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.

增加对疾病分子基础的了解正在推动实现这一目标的强大必要性  迄今为止用于挽救生命的治疗剂，例如核酸，以沉默病理蛋白的表达  绝望的疾病。  尽管在递送细胞膜的策略方面取得了有希望的进展  核酸（例如 siRNA）对致病细胞的不渗透性，是一种安全有效的靶向方法  这些药剂的交付仍然难以捉摸。 使用血管输送的基因疗法的一个重大障碍是  绕过内皮屏障。 我们一直在开发一种独特的技术，使用静脉注射  通过超声波触发空化（膨胀和收缩）的核酸负载微泡（MB）（美国），  引起邻近细胞膜的短暂透化并输送由细胞携带的治疗剂  MB。 这种针对特定地点的非侵入性传递方法的潜力是非凡的，更重要的是因为 MB  US 换能器还提供同时实时图像引导治疗导航的功能。 尽管  它的承诺，超声波触发 MB 空化 (UTMC) 作为交付的功效背后的机制  人们对平台知之甚少。 如果不了解安全和可靠的基本机制，  有效的生物治疗递送是由 UTMC 实现的，其最终的床边翻译是不可能的。  我们  假设微循环中的 MB 空穴对内皮细胞产生非致命的机械扰动  细胞，导致信号事件，最终导致内皮屏障通透性过高。  我们建议在体外  系统地探究机制途径的研究，随后进行体内实验来调查 UTMC  实时检测内皮屏障效应，解决三个具体目标：(1) 通过以下方式确定机制：  UTMC 增加内皮屏障渗透性。 我们将使用涂有内皮细胞的 Transwell  并操纵候选途径来测试 UTMC 诱导的 Ca2+ 流入增加内皮细胞的假设  渗透性。  我们将使用多色共聚焦显微镜光学测量伴随的细胞事件，因此  将屏障功能与细胞反应相关联；；(2) 确定体内 MB 空化之间的关系  大分子 (siRNA) 的行为和跨内皮转运。  我们将使用定制的超高  测速相机可视化体内 US-MB 微循环中的振动，以测试 MB 的假设  空化引起可量化的机械事件，然后导出控制 UTMC 介导的物理原理  通透性过高；；（3）：确定装载 siRNA 的 MB 的外渗途径和细胞命运  UTMC 在体内。 我们将在提睾微循环中使用活体高速多色共焦显微镜来  可视化内皮屏障特性和装载 siRNA 的 MB 命运。  我们的多学科团队团结一致  物理学/声学与生物学/生理学相结合，深入了解基本物理和细胞机制  底层 UTMC 促进的基因传递。 最终，我们的研究将为优化定义合理的基础  这项非凡的技术并加速核酸疗法向床边的转化。

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