデバイスやカニューレなどの大型インプラントに広く適用されています。著者は、組織の分析に焦点を当てていますが周囲の皮質インプラントは、脳の奥深くに駆動装置はまた、収集され、画像化される可能性があります。インプラント挿入の深さは、挿入の既知の角度から激しく逸脱していないデバイスを提供してスライスにインプラントの取り込みに影響を与えるべきではない。 制限はDCHist法の有用なアプリケーションに存在しています。光学決済ソリューションが大幅に様々な組織21の撮像深度を向上させることができますが、脳組織切片は、特に白質の分野で、数百マイクロメートルを介して画像に挑戦しています。さらに撮像深度を向上させるために、2光子励起顕微鏡を説明した光クリアと一緒に使用することができる。 記載された方法のもう一つの潜在的な制限は、研究者によって使用される特定の蛍光免疫組織化学法と抗体であり得る。受動拡散は、典型的には、固定組織を介してこれらのマーカーの取り込みを駆動および抗原結合部位へ。最終抗体作業濃度が背景標識の高いレベルを回避しながら、ラベルの普及率を最大化するために、ケースバイケースでの研究者によって決定されなければならない。抗体標識は、同じように処理されるスライス間の変数であってはならないが、別の抗体は、いくつかの抗体が容易に抗原をマイクロメートルの唯一の数十が深い抗原を標識する多くの深い、数百マイクロメートルと他人をラベリングして、それらの抗原を貫通してタグ付けする能力が大幅に異なる場合があります。我々は、アプリケーションの複数日間、および希薄洗剤とブロッキング血清を含有する溶液中で、典型的な濃度よりも高い抗体でラベルを適用することによって、この拡散を改善について説明します。定期的にスライスをひっくり返すこともあってもラベリングを推進しています。抗原賦活手順や代替固定プロセス（ 例えばグルタルアルデヒド、電子レンジなど）は、特定の抗原に対して適切であるかもしれません。二次抗体-fluorochローマコンジュゲートはまた、これはInvitrogenからのAlexa Fluorラベルを使用して執筆者によって観察されていませんが、厚い部分にラベルを付ける彼らのパフォーマンスは異なる場合があります。あるいは、目的の細胞型で蛍光タンパク質を発現するトランスジェニック動物の被験者は、抗体のラベルの浸透の問題を回避するために利用することができるようeGFPのような多くの蛍光タンパク質として、ホルムアルデヒド処理した後、その蛍光を保持し、組織切片での即時視覚化することができる。 DCHistは、脳組織に注入されたマイクロデバイスの影響をキャプチャし、分析するための技術の強力なセットです。電気の質と電極インピーダンスデータの in vivo評価22 で 、この組織学的プロトコルを結合することにより、大幅に生理の変動や劣化の生物学的起源についての我々の理解を向上させることができます。特に移植神経補装具の分野には、詳細なDCHist IMAの恩恵を受ける可能性があり生物学的に中性のMEA機器の更なる発展を知らせるために無傷デバイス/組織界面の変更する。

neuroprosthetic研究の分野では、デバイス1,2をインターフェースCNSを通じて体内に罹患または損傷した構造をバイパスすることにより、様々な障害や疾患を患っている人を支援することを目指しています。このような微小電極アレイ（MEAの）などの脳注入マイクロデバイスは、記録または刺激する脳の構造を、したがってエレクトロニクスおよびCNS組織3から5の間に長期的なインタフェースの構築を可能にするために使用することができます。貫 ​​通MEAS、脳組織に追い込まれているデバイスは、彼らが近くのニューロン6の比較的小さいセットに電極を提示し、その中に近接のための双方向インターフェイスとして特定の約束を保持する。 しかし、貫通MEAの長期注入から複雑な組織応答の結果は、多くの場合、数日から数カ月にわたって変数と徐々に分解する電気生理学的信号対雑音比で、その結果、および電気インピーダンスの増加電極部位とグランドの間に7,8インピーダンス。これらの変化の推定上の起源は、ミクログリアの活性化、マイクロデバイスに沿って反応性星状細胞、及び移植デバイス9月11日に周囲の組織から神経細胞の損失または移行が含まれています。慢性的、浸透MEAの周りこれらの組織変化を理解するための主要な課題は、慢性的に注入されたデバイス12を取り囲む無傷組織界面の組織学的データをキャプチャすることが困難であることである。デバイス/組織界面で組織の組織学的分析は依然として存在し、現在のデバイス取り外し学的プロトコルによって改善するであろう。組織に邪魔されずに残っているデバイスでは、このような生体適合性コーティング13,14または電極表面15,16の電気的清算の活用など、比較的微妙な相互作用、生物学的影響は、画像化することができ、インプラントに関して分析した。 HERE我々は、収集する方法、プロセス、および画像周囲の脳組織の詳細な顕微鏡ベースの分析のために無傷マイクロデバイス·インターフェースを示しています。この方法では、デバイスとその周辺の脳組織をビブラトームを用いて厚さ（&gt; 250μm）で組織切片内で収集されます。これらの厚いスライスに組織学的ラベルの浸透を改善するために、蛍光組織化学的および免疫組織化学のラベルが複数日のブロッキング血清および界面活性剤を含有する溶液中に高濃度で適用されます。光学決済ソリューションは、顕微鏡イメージング深度を向上させるために採用され、組織は共焦点顕微鏡17をスキャンし 、その後のレーザー用両面室に搭載されている。完全な組織学的インタフェースをキャプチャするには、コンピュータ制御された並進ステージは、インプラントの長さに沿ってzスタックパノラマを収集するために、撮像時に使用されます。イメージングに加え、インプラントから戻っレーザ反射率を集め、組織のラベルを適用と組織の両方の助けを介して透過光は、周囲の組織との関係でデバイスインターフェイスをローカライズします。組織が ​​この&quot;デバイスキャプチャ組織学&quot;を用いて調製し（DCHist）プロトコルは、形態学的に保存された組織/デバイスの相互作用のイメージングのアクセスを提供し、その結果以前のデバイス取り外し学的プロトコル18を改良したものです。

<table border="1"><tbody><tr><td></td><td></td><td></td><td> 試薬 </td></tr><tr><td>ヘキスト33342 </td><td>インビトロジェン</td><td> 14533 </td><td> DNAマーカー</td></tr><tr><td>ウサギ抗Iba1 </td><td>和光市（日本） </td><td> 019から19741 </td><td>単球抗体</td></tr><tr><td>歯科アクリル</td><td>ラング歯科（様々な代理店） </td><td>ジェット義歯修理パウダー＆リキッド</td><td> Headcap建設</td></tr><tr><td>クイック·シル</td><td>ワールド·精密機器</td><td> KWIK-SIL </td><td>露出した頭蓋インプラントをカバー</td></tr><tr><td>正常ヤギ血清</td><td>ジャクソンイムノリサーチ</td><td> 005-000-121 </td><td>組織処理</td></tr><tr><td>トリトンX-100 </td><td>シグマアルドリッチ</td><td> X100-500ミリリットル</td><td>組織処理</td></tr><tr><td>尿素</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> U4883 </td><td>ソリューションをクリア</td></tr><tr><td>グリセロール</td><td>シグマアルドリッチ</td><td> G20225 </td><td>ソリューションをクリア</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td><td> 機器 </td></tr><tr><td>湾曲したマイクロ剪刀</td><td>ワールド·精密機器</td><td> 14208 </td><td>脳を取り外す前に、インプラントを切断</td></tr><tr><td>剃刀の刃</td><td>テッドペラ</td><td> （各種サイズ） </td><td>脳のブロックを使用するため</td></tr><tr><td>アクリル脳Matrice </td><td>テッドペラ</td><td> 15054 </td><td>組織における初期平面を作成するための脳のブロック</td></tr><tr><td>プラスチック製のスライド</td><td>テッドペラ</td><td> 260225 </td><td>取付組織</td></tr><tr><td>カバーガラス</td><td>テッドペラ</td><td> （各種サイズ） </td><td>取付組織</td></tr><tr><td>電極アレイ</td><td> NeuroNexusテクノロジーズ</td><td> （様々なデザイン） </td><td>例のMEA </td></tr><tr><td>ビブラトーム</td><td>ライカ</td><td> VT1000のS </td><td>提示された方法で使用される特定のシステム</td></tr><tr><td>ビブラトームブレード</td><td> （様々なサプライヤー） </td><td></td><td>スライスを収集</td></tr><tr><td> 24ウェルプレート</td><td> （様々なサプライヤー） </td><td></td><td>組織切片の保存と処理</td></tr><tr><td>電動XYスキャニングステージと共焦点顕微鏡</td><td>カールツァイス顕微鏡</td><td>ツァイスLSM 710および &#39;禅2010&#39;ソフトウェア</td><td>提示された方法で使用される特定のシステム</td></tr><tr><td>はんだごて</td><td> （様々なサプライヤー） </td><td></td><td> headcapを掘る</td></tr></tbody></table>

intact histological characterization of brain-implanted microdevices and surrounding tissue

このような微小電極アレイとして脳注入マイクロデバイスの設計と利用の研究は、脳組織を周囲の慢性的インターフェースの臨床的に関連するデバイスを製造することを目指しています。これらのインプラント周囲の組織は、デバイスの周囲の絶縁 &quot;グリア性瘢痕&quot;の形成を含む時間を超えるデバイスの存在に反応すると考えられている。しかし、これらの組織変化の組織学的分析は、一般的に関心の組織の形態を混乱させることができるプロセスでは、デバイスをexplanting後に実行されます。 ここでは、皮質の注入装置は、げっ歯類の脳組織を取り巻く内にそのまま収集されているプロトコルを示しています。我々は一度固定液で灌流方法、説明し、脳をexplantingデバイスを回避するような方法で除去し、スライスされています。我々は有益な、まだ厚い組織を製造するために有用な蛍光抗体標識と光決済方法を概説セクション。最後に、我々は脳注入装置周辺の生体界面を調べるために、これらの組織切片のマウントおよびイメージングを実証している。

脳移植MEAは、第一の脳に埋め込 ​​まれたコンポーネントから任意の頭蓋骨実装部品を分離することにより、組織切片に収集することができます。 図2aは、歯科用セメントheadcapとMEAケーブルを取り巻くクイック·シルの部分の片側を削除した結果を示していラット頭蓋骨。はんだごては、ドラフト内で歯科用セメントとクイック·シルを除去するために使用されていました。ケーブル配線と、任意の非注入MEAの構造は次のゆっくり固定脳の表面にクイック·ジンシルを通って下掘削によってマイクロはさみで切断した。 スライスした後、ラベリング、および組織をクリアし、シンプルなカスタムメイドのスライドが厚い組織切片（ 図2b）を搭載するのに便利です。注入されたマイクロデバイスを含むマウント脳切片を図2cに示されている。 図3に示されるように、スライドのどちら側を通ってイメージングを使用すると、装置の周りのインターフェイスを評価できるようにすることができます</st電極部位とトレースに沿ってチョロンMEAのシリコン裏に沿ってミクログリアが片側から見える&gt;、（ 図3a）とミクログリアは反対側（ 図3b）上に表示されます。 マウントされた組織は、XY移動ステージを用いて画像化することができる。全体の組織切片全体で蛍光標識の概要は、所望の分解能（ 図4）で生成することができます。注入されたマイクロデバイスの周りに形態学的に保存された組織·インターフェースの詳細な検証は、局所組織反応（ 図5）の分析のための高倍率下で収集することができます。 <img src="/files/ftp_upload/50126/50126fig1.jpg" alt="図1" fo:content-width="6.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50126/50126fig1highres.jpg"/> 図1。手順の概要。（AC）脳マイクロインプラント手術はFINAアールカバーアクリルセメントに続いてすぐにデバイスを取り巻くクウィク-Silのポリマーの層でlized。 （D、E）に続いて安楽死、アクリル層が離れて焼かれ、デバイスの頭蓋骨実装部品は、シリコーンエラストマーを介して切断することにより注入された成分から分離される。 （f、g）は脳はその後頭蓋骨から削除され、カットとビブラトームステージに取り付けられている。 （HK）組織切片は、デバイスを含む組織切片を含めて、収集されます。 （L）組織が ​​処理され、詳細な顕微鏡用のカスタムチャンバーに取り付けることができます。 <a href="https://jove.unicartagenaproxy.elogim.com/files/ftp_upload/50126/50126fig1large.jpg" target="_blank">拡大図を表示するには、ここをクリックしてください</a> 。 <img src="/files/ftp_upload/50126/50126fig2.jpg" alt="図2"/> 図2（a）のクイック·シルシリコーンエラストマーsuをクリアrroundingを電極アレイ·ケーブル（矢印）は、はんだごてを使用して灌流し、げっ歯類の頭の上に歯科用セメントのキャップでウィンドウを離れて燃焼させて暴露された。 （b）の厚い組織切片のいずれかの側にイメージングに対応するために、単純な&quot;スライド室&quot;プラスチック製のスライドをカットし、組織の周りにどちらかの側にカバーガラスを接着し、ソリューションを実装することによって行うことができる。 （c）は無傷のインプラント（赤矢印）とラット脳組織切片をマウントした後に表示されます。組織のいずれかの側には、この設定で顕微鏡画像にすばやくアクセスできます。パネル（A、B、C）が下部に渡って80ミリメートルいる間スケールの場合、パネル（a）は 、下部に渡っ25mmである。 <img src="/files/ftp_upload/50126/50126fig3.jpg" alt="図3" fo:content-width="3.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50126/50126fig3highres.jpg"/> 図3の最大値intensityは40μm厚の画像スタックのz予測、裏面（）および移植微小電極アレイの前面（b）の周りに集めた。ミクログリア（抗Iba1とAlexa Fluor 633で標識された、白）とデバイスの表面から採取したレーザー光の反射率（赤）は、順次400μmの厚い組織切片の両側から撮像した。脳インプラントはしばしば不透明であるように、両側に光アクセスでマウントすると、顕微鏡の対物レンズに対するインプラントの &quot;背後&quot;とラベルされた組織構造のクリアな視界を提供します。スケールバーは50μmである。 <img src="/files/ftp_upload/50126/50126fig4.jpg" alt="図4"/> 図4：共焦点レーザ走査型顕微鏡にコンピュータ制御されたステージを用いて画像化ラベル付きDCHistスライス。 （a）細胞核（ヘキスト33342で染色）及び（b）の単球/ミクログリア（抗Iba1で標識）を同時に別々のチャネル上に結像された。 （c）は透過光と反射率もヘキストとIba1データに対して4週間のインプラントの位置を示す、収集した。 （d）すべてのチャネルが、送信のオーバーレイも表示されます。白い長方形の領域が右側に現れるイメージで展開される。スケールバーは1mmである。 <img src="/files/ftp_upload/50126/50126fig5.jpg" alt="図5" fo:content-width="4.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50126/50126fig5highres.jpg"/> 図5：コンピュータ制御顕微鏡ステージ、適切なソフトウェアを使用して、パノラマ画像データはインプラントの周りを収集することができる。反射率（）と透過率（b）の蛍光抗体又は化学的標識（C、ミクログリアおよびmacの抗Iba1ラベリングしながら、装置の局在を許可rophages）は無傷の組織の界面に沿って組織成分の詳細なイメージングを可能にする。スケールバーは200μmである。

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Intact Histological Characterization of Brain-implanted Microdevices and Surrounding Tissue

ここでは、光学的にクリアし、齧歯類の脳組織における慢性的に注入されたマイクロデバイスの周りにイメージング無傷の脳組織のインターフェイスを、ラベリング、キャプチャするための組織学的手法を提案する。この方法を含む技術から得られた結果は、その周囲の組織の様々な鋭い脳インプラントの影響を理解するために有用である。

脳移植マイクロデバイス及び周辺組織の無傷の組織学的性状

Research  into the design and utilization of brain-implanted microdevices, such as  microelectrode arrays, aims to produce clinically relevant devices ...

intact-histological-characterization-brain-implanted-microdevices

Universidad de Cartagena UDEC

Research

JoVE Journal

Neuroscience

16.8K ビュー.  Purdue University. ここでは、光学的にクリアし、齧歯類の脳組織における慢性的に注入されたマイクロデバイスの周りにイメージング無傷の脳組織のインターフェイスを、ラベリング、キャプチャするための組織学的手法を提案する。この方法を含む技術から得られた結果は、その周囲の組織の様々な鋭い脳インプラントの影響を理解するために有用である。

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Multimodal Imaging of Stem Cell Implantation in the Central Nervous System of Mice

During the past decade, stem cell transplantation has gained increasing interest as primary or secondary therapeutic modality for a variety of diseases, both in preclinical and clinical studies. However, to date results regarding functional outcome and/or tissue regeneration following stem cell transplantation are quite diverse. Generally, a clinical benefit is observed without profound understanding of the underlying mechanism(s)1. Therefore, multiple efforts have led to the development of different molecular imaging modalities to monitor stem cell grafting with the ultimate aim to accurately evaluate survival, fate and physiology of grafted stem cells and/or their micro-environment. Changes observed in one or more parameters determined by molecular imaging might be related to the observed clinical effect. In this context, our studies focus on the combined use of bioluminescence imaging (BLI), magnetic resonance imaging (MRI) and histological analysis to evaluate stem cell grafting.
BLI is commonly used to non-invasively perform cell tracking and monitor cell survival in time following transplantation2-7, based on a biochemical reaction where cells expressing the Luciferase-reporter gene are able to emit light following interaction with its substrate (e.g. D-luciferin)8, 9. MRI on the other hand is a non-invasive technique which is clinically applicable10 and can be used to precisely locate cellular grafts with very high resolution11-15, although its sensitivity highly depends on the contrast generated after cell labeling with an MRI contrast agent. Finally, post-mortem histological analysis is the method of choice to validate research results obtained with non-invasive techniques with highest resolution and sensitivity. Moreover end-point histological analysis allows us to perform detailed phenotypic analysis of grafted cells and/or the surrounding tissue, based on the use of fluorescent reporter proteins and/or direct cell labeling with specific antibodies.
In summary, we here visually demonstrate the complementarities of BLI, MRI and histology to unravel different stem cell- and/or environment-associated characteristics following stem cell grafting in the CNS of mice. As an example, bone marrow-derived stromal cells, genetically engineered to express the enhanced Green Fluorescent Protein (eGFP) and firefly Luciferase (fLuc), and labeled with blue fluorescent micron-sized iron oxide particles (MPIOs), will be grafted in the CNS of immune-competent mice and outcome will be monitored by BLI, MRI and histology (Figure 1).

This article describes an optimized sequence of events for multimodal imaging of cellular grafts in rodent brain using: (i) in vivo bioluminescence and magnetic resonance imaging, and (ii) post mortem histological analysis. Combining these imaging modalities on a single animal allows cellular graft evaluation with high resolution, sensitivity and specificity.

マウスの中枢神経系における幹細胞注入のマルチモーダルイメージング

During the past decade, stem cell transplantation has gained increasing interest as primary or secondary therapeutic modality for a variety of diseases, ...

神経科学

Quantifying the Brain Metastatic Tumor Micro-Environment using an Organ-On-A Chip 3D Model, Machine Learning, and Confocal Tomography

Brain metastases are the most lethal cancer lesions; 10-30% of all cancers metastasize to the brain, with a median survival of only ~5-20 months, depending on the cancer type. To reduce the brain metastatic tumor burden, gaps in basic and translational knowledge need to be addressed. Major challenges include a paucity of reproducible preclinical models and associated tools. Three-dimensional models of brain metastasis can yield the relevant molecular and phenotypic data used to address these needs when combined with dedicated analysis tools. Moreover, compared to murine models, organ-on-a-chip models of patient tumor cells traversing the blood brain barrier into the brain microenvironment generate results rapidly and are more interpretable with quantitative methods, thus amenable to high throughput testing. Here we describe and demonstrate the use of a novel 3D microfluidic blood brain niche (&#181;mBBN) platform where multiple elements of the niche can be cultured for an extended period (several days), fluorescently imaged by confocal microscopy, and the images reconstructed using an innovative confocal tomography technique; all aimed to understand the development of micro-metastasis and changes to the tumor micro-environment (TME) in a repeatable and quantitative manner. We demonstrate how to fabricate, seed, image, and analyze the cancer cells and TME cellular and humoral components, using this platform. Moreover, we show how artificial intelligence (AI) is used to identify the intrinsic phenotypic differences of cancer cells that are capable of transit through a model &#181;mBBN and to assign them an objective index of brain metastatic potential. The data sets generated by this method can be used to answer basic and translational questions about metastasis, the efficacy of therapeutic strategies, and the role of the TME in both.

Here, we present a protocol for preparing and culturing a blood brain barrier metastatic tumor micro-environment and then quantifying its state using confocal imaging and artificial intelligence (machine learning).

臓器オンAチップ3Dモデル、機械学習、共焦点断層法による脳転移性腫瘍微小環境の定量化

Brain metastases are the most lethal cancer lesions; 10-30% of all cancers metastasize to the brain, with a median survival of only ~5-20 months, ...

がん研究

Flexible Organic Electronic Devices for Pulsed Electric Field Therapy of Glioblastoma

Glioblastoma is difficult to eradicate with standard oncology therapies due to its high degree of invasiveness. Bioelectric treatments based on pulsed electric fields (PEFs) are promising for the improvement of treatment efficiency. However, they rely on rigid electrodes that cause acute and chronic damage, especially in soft tissues such as the brain. In this work, flexible electronics were used to deliver PEFs to tumors and the biological response was evaluated with fluorescent microscopy. Interdigitated gold electrodes on a thin, transparent parylene-C substrate were coated with the conducting polymer PEDOT:PSS, resulting in a conformable and biocompatible device. The effects of PEFs on tumors and their microenvironment were examined using various biological models. First, monolayers of glioblastoma cells were cultured on top of the electrodes to investigate phenomena in vitro. As an intermediate step, an in ovo model was developed where engineered tumor spheroids were grafted in the embryonic membrane of a quail. Due to the absence of an immune system, this led to highly vascularized tumors. At this early stage of development, embryos have no immune system, and tumors are not recognized as foreign bodies. Thus, they can develop fast while developing their own vessels from the existing embryo vascular system, which represents a valuable 3D cancer model. Finally, flexible electrode delivery of PEFs was evaluated in a complete organism with a functional immune system, using a syngenic, orthograft (intracranial) mouse model. Tumor spheroids were grafted into the brain of transgenic multi-fluorescent mice prior to the implantation of flexible organic electrode devices. A sealed cranial window enabled multiphoton imaging of the tumor and its microenvironment during treatment with PEFs over a period of several weeks.

This work describes the development of flexible interdigitated electrodes for implementation in 3D brain tumor models, namely, in vitro culture, in ovo model, and in vivo murine model. The proposed method can be used to evaluate the effects of pulsed electric fields on tumors at different levels of complexity.

膠芽腫のパルス電界治療のための柔軟な有機電子デバイス

Glioblastoma is difficult to eradicate with standard oncology therapies due to its high degree of invasiveness. Bioelectric treatments based on pulsed ...

An Orthotopic Glioblastoma Mouse Model Maintaining Brain Parenchymal Physical Constraints and Suitable for Intravital Two-photon Microscopy

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most aggressive form of brain tumors with no curative treatments available to date.
Murine models of this pathology rely on the injection of a suspension of glioma cells into the brain parenchyma following incision of the dura-mater. Whereas the cells have to be injected superficially to be accessible to intravital two-photon microscopy, superficial injections fail to recapitulate the physiopathological conditions. Indeed, escaping through the injection tract most tumor cells reach the extra-dural space where they expand abnormally fast in absence of mechanical constraints from the parenchyma.
Our improvements consist not only in focally implanting a glioma spheroid rather than injecting a suspension of glioma cells in the superficial layers of the cerebral cortex but also in clogging the injection site by a cross-linked dextran gel hemi-bead that is glued to the surrounding parenchyma and sealed to dura-mater with cyanoacrylate. Altogether these measures enforce the physiological expansion and infiltration of the tumor cells inside the brain parenchyma. Craniotomy was finally closed with a glass window cemented to the skull to allow chronic imaging over weeks in absence of scar tissue development.
Taking advantage of fluorescent transgenic animals grafted with fluorescent tumor cells we have shown that the dynamics of interactions occurring between glioma cells, neurons (e.g. Thy1-CFP mice) and vasculature (highlighted by an intravenous injection of a fluorescent dye) can be visualized by intravital two-photon microscopy during the progression of the disease.
The possibility to image a tumor at microscopic resolution in a minimally compromised cerebral environment represents an improvement of current GBM animal models which should benefit the field of neuro-oncology and drug testing.

We have established a cortical orthotopic glioblastoma model in mice for intravital two-photon microscopy that recapitulates the biophysical constraints normally at play during the growth of the tumor. A chronic glass window replacing the skull above the tumor enables the follow-up of the tumor progression over time by two-photon microscopy.

同所神経膠芽腫モデルマウスは、脳実質細胞の物理的制約を維持し、生体内二光子顕微鏡に適し

Glioblastoma multiforme (GBM) is the most aggressive form of brain tumors with no curative treatments available to date.
Murine models of this pathology ...

医学

Implementation of Minimally Invasive Brain Tumor Resection in Rodents for High Viability Tissue Collection

The present protocol describes a standardized paradigm for rodent brain tumor resection and tissue preservation. In clinical practice, maximal tumor resection is the standard-of-care treatment for most brain tumors. However, most currently available preclinical brain tumor models either do not include resection, or utilize surgical resection models that are time-consuming and lead to significant postoperative morbidity, mortality, or experimental variability. In addition, performing resection in rodents can be daunting for several reasons, including a lack of clinically comparable surgical tools or protocols and the absence of an established platform for standardized tissue collection. This protocol highlights the use of a multi-functional, non-ablative resection device and an integrated tissue preservation system adapted from the clinical version of the device. The device applied in the present study combines tunable suction and a cylindrical blade at the aperture to precisely probe, cut, and suction tissue. The minimally invasive resection device performs its functions via the same burr hole used for the initial tumor implantation. This approach minimizes alterations to regional anatomy during biopsy or resection surgeries and reduces the risk of significant blood loss. These factors significantly reduced the operative time (&#60;2 min/animal), improved postoperative animal survival, lower variability in experimental groups, and result in high viability of resected tissues and cells for future analyses. This process is facilitated by a blade speed of ~1,400 cycles/min, which allows the harvesting of tissues into a sterile closed system that can be filled with a physiologic solution of choice. Given the emerging importance of studying and accurately modeling the impact of surgery, preservation and rigorous comparative analysis of regionalized tumor resection specimens, and intra-cavity-delivered therapeutics, this unique protocol will expand opportunities to explore unanswered questions about perioperative management and therapeutic discovery for brain tumor patients.

The present protocol describes a standardized resection of brain tumors in rodents through a minimally invasive approach with an integrated tissue preservation system. This technique has implications for accurately mirroring the standard of care in rodent and other animal models.

高生存率組織採取のためのげっ歯類における低侵襲脳腫瘍切除術の実施

The present protocol describes a standardized paradigm for rodent brain tumor resection and tissue preservation. In clinical practice, maximal tumor ...

Rodent Behavioral Testing to Assess Functional Deficits Caused by Microelectrode Implantation in the Rat Motor Cortex

Medical devices implanted in the brain hold tremendous potential. As part of a Brain Machine Interface (BMI) system, intracortical microelectrodes demonstrate the ability to record action potentials from individual or small groups of neurons. Such recorded signals have successfully been used to allow patients to interface with or control&#160;computers, robotic limbs, and their own limbs. However, previous animal studies have shown that a microelectrode implantation in the brain not only damages the surrounding tissue but can also result in functional deficits. Here, we discuss a series of behavioral tests to quantify potential motor impairments following the implantation of intracortical microelectrodes into the motor cortex of a rat. The methods for open field grid, ladder crossing, and grip strength testing provide valuable information regarding the potential complications resulting from a microelectrode implantation. The results of the behavioral testing are correlated with endpoint histology, providing additional information on the pathological outcomes and impacts of this procedure on the adjacent tissue.

We have shown that a microelectrode implantation in the motor cortex of rats causes immediate and lasting motor deficits. The methods proposed herein outline a microelectrode implantation surgery and three rodent behavioral tasks to elucidate potential changes in the fine or gross motor function due to implantation-caused damage to the motor cortex.

ラット皮質運動野の微小電極注入による機能的障害を評価するためにテスト行動の齧歯動物

Medical devices implanted in the brain hold tremendous potential. As part of a Brain Machine Interface (BMI) system, intracortical microelectrodes ...

生物工学

Syringe-injectable Mesh Electronics for Stable Chronic Rodent Electrophysiology

Implantable brain electrophysiology probes are valuable tools in neuroscience due to their ability to record neural activity with high spatiotemporal resolution from shallow and deep brain regions. Their use has been hindered, however, by mechanical and structural mismatches between the probes and brain tissue that commonly lead to micromotion and gliosis with resulting signal instability in chronic recording experiments. In contrast, following the implantation of ultraflexible mesh electronics via syringe injection, the mesh probes form a seamless, gliosis-free interface with the surrounding brain tissue that enables stable tracking of individual neurons on at least a year timescale. This protocol details the key steps in a typical mouse neural recording experiment using syringe-injectable mesh electronics, including the fabrication of mesh electronics in a standard photolithography-based process possible at many universities, loading mesh electronics into standard capillary needles, stereotaxic injection in vivo, connection of the mesh input/output to standard instrumentation interfaces, restrained or freely moving recording sessions, and histological sectioning of brain tissue containing mesh electronics. Representative neural recordings and histology data are presented. Investigators familiar with this protocol will have the knowledge necessary to incorporate mesh electronics into their own experiments and take advantage of the unique opportunities afforded by long-term stable neural interfacing, such as studies of aging processes, brain development, and the pathogenesis of brain disease.

Mesh electronics probes seamlessly integrate and provide stable, long-term, single-neuron level recording within the brain. This protocol uses mesh electronics for in vivo experiments, involving the fabrication of mesh electronics, loading into needles, stereotaxic injection, input/output interfacing, recording experiments, and histology of tissue containing mesh probes.

注射器注射メッシュ電子安定した慢性の齧歯動物の生理

Implantable brain electrophysiology probes are valuable tools in neuroscience due to their ability to record neural activity with high spatiotemporal ...

Focused Ion Beam Lithography to Etch Nano-architectures into Microelectrodes

With advances in electronics and fabrication technology, intracortical microelectrodes have undergone substantial improvements enabling the production of sophisticated microelectrodes with greater resolution and expanded capabilities. The progress in fabrication technology has supported the development of biomimetic electrodes, which aim to seamlessly integrate into the brain parenchyma, reduce the neuroinflammatory response observed after electrode insertion and improve the quality and longevity of electrophysiological recordings. Here we describe a protocol to employ a biomimetic approach recently classified as nano-architecture. The use of focused ion beam lithography (FIB) was utilized in this protocol to etch specific nano-architecture features into the surface of non-functional and functional single shank intracortical microelectrodes. Etching nano-architectures into the electrode surface indicated possible improvements of biocompatibility and functionality of the implanted device. One of the benefits of using FIB is the ability to etch on manufactured devices, as opposed to during the fabrication of the device, facilitating boundless possibilities to modify numerous medical devices post-manufacturing. The protocol presented herein can be optimized for various material types, nano-architecture features, and types of devices. Augmenting the surface of implanted medical devices can improve the device performance and integration into the tissue.

We have shown that the etching of nano-architecture into intracortical microelectrode devices may reduce the inflammatory response and has the potential to improve electrophysiological recordings. The methods described herein outline an approach to etch nano-architectures into the surface of non-functional and functional single shank silicon intracortical microelectrodes.

マイクロ電極へのエッチングナノアーキテクチャへの集束イオンビームリソグラフィー

With advances in electronics and fabrication technology, intracortical microelectrodes have undergone substantial improvements enabling the production of ...

Tools for Surface Treatment of Silicon Planar Intracortical Microelectrodes

Intracortical microelectrodes hold great therapeutic potential. But they are challenged with significant performance reduction after modest implantation durations. A substantial contributor to the observed decline is the damage to the neural tissue proximal to the implant and subsequent neuroinflammatory response. Efforts to improve device longevity include chemical modifications or coating applications to the device surface to improve the tissue response. Development of such surface treatments is typically completed using non-functional "dummy" probes that lack the electrical components required for the intended application. Translation to functional devices requires additional consideration given the fragility of intracortical microelectrode arrays. Handling tools greatly facilitate surface treatments to assembled devices, particularly for modifications that require long procedural times. The handling tools described here are used for surface treatments applied via gas-phase deposition and aqueous solution exposure. Characterization of the coating is performed using ellipsometry and x-ray photoelectron spectroscopy. A comparison of electrical impedance spectroscopy recordings before and after the coating procedure on functional devices confirmed device integrity following modification. The described tools can be readily adapted for alternative electrode devices and treatment methods that maintain chemical compatibility.

The present protocol describes tools for handling silicon planar intracortical microelectrodes during treatments for surface modification via gas deposition and aqueous solution reactions. The assembly of the components used to handle the devices throughout the procedure is explained in detail.

シリコン平面皮質内微小電極の表面処理用ツール

Intracortical microelectrodes hold great therapeutic potential. But they are challenged with significant performance reduction after modest implantation ...

A Micro-CT-based Method for Characterizing Lesions and Locating Electrodes in Small Animal Brains

Lesion and electrode location verification are traditionally done via histological examination of stained brain slices, a time-consuming procedure that requires manual estimation. Here, we describe a simple, straightforward method for quantifying lesions and locating electrodes in the brain that is less laborious and yields more detailed results. Whole brains are stained with osmium tetroxide, embedded in resin, and imaged with a micro-CT scanner. The scans result in 3D digital volumes of the brains with resolutions and virtual section thicknesses dependent on the sample size (12&#8211;15 and 5&#8211;6 &#181;m&#160;per voxel for rat and zebra finch brains, respectively). Surface and deep lesions can be characterized, and single tetrodes, tetrode arrays, electrolytic lesions, and silicon probes can also be localized. Free and proprietary software allows experimenters to examine the sample volume from any plane and segment the volume manually or automatically. Because this method generates whole brain volume, lesions and electrodes can be quantified to a much higher degree than in current methods, which will help standardize comparisons within and across studies.

This article describes a straightforward method to prepare small animal brains for micro-CT imaging, in which lesions can be quantified and electrodes located with high precision in the context of the whole brain.

マイクロ ct 画像に基づく法病変を特徴と、小動物の脳に電極を配置

Lesion and electrode location verification are traditionally done via histological examination of stained brain slices, a time-consuming procedure that ...