The blood-brain barrier (BBB) limits the delivery of systemically administered drugs to the brain. Methods to circumvent the BBB have been developed, but none are used in standard clinical practice. The lack of adoption of existing methods is due to procedural invasiveness, serious adverse effects, and the complications associated with performing such techniques coincident with repeated drug administration, which is customary in chemotherapeutic protocols. Pulsed ultrasound, a method for disrupting the BBB, was shown to effectively increase drug concentrations and to slow tumor growth in preclinical studies. We now report the interim results of an ultrasound dose-escalating phase 1/2a clinical trial using an implantable ultrasound device system, SonoCloud, before treatment with carboplatin in patients with recurrent glioblastoma (GBM). The BBB of each patient was disrupted monthly using pulsed ultrasound in combination with systemically injected microbubbles. Contrast-enhanced magnetic resonance imaging (MRI) indicated that the BBB was disrupted at acoustic pressure levels up to 1.1 megapascals without detectable adverse effects on radiologic (MRI) or clinical examination. Our preliminary findings indicate that repeated opening of the BBB using our pulsed ultrasound system, in combination with systemic microbubble injection, is safe and well tolerated in patients with recurrent GBM and has the potential to optimize chemotherapy delivery in the brain.

The blood-brain barrier (BBB) limits the efficacy of drug therapies for glioblastoma (GBM). Preclinical data indicate that low-intensity pulsed ultrasound (LIPU) can transiently disrupt the BBB and increase intracerebral drug concentrations.A first-in-man, single-arm, single-center trial (NCT02253212) was initiated to investigate the transient disruption of the BBB in patients with recurrent GBM. Patients were implanted with a 1-MHz, 11.5-mm diameter cranial ultrasound device (SonoCloud-1, CarThera). The device was activated monthly to transiently disrupt the BBB before intravenous carboplatin chemotherapy.Between 2014 and 2016, 21 patients were registered for the study and implanted with the SonoCloud-1; 19 patients received at least one sonication. In 65 ultrasound sessions, BBB disruption was visible on T1w MRI for 52 sonications. Treatment-related adverse events observed were transient and manageable: a transient edema at H1 and at D15. No carboplatin-related neurotoxicity was observed. Patients with no or poor BBB disruption (n = 8) visible on MRI had a median progression-free survival (PFS) of 2.73 months, and a median overall survival (OS) of 8.64 months. Patients with clear BBB disruption (n = 11) had a median PFS of 4.11 months, and a median OS of 12.94 months.SonoCloud-1 treatments were well tolerated and may increase the effectiveness of systemic drug therapies, such as carboplatin, in the brain without inducing neurotoxicity.See related commentary by Sonabend and Stupp, p. 3750.

Abstract Given the marginal penetration of most drugs across the blood-brain barrier, the efficacy of various agents remains limited for glioblastoma (GBM). Here we employ low-intensity pulsed ultrasound (LIPU) and intravenously administered microbubbles (MB) to open the blood-brain barrier and increase the concentration of liposomal doxorubicin and PD-1 blocking antibodies (aPD-1). We report results on a cohort of 4 GBM patients and preclinical models treated with this approach. LIPU/MB increases the concentration of doxorubicin by 2-fold and 3.9-fold in the human and murine brains two days after sonication, respectively. Similarly, LIPU/MB-mediated blood-brain barrier disruption leads to a 6-fold and a 2-fold increase in aPD-1 concentrations in murine brains and peritumoral brain regions from GBM patients treated with pembrolizumab, respectively. Doxorubicin and aPD-1 delivered with LIPU/MB upregulate major histocompatibility complex (MHC) class I and II in tumor cells. Increased brain concentrations of doxorubicin achieved by LIPU/MB elicit IFN-γ and MHC class I expression in microglia and macrophages. Doxorubicin and aPD-1 delivered with LIPU/MB results in the long-term survival of most glioma-bearing mice, which rely on myeloid cells and lymphocytes for their efficacy. Overall, this translational study supports the utility of LIPU/MB to potentiate the antitumoral activities of doxorubicin and aPD-1 for GBM.

Amyotrophic lateral sclerosis (ALS) is a fatal neurodegenerative disease characterized by a progressive loss of motor neurons. The limited efficacy of recent therapies in clinical development may be linked to lack of drug penetration to the affected motor neurons due to the blood-brain barrier (BBB) and blood-spinal cord barrier (BSCB).