Bildgestützte Konvektion-enhanced Lieferung in Agarose-Gel-Modelle des Gehirns

Zusammenfassung

Konvektion Enhanced Delivery (CED) wurde als Behandlungsmöglichkeit für eine Vielzahl von neurologischen Erkrankungen vorgeschlagen. Um Fachkräfte des Gesundheitswesens für die Annahme der CED vorzubereiten, werden zugänglich Ausbildungsmodelle notwendig. Wir beschreiben die Verwendung von Agarose-Gel als solches Modell des menschlichen Gehirns, die für Tests, Forschung und Ausbildung.

Zusammenfassung

Konvektion Enhanced Delivery (CED) wurde als Behandlungsmöglichkeit für eine Vielzahl von neurologischen Erkrankungen vorgeschlagen. Neuroinfusion Katheter CED ermöglicht Druck Schüttstrom, größere Mengen von Therapeutika auf eine intrakranielle Ziel als herkömmliche Arzneimittelverabreichungsmethoden zu liefern. Der klinische Nutzen der Echtzeit-MRT-geführte CED (RCED) liegt in der Fähigkeit, genau zu zielen, zu überwachen Therapie und Komplikationen zu identifizieren. Mit Ausbildung ist RCED effiziente und Komplikationen minimiert werden. Die Agarose-Gel-Modell des Gehirns bietet eine zugängliche Tool für CED Prüfung, Forschung und Ausbildung. Simulierte Gehirn RCED ermöglicht Praxis der Scheinoperation während auch visuelle Rückmeldung der Infusion. Analyse der Infusion gestattet Berechnung der Verteilung Fraktion (Vd / Vi), so dass der Trainee, um die Ähnlichkeit des Modells zu überprüfen, verglichen mit menschlichen Hirngewebe. Dieser Artikel beschreibt unsere Agarose-Gel-Phantom Gehirn und weist auf wichtige michtrics während einer CED Infusions-und Analyseprotokolle beim Adressieren häufigsten Fallstricke bei CED konfrontiert Infusion zur Behandlung von neurologischen Erkrankungen.

Einleitung

Konvektion Enhanced Delivery (CED) wurde als Behandlungsoption für ein breites Spektrum neurologischer Erkrankungen einschließlich bösartiger Hirntumoren, Epilepsie, Stoffwechselerkrankungen, neurodegenerativen Erkrankungen (wie Parkinson-Krankheit) ^1, Schlaganfall und Trauma ² vorgeschlagen. CED beschäftigt Druck Schüttstrom für den Vertrieb eines Arzneimittels oder anderen Infusionslösung. CED bietet sichere, zuverlässige, homogene und Lieferung von molekularen Verbindungen, die von niedrig bis hoch, in klinisch relevanten Mengen ^3. Traditionelle Arzneimittelabgabe an Hirngewebe ist stark durch die Blut-Hirn-Schranke ⁴ beschränkt. Von den engen Verbindungen zwischen Endothelzellen, aus denen sich die Kapillaren in das Gehirn, die Blut-Hirn-Schranke Blöcke polaren und hochmolekulare Moleküle vom Betreten des Parenchym des Gehirns gebildet. Direkt intraparenchymal Gehirn Infusion über CED können die Einschränkungen der bisherigen therapeutischen Drug-Delivery-Modalitäten zu überwindenund ermöglicht die Verwendung von Therapeutika, die die Blut-Hirn-Schranke nicht überqueren würde, und haben daher bisher nicht als praktikable Behandlungsmöglichkeiten ⁵ gewesen.

Forscher der US-amerikanischen National Institutes of Health (NIH) beschrieben CED in den frühen 1990er Jahren als ein Mittel zur Erreichung größere therapeutische Wirkstoffkonzentrationen als durch Diffusion allein ^6-8. Die ersten Verfahren der CED beteiligt Implantieren eines oder mehrerer Katheter in das Gehirn, den Anschluss einer Infusionspumpe mit dem Katheter und Pumpen der therapeutische Mittel direkt in die Zielregion. Die erhöhte Bruchverteilung und relativ stabile Konzentration wird berichtet, auftreten, wie der positive Druck, der durch die Infusionspumpe bewirkt, dass die Gewebe zu erweitern und damit für das Eindringen des Drogen ^9.

Die grundlegende Technik für CED ist weitgehend das gleiche wie es zuerst beschrieben wurde. Fortschritte in der Katheter-Design ^10, Infusionstechnik ^{11, Zeile 2 Drucküberwachung und Echtzeit-Überwachung für MRI Brain Shift 12, 13 zu korrigieren, optimieren mehrere Infusionen kollinear 14, und Monitor für Infusions Verlust 15 haben die Sicherheit und Wirksamkeit der Behandlung 10 erhöht. Zusätzliche Bedeutung hat Design auf dem Katheter und Infusions Strategie, einschließlich Durchsatz gelegt. Erfolgreiche CED, mit begrenzten Katheterrückfluss-und Gewebeschäden, mit Katheter Design und Infusionsrate korreliert. Die Verwendung eines Katheters mit einem kleinen Durchmesser und einer niedrigen Infusionsgeschwindigkeit auf Rückfluss entlang der Gehirnkatheter Schnittstelle sowie Schadensbegrenzung an der Katheterspitze 16 zu begrenzen. MR-Bildgebung bietet visuelle Bestätigung der korrekten Position für Infusionskatheter Platzierung, und damit Medikamentenabgabe, aber dabei auch für die Korrektur der Infusions Reflux oder abweichende Liefer 17. MR-Bilder können auch verwendet werden, um zu approximieren und verfolgen die Verteilungsvolumina (Vd werden) Des infundierten Medikaments. Vd unter Verwendung eines MR-Bildgebungssignalstärkewert größer als drei Standardabweichungen über dem Mittelwert von der umgebenden nicht-infundierten Gel als Schwellenwert für die Segmentierung 18 berechnet. Vd ist ein nützliches Maß für CED weil es das Volumen des Arzneimittels im Gehirn verteilt darstellt. Zusammen mit dem infundierten Volumen (Vi), kann ein Verhältnis erzeugt werden (Vd / Vi) Quantifizieren der von der infundierten Volumen Medikament bedeckt.}

Agarose-Gel-Phantome imitieren mehrere entscheidende mechanischen Eigenschaften des menschlichen Gehirns wichtig für das Verständnis, wie CED: Vd, Gel-Katheter-Interaktionen, poroelastischen Eigenschaften und Infusions Cloud Morphologie ^10. Mischungen von 0,2% Agarosegel wurde gezeigt, dass in vivo Veränderungen der lokalen Porenanteil durch Gel Dilatation durch CED verursacht imitieren. Eine ähnliche Porenanteil menschliche Gehirn fördert ähnliche Wechselwirkungen und genaue Messungen von Vd ^19. Zusätzlich, ähnlich den Konzentrationen agarose Gele wie 0,6% und 0,8% haben ähnliche Profile Infusionsdruck an das Gehirn ²⁰ gezeigt. Ferner werden die durchscheinenden Agarosegelen den Vorteil einer Echtzeit-Darstellung der Katheterplatzierung und Infusions Rückfluß. Agarose-Gel-Phantome sind relativ preiswert zu produzieren. Die Kosten für die Agarose-Gel-Phantome Schlüssel zur Zukunft weit verbreitete neurologische Ausbildung während der Operation. Aufgrund dieser Eigenschaften Agarosegelen eine nützliche Ersatz Replizieren viele der wichtigsten Attribute des menschlichen Gehirns Infusionen ohne die Verwendung von Hirngewebe.

Wie oben angegeben, Bild-geführte CED in Agarose-Gel-Modelle bietet eine vorteilhafte In-vitro-Verfahren zur Prüfung, Forschung und Ausbildung. Der Zweck dieses Artikels ist es zu beschreiben, wie Agarose-Gel Phantome neu zu erstellen, um geeignete CED Test-und Analyseprotokolle erläutern und gemeinsame Fehler bei der CED-Infusionen zur Behandlung von neurologischen Erkrankung konfrontiert sind.

Protokoll

1. Herstellung von Gel Phantoms und Dye

1. Planen 0,2% Agarose-Gel durch Auflösen von 2 g 0,1%-Agarose-Pulver in 1000 ml deionisiertem Wasser. Rühren Sie die Lösung für ca. 1 min auf gute Durchmischung zu gewährleisten; Mikrowelle und sofort die Lösung in 3-Minuten-Intervallen für 9 min oder bis klar ist, Rühren zwischen den Intervallen.
2. Während das Agarosegel flüssig ist, die Lösung auf 5 cm x 5 cm x 5 cm Behälter. Lassen Sie Platz an der Spitze des Behälters mit Wasser hinzufügen und damit die Agarose-Gel zu kühlen und zu begleichen.
3. Sobald die Agarose-Gel (ca. 1-2 Std.) verfestigt, fügen Sie 1 cm Wasser an die Spitze des Gels und im Kühlschrank lagern. Es ist am besten, um das Gel innerhalb von 24-48 h Mischen verwenden, aber es kann gespeichert werden für bis zu einer Woche im Kühlschrank ^10.
4. Vorbereitung eines Radiokontrastmittel in einer 60 ml-Spritze, die aus 50 ml der 0,017% Bromphenolblau-Farbstoff (BPB) und 2 mM Gadoteridol Radiokontrastmittel.
   1. Kombinieren 8,5 mg Farbstoff BPB zu 50 ml VE-Wasser, um eine 0,017% BPB-Lösung zu schaffen.
   2. In 0,2 ml 0,5 M Gadoteridol Lager an die 50 ml 0,017% BPB Lösung, um eine 2 mM Gadoteridol Lösung zu schaffen.

2. Vorbereitung der Infusion System

1. Spritzenpumpe Infusionssystem (bevorzugte Methode): Zur Herstellung einer Spritzenpumpe, befestigen den Infusionskatheter direkt mit der Spritze durch den Drucksensor, wodurch das Totvolumen der Infusionsleitung. Die Spülfunktion der Spritzenpumpe verwendet werden, um die Linie der Luft klar unter Verwendung eines Bolus größer als der Füllvolumen des Katheters mit einer Rate von 10 ul / min.
2. Schlauchpumpe Infusionssystem (alternative Methode): Verbinden Sie die Spritze mit der Radio-Kontrastmittel mit der Infusionspumpe. Befestigen Sie den Drucksensor an der Pumpenausgang mit dem Wandler an die IV-Monitor angebracht. Anfügen einer 16 G Infusionskatheter an dem offenen Ende des Drucksensors. Hinweis: Die Spitze des 16 G Infusionskatheter hat einen InnendurchmesserMesser von 0,2 mm und einem Außendurchmesser von 0,35 mm. Die Spitze ist aus Quarzglas und die Spitzenlänge beträgt 3 mm. Es erhöht sich auf etwa 0,75 mm und geht seit 15 mm, werden die Schritte der Katheter in einer Art und Weise verjüngt auf 1,6 mm oder 16 G.
3. Bereiten Sie sich für Infusion durch Spülen des Systems für ca. 15 min bei 16.667 ml / min, um Luftblasen zu entfernen. Die 16.667 ul / min Durchflussmenge darf nicht überschritten werden, da die Maschine Infusion aufgrund der hohen Leitungsdruck einzustellen. Nach Anbringen des Infusionskatheter zur Linie Verlassen der Infusionspumpe, Spülungsleitungen von Luft durch die Verwendung der Funktion "Bolus" auf der Infusionspumpe.
4. Befestigen Sie die Infusionskatheter montieren und Flugbahn Rahmen auf das Gel Phantombehälter (5 cm x 5 cm x 5 cm) und in der MRT.

3. CED Gel Infusions-und MR-Scanning

1. Null den Druckwert (mmHg) durch die IV-Monitor vor Beginn der Infusion aufgezeichnet.
2. Legen Sie die Infusionskatheter in die Agarose-Gel-with die Infusionspumpe läuft bei der niedrigsten Strömungsgeschwindigkeit möglich, in diesem Fall 1,667 ul / min.
3. Beginnen die MR-Scan, mit den in Tabelle 1 aufgeführten Parameter und die Infusion mit einer Geschwindigkeit von 1,667 ml / min. Infuse das Gel mit einer konstanten Rate, bis das Gesamtvolumen infundiert 60 ul (ca. 38 min) erreicht.
4. Scannen des Gels kontinuierlich in 3 Minuten und 50 Sekunden Abständen. Notieren Sie sich die Druckwerte alle 60 sek. Sobald das Volumen infundiert 60 ul erreicht, schalten Sie die Infusionspumpe; und vollständige MRT-Untersuchungen während weiterhin Druckwerte aufzuzeichnen.

4. MR Datenanalyse

1. Für die Analyse der MR-Bilder, verwenden Sie ein entsprechendes DICOM-Viewer mit ROI-Segmentierung Funktionalität.
2. Wählen Sie den richtigen Rahmen in jedem Scan durch den Querschnitt des Katheters, wie in Abbildung 1 zu sehen ist markiert.
3. Mit Hilfe der "ROI - Rechteck"-Werkzeug, wählen Sie den größten Teil des Gels, das keine keineTeil der Infusionsstelle. Die Software ausgeben wird eine mittlere Pixeldichte mit Standardabweichung. Finden Sie den Wert, der drei Standardabweichungen vom Mittelwert entspricht. Dieser Wert wird als der Schwellenwert zur Bestimmung, wann Kontrast mit einem Vertrauen von 99,7% vorliegt verwendet.
4. Mit Hilfe der "ROI - Kreis" Werkzeug, umkreisen die Infusionsstelle mit einem ausreichend großen Kreis und geben diesem einen eindeutigen Namen.
5. Wählen Sie den Kreis und mit dem "ROI - Set Pixelwerte zu" Werkzeug in Schritt 4.3 in die Eingangsschwellenwert ", wenn aktuelle Wert größer als:"-Box und Häkchen nur diese Zeile. Dann in "auf diesen neuen Wert:" geben Sie einen großen Wert (25.000). Stellen Sie die Pixeldichte, um den Bereich von der vorher definierten Schwelle umfasste auswählen.
6. Weiter mit dem "ROI - Region wachsen (2D/3D Segmentierung)"-Werkzeug, wählen Sie 2D-Anbaugebiet, das Vertrauen Algorithmus mit Anfangsradius Parameter = 2, und Pinsel ROI. Klicken Sie in der Infusionsstelle für die Software, um die gesamte Fläche zu berechnen of diese Region.
7. Unter der Annahme einer sphärischen Infusions Wolke berechnen das Volumen der Diffusion aus der Umgebung über die folgende Gleichung: V = 4/3π (√ (Fläche / π)) ³

Ergebnisse

Interpretation und Analyse von CED Infusionen umfassen mehrere wichtige Faktoren wie Verteilungsfraktion und Infusions Reflux. Die Verteilung Bruchrechnung hängt stark von der Berechnung der Vd. Daher genaue Interpretation der MR-Bilder, ist kritisch. Wir schlagen ein halbautomatisches Verfahren zum zuverlässigen Wiedergeben dieser Messungen wie oben aufgeführt. Diese Verfahren objektiv bestimmen die Querschnittsfläche des Infusions Wolke und eine ungefähre Radius. Während variabel, in Agarose-Gel die Infusion Wol...

Diskussion

Die kritischen Schritte für den Erfolg der Infusion sind: Spülen der Infusionsleitung von Luft, das Mischen der Agarose-Gel, die Analyse der MR-Daten, mit kleinen Innendurchmessern Katheter mit abgestuften Katheterkonstruktionen, um einen Rückfluß zu minimieren und eine Minimierung der Druck, der durch den Filz Gel oder Gewebe, in das das Arzneimittel infundiert. Wie zuvor erwähnt, die Haupt Nachteil für den Erfolg der Infusion Infusionsleitung Luft. Richtig und gründlich Spülen des Infusionsleitung von Lu...

Materialien

Name	Company	Catalog Number	Comments
Prohance	Bracco		Gadoteridol radio contrast media
Bromophenol blue dye	Biorad	161-0404	Dye for infusate visualization
Agarose gel powder	Biorad	161-3101EDU	Agarose powder for creating gels
Medrad Veris MR Vital Signs Monitor	Medrad		MR safe infusion pressure monitor
16 G SmartFlow Catheter	SurgiVision		Infusion catheter
Medrad Continuum MR Infusion System	Medrad		MR safe infusion pump
SMART Frame MRI Guided trajectory frame	ClearPoint		Infusion catheter frame
Osirix imaging software and DICOM Viewer	Osirix Imaging Software		OsiriX 32-bit DICOM Viewer