Molecular biological mechanism of BBB modulation using low intensity focused ultrasound in vivo rat models

Abstract

저강도 집속 초음파는 뇌혈관 장벽을 개방하는데 있어서 새로 각광받고 있는 기술이다. 이러한 방법을 이용한 연구가 많이 되고 있지만 아직까지 정확한 기전을 밝힌 연구가 많지 않다. 이 연구를 통하여 저강도 집속 초음파를 이용한 뇌혈관 장벽의 분자생물학적 기전을 밝히고자 한다. 실험쥐를 이용하여 집속초음파로 뇌혈관 장벽을 개방 후에 무작위로 나뉜 실험군 별로 초음파 조사 후 각기 다른 시간점(1시간, 4시간, 24시간, 48시간) 후에 뇌를 추출하여 면역조직화학염색법과 웨스턴블롯 검사를 이용하여 밀착연접 단백질(Occludin과 ZO-1)과 세포내이입에 연관된 단백질 (MFSd2a 와 Caveolin-1)의 양을 측정하였다. 측정 결과 집속 초음파 조사 후 1시간 째에 에반스 블루 염색을 통해 뇌혈관 장벽이 가장 많이 개방되어 있을떄 밀착연접 단백질인 Occludin과 ZO-1이 가장 많이 감소하였고, 반면에 Caveolae는 집속 초음파 조사 후 4시간째에 가장 많이 증가하였고 이 시점에 MFSd2a는 가장 많이 감소하였고 Caveolin-1은 가장 많이 증가하였다. 결과를 종합하자면 집속 초음파 후 뇌혈관 개방에는 밀착연접부위의 개방과 세포 내 이입 기전이 모두 연관 되어 있고 두가지 기전에는 시간적 간격이 있었다. 따라서 집속초음파를 이용한 뇌혈관 장벽 개방을 이용한 약물전달 혹은 독성 단백질 제거 등의 임상적 연구 시에 두가지 기전의 시간적 차이를 고려하여 설정하면 도움이 될 것이다.

Low-intensity focused ultrasound is an effective method for inducing blood-brain barrier (BBB) opening, but its underlying mechanisms remain unknown. This study investigated the molecular mechanisms of BBB opening induced by low-intensity focused ultrasound. Rats were sacrificed at different timepoints (1, 4, 24, and 48 h) after receiving focused ultrasound sonication (FUS). Immunohistochemistry and western blot were performed to assess levels of tight junction proteins (occludin and ZO-1) and transcytosis proteins (major facilitator superfamily domain-containing 2a [MFSD2a] and caveolin-1). Levels of ZO-1 and occludin were most prominently decreased at 1 h after FUS at the timepoint when the transient BBB opening was most prominent based on Evans blue extravasation. Caveolae formed predominantly at 4 h post-sonication. MFSD2a levels were lower after FUS. At 4 h post-sonication, MFSD2a levels showed the greatest decrease whereas caveolin-1 levels showed the greatest increase. In conclusion, our results highlight a temporal window between transcytosis and tight junction mechanisms. Therefore, the timepoint of injections should be taken into consideration depending on specific characteristics of the drug when delivering a drug following ultrasound-induced BBB opening.