Administrative supplement - Equipment

行政补充-设备

• 批准号: 10378986
• 负责人: Flordeliza S Villanueva
• 金额: $ 3.57万
• 依托单位: UNIVERSITY OF PITTSBURGH AT PITTSBURGH
• 依托单位国家: 美国
• 财政年份: 2018
• 资助国家: 美国
• 起止时间: 2018-09-20 至 2021-06-30
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://reporter.nih.gov/project-details/10378986
• 关键词: Acoustics; Address; Administrative Supplement; Automobile Driving; Behavior; Biological Response Modifier Therapy; Biology; Blood Vessels; Cardiovascular Diseases; Cell membrane; Cells; Confocal Microscopy; Contracts; Custom; DNA; Development; Disease; Endothelial Cells; Endothelium; Equipment; Event; Extravasation; Gene Delivery; In Vitro; Intravenous; Knowledge; Life; Malignant Neoplasms; Measures; Mechanics; Mediating; Methods; Microbubbles; Microcirculation; Molecular; Nucleic Acids; Optics; Pathologic; Pathway interactions; Permeability; Physics; Physiology; Property; Proteins; Research; Savings; Signal Transduction; Site; Small Interfering RNA; Speed; Technology; Testing; Therapeutic; Time; Translations; Ultrasonic Transducer; Ultrasonography; experimental study; gene therapy; image guided; in vivo; insight; macromolecule; multidisciplinary; nucleic acid delivery; nucleic acid-based therapeutics; real-time images; response; sound; targeted delivery; vibration

Increasing  knowledge  of  the  molecular  underpinnings  of  disease  is  driving  a  powerful  imperative  to  deliver  agents, such as nucleic acids, to silence expression of pathologic proteins for life-­saving treatment of heretofore  hopeless  illnesses.  Although  there  are  promising  developments  in  strategies  to  deliver  cell  membrane  impermeant  nucleic  acids,  such  as  siRNA,  to  disease-­causing  cells,  a  safe  and  efficient  method  for  targeted  delivery of these agents has remained elusive. A significant hurdle for gene therapies using vascular delivery is  to circumvent the endothelial barrier. We have been developing a unique technology using intravenously injected  nucleic acid-­loaded microbubbles (MB) which are triggered to cavitate (expand and contract) by ultrasound (US),  causing transient permeabilization of the adjacent cell membrane and delivery of the therapeutic carried by the  MBs. The potential of this site-­specific, non-­invasive delivery method is extraordinary, more so because the MBs  and US transducer also provide capability for simultaneous real time image-­guided navigation of therapy. Despite  its promise, the mechanisms underlying the efficacy of ultrasound-­triggered MB cavitation (UTMC) as a delivery  platform are poorly understood. Without a sound knowledge of the fundamental mechanisms by which safe and  effective  biotherapeutic  delivery  is  effected  by  UTMC,  its  ultimate  bedside  translation  is  impossible.  We  hypothesize that MBs cavitating in the microcirculation impart non-­lethal mechanical perturbations on endothelial  cells,  leading  to  signaling  events  that  culminate  in  endothelial  barrier  hyperpermeability.  We  propose  in  vitro  studies to systematically interrogate mechanistic pathways, followed by in vivo experiments to investigate UTMC  endothelial  barrier  effects  in  real  time,  addressing  three  Specific  Aims:  (1)  Determine  the  mechanisms  by  which UTMC increases endothelial barrier permeability. We will use transwells coated with endothelial cells  and manipulate candidate pathways to test the hypothesis that UTMC-­induced Ca2+ influx increases endothelial  permeability.  We  will  optically  measure  attendant  cellular  events  using  multicolor  confocal  microscopy,  thus  correlating  barrier  function  to  cell  response;;  (2)  Determine  the  relationship  between  in  vivo  MB  cavitation  behaviors  and  transendothelial  transport  of  macromolecules  (siRNA).  We  will  use  a  custom  ultra-­high  speed  camera  to  visualize  in  vivo  US-­MB  vibrations  in  the  microcirculation  to  test  the  hypothesis  that  MB  cavitation  causes  quantifiable  mechanical  events,  then  derive  physical  principles  governing  UTMC-­mediated  hyperpermeability;; (3): Determine extravasation pathways and cellular fate of siRNA-­loaded MBs during  UTMC in vivo. We will use intravital high-­speed multicolor confocal microscopy in cremaster microcirculation to  visualize  endothelial  barrier  properties  and  siRNA-­loaded  MB  fate.  Our  multi-­disciplinary  team  unites  physics/acoustics with biology/physiology to derive insights into fundamental physical and cellular mechanisms  underlying UTMC-­facilitated gene delivery. Ultimately, our research will define a rational basis for optimization  of this remarkable technology and accelerate the translation of nucleic acid therapeutics to the bedside.

对疾病分子基础的了解不断增加， 抑制病理蛋白表达的试剂，如核酸，用于迄今为止的挽救生命的治疗。 尽管在将细胞膜传递到细胞外的策略上有了很有希望的发展， 不渗透的核酸，如siRNA，对致病细胞，一种安全有效的靶向方法， 这些药物的递送仍然是难以捉摸的。使用血管递送的基因治疗的一个重要障碍是 绕过内皮屏障。我们一直在开发一种独特的技术， 通过超声（US）触发空化（膨胀和收缩）的装载核酸的微泡（MB）， 引起相邻细胞膜的瞬时透化和由细胞膜携带的治疗剂的递送， 这种部位特异性、非侵入性给药方法的潜力是非凡的，更重要的是， 和US换能器还提供用于治疗的同时的真实的时间图像引导导航的能力。 它的承诺，机制的功效，超声触发MB空化（UTMC）作为一个交付 平台知之甚少。如果没有对安全和安全的基本机制的充分了解， 有效的生物素传递是由UTMC实现的，它的最终床边翻译是不可能的。我们 假设微循环中的微气泡对内皮细胞产生非致命的机械扰动 细胞，导致信号事件，最终在内皮屏障通透性过高。我们建议在体外 研究系统地询问机制途径，然后进行体内实验以研究UTMC 真实的时间的内皮屏障作用，解决三个具体的目的：（1）确定机制， UTMC增加了内皮屏障的通透性。我们将使用涂有内皮细胞的transwell 并操纵候选途径来检验UTMC-BMPs诱导的Ca 2+内流增加内皮细胞增殖的假设。 我们将用光学共聚焦显微镜测量伴随的细胞事件， 将屏障功能与细胞反应相关联;（2）确定体内MB空化与细胞反应之间的关系。 行为和跨内皮转运的大分子（siRNA）。我们将使用一个定制的超高 速度照相机来可视化微循环中的体内US-MB振动，以测试MB 气穴现象会导致可量化的机械事件，然后推导出UTMC介导的物理原理， 高渗透性;第3部分：确定在高渗透性过程中siRNA-β负载MB的外渗途径和细胞命运。 我们将在提睾肌微循环中使用活体高速共聚焦显微镜， 可视化内皮屏障特性和负载SiRNA-β的MB命运。我们的多学科团队联合起来 物理学/声学与生物学/生理学，以深入了解基本的物理和细胞机制 最终，我们的研究将确定优化的合理基础， 这一非凡的技术，并加速核酸疗法的翻译到床边。

项目成果

Complex Highways on the Translational Roadmap for Therapeutic Ultrasound-Targeted Microbubble Cavitation: Where Are We Now?

超声靶向微泡空化治疗转化路线图上的复杂高速公路：我们现在在哪里？

• DOI: 10.1016/j.jcmg.2019.08.010
• 发表时间: 2020
• 期刊: JACC. Cardiovascular imaging
• 作者: Villanueva,FlordelizaS;Chen,Xucai
• 通讯作者: Chen,Xucai

A multicellular brain spheroid model for studying the mechanisms and bioeffects of ultrasound-enhanced drug penetration beyond the blood‒brain barrier.

• DOI: 10.1038/s41598-023-50203-3
• 发表时间: 2024-01-22
• 期刊: Scientific reports
• 影响因子: 4.6

Ultrafast Microscopy Imaging of Acoustic Cluster Therapy Bubbles: Activation and Oscillation.

声簇治疗气泡的超快显微成像：激活和振荡。

• DOI: 10.1016/j.ultrasmedbio.2022.05.009
• 发表时间: 2022
• 期刊: Ultrasound in medicine & biology
• 影响因子: 2.9
• 作者: vanWamel,Annemieke;Mühlenpfordt,Melina;Hansen,Rune;Healey,Andrew;Villanueva,FlordelizaS;Kotopoulis,Spiros;Davies,CatharinadeLange;Chen,Xucai
• 通讯作者: Chen,Xucai