Guiada por imagen potenciada por convección Entrega en Modelos en gel de agarosa del Cerebro

Resumen

Entrega potenciada por convección (CED) se ha propuesto como una opción de tratamiento para una amplia gama de enfermedades neurológicas. Con el fin de preparar a los profesionales de atención de salud para la adopción del CED, se necesitan modelos de formación accesibles. Se describe el uso de gel de agarosa como tal modelo del cerebro humano para la prueba, la investigación y la capacitación.

Resumen

Entrega potenciada por convección (CED) se ha propuesto como una opción de tratamiento para una amplia gama de enfermedades neurológicas. Neuroinfusion catéter CED permite un flujo mayor presión positiva para ofrecer una mayor cantidad de productos terapéuticos para lograr un objetivo intracraneal que los métodos de administración de fármacos tradicionales. La utilidad clínica de la resonancia magnética en tiempo real guiado CED (rCED) se encuentra en la capacidad de localizar con precisión, seguimiento de la terapia, e identificar complicaciones. Con el entrenamiento, rCED es eficiente y las complicaciones puede ser minimizado. El modelo en gel de agarosa del cerebro proporciona una herramienta accesible para las pruebas de CED, la investigación y la capacitación. Cerebro simulado rCED permite la práctica de la cirugía simulada mientras que también proporciona una retroalimentación visual de la infusión. Análisis de infusión permite el cálculo de la fracción de distribución (Vd / Vi) permitiendo que el aprendiz para verificar la similitud del modelo en comparación con el tejido cerebral humano. En este artículo se describe nuestra fantasma cerebro en gel de agarosa y se esbozan importante metrics durante una infusión y análisis CED protocolos mientras que abordan problemas más comunes que enfrentan durante la CED de infusión para el tratamiento de enfermedades neurológicas.

Introducción

Entrega potenciada por convección (CED) se ha propuesto como una opción de tratamiento para un amplio espectro de trastornos neurológicos que incluyen tumores malignos cerebrales, epilepsia, trastornos metabólicos, enfermedades neurodegenerativas (como la enfermedad de Parkinson) ^1, derrames cerebrales y trauma ^2. CED emplea flujo mayor presión positiva para la distribución de un fármaco u otro líquido de infusión. CED proporciona la entrega segura, fiable y homogénea de compuestos de bajo peso molecular, que van de menor a mayor, con un volumen clínicamente relevantes ^3. Administración de fármacos tradicional al tejido cerebral está severamente restringido por la barrera sangre-cerebro ^4. Formado por las uniones estrechas entre las células endoteliales que forman los capilares en el cerebro, los bloques de barrera de sangre-cerebro polar y moléculas de alto peso molecular a partir de entrar en el parénquima del cerebro. Perfusión cerebral intraparenquimatosa directo vía CED puede superar las limitaciones de las modalidades de administración de fármacos terapéuticos anterioresy permite el uso de agentes terapéuticos que no cruzaría la barrera sangre-cerebro, y por lo tanto han sido previamente disponible como opciones de tratamiento viables ^5.

Investigadores de los Institutos Nacionales de Salud de EE.UU. (NIH) describen CED a principios de 1990 como un medio para alcanzar mayores concentraciones terapéuticas de medicamentos que por simple difusión ^6-8. Los primeros métodos de CED consistió en implantar uno o más catéteres en el cerebro, la conexión de una bomba de infusión para el catéter, y el bombeo de los agentes terapéuticos directamente en la región objetivo. Se informó que el aumento de la fracción de distribución y concentración relativamente estable a ocurrir como la presión positiva creada por la bomba de infusión hace que los tejidos se dilaten y permiten la permeación del fármaco ^9.

La técnica fundamental para CED sigue siendo en gran medida el mismo que se describió por primera vez. Los avances en el diseño del catéter ^10, técnica de infusión ^{11, control de presión de la línea 2, y el seguimiento de MRI en tiempo real para corregir desplazamiento cerebro 12, 13, optimizar múltiples infusiones colineales 14, y vigilar para la pérdida de líquido de infusión 15 se han incrementado la seguridad y eficacia del tratamiento 10. Importancia adicional ha sido colocado en el diseño del catéter y la estrategia de infusión incluyendo la velocidad de flujo. El éxito de CED, con reflujo catéter limitada y el daño tisular, se ha correlacionado con el diseño del catéter y la velocidad de infusión. El uso de un catéter con un diámetro estrecho y una baja tasa de infusión para limitar el flujo de retorno a lo largo de la interfaz cerebro-catéter, así como limitar los daños en la punta del catéter 16. La RM proporciona una confirmación visual de la ubicación correcta para la colocación del catéter de infusión, y por lo tanto la administración de fármacos, además de facilitar la corrección del reflujo infusión o entrega aberrante 17. Las imágenes de RM también se pueden utilizar para aproximar y realizar un seguimiento de los volúmenes de distribución (Vd) Del fármaco infundido. El Vd se calcula utilizando un valor de intensidad de la señal RM mayor que tres desviaciones estándar por encima de la media del gel no infusa que rodea como un umbral para la segmentación 18. El Vd es una medida útil para CED, ya que representa el volumen del fármaco distribuido en el cerebro. Junto con el volumen infundido (VI), en una relación puede ser generada (Vd / Vi) cuantificar el volumen cubierto por el fármaco infundido.}

Fantasmas en gel de agarosa imitan varias propiedades mecánicas cruciales del cerebro humano importantes para la comprensión de CED tales como: Vd, interacciones de gel en catéter, propiedades poroelásticos, y la morfología de infusión nube ^10. Las mezclas de 0,2% de gel de agarosa se ​​ha demostrado para imitar los cambios en vivo en la fracción de poros locales causadas por la dilatación de gel debido a la CED. Una fracción de poro similar a cerebro humano promueve interacciones similares y mediciones precisas de Vd ^19. Adicionalmente, concentraciones similares de ungeles garose tales como 0,6% y 0,8% han demostrado perfiles de presión de infusión similares al cerebro ^20. Además, los geles de agarosa translúcidas proporcionan la ventaja de visualización en tiempo real de la colocación del catéter de infusión y el reflujo. Fantasmas en gel de agarosa son relativamente baratos de producir. El costo de los fantasmas de gel de agarosa puede ser clave para la formación generalizada en toda futura cirugía neurológica. Debido a estas propiedades, geles de agarosa proporcionan un sustituto útil, la replicación de muchos de los atributos clave de infusiones cerebrales humanos sin el uso de tejido cerebral.

Como se indicó anteriormente, guiado imagen-CED en modelos de gel de agarosa proporciona un beneficioso método in vitro para la prueba, la investigación y la capacitación. El propósito de este artículo es describir cómo recrear fantasmas gel de agarosa, para delinear los protocolos de ensayos y análisis CED sean apropiados, y para hacer frente a los errores comunes que enfrentan durante las infusiones CED para el tratamiento de enfermedades neurológicas.

Protocolo

1. Preparación de Gel Phantoms y tinte

1. Preparar 0,2% de gel de agarosa disolviendo 2 g de 0,1% de polvo de agarosa en 1000 ml de agua desionizada. Se agita la solución durante aproximadamente 1 min para asegurar una mezcla adecuada; y microondas inmediatamente la solución en 3 minutos durante 9 minutos o hasta que quede transparente, revolviendo entre los intervalos.
2. Mientras que el gel de agarosa es líquido, vierta la solución en 5 cm x 5 cm x 5 cm contenedores. Deje espacio en la parte superior del contenedor para agregar el agua y permitir que el gel de agarosa se enfríe y se asiente.
3. Una vez que el gel de agarosa se ha solidificado (aproximadamente 1-2 horas), añadir 1 cm de agua a la parte superior del gel y refrigerar. Lo mejor es usar el gel dentro de 24 a 48 h de la mezcla, pero puede ser almacenado hasta por una semana refrigerado ^10.
4. Preparar un colorante de radio-contraste en una jeringa de 60 ml que consiste en 50 ml de 0,017% de bromofenol colorante azul (BPB), y 2 mM de gadoteridol medios de comunicación de radio-contraste.
   1. Combine 8,5 mg de tinte BPB a 50 ml de agua desionizada para crear una solución de 0,017% de BPB.
   2. Añadir 0,2 ml de solución madre 0,5 M gadoteridol a la solución 50 ml de BPB 0,017% para crear una solución gadoteridol 2 mM.

2. Preparación de Sistema de Infusión

1. Sistema de infusión de la bomba de jeringa (método preferido): Para la preparación de bomba de jeringa, sujetar el catéter de infusión directamente a la jeringa a través del sensor de presión, lo que reduce el volumen muerto de la línea de infusión. La función de purga de la bomba de jeringa puede ser utilizado para limpiar la línea de aire usando un bolo mayor que el volumen de cebado del catéter a una velocidad de 10 l / min.
2. Sistema de infusión de la bomba de tubo (método alternativo): Conecte la jeringa que contiene el tinte de radio-contraste con la bomba de infusión. Una el sensor de presión a la salida de la bomba con el transductor conectado al monitor IV. Adjuntar un catéter de infusión 16 G para el extremo abierto del sensor de presión. Nota: La punta del G catéter de infusión 16 tiene un diámetro internometro de 0,2 mm y un diámetro exterior de 0,35 mm. La punta está hecha de sílice fundida y la longitud de la punta es de 3 mm. Aumenta a aproximadamente 0,75 mm y se prolonga durante 15 mm, el catéter luego intensifica de forma cónica de 1,6 mm o 16 G.
3. Preparar para perfusión purgando el sistema durante aproximadamente 15 min a 16.667 l / min para eliminar las burbujas de aire. No exceda el caudal 16.667 l / min, ya que la máquina dejará de infusión debido a la alta presión de la línea. Después de fijar el catéter de infusión a la línea de salida de la bomba de infusión, líneas de purga de aire mediante el uso de la función "bolo" en la bomba de infusión.
4. Fije el soporte del catéter de infusión y el marco de la trayectoria al contenedor fantasma gel (5 cm x 5 cm x 5 cm) y el lugar en el MRI.

3. CED Gel de infusión y MR escaneo

1. Poner a cero el valor de la presión (mmHg) registrado por el monitor IV antes de comenzar la perfusión.
2. Inserte el catéter de infusión en el gel de agarosa wITH la bomba de infusión funcionando a la velocidad de flujo más bajo posible, en este caso 1.667 l / min.
3. Comenzar la exploración de RM, utilizando los parámetros listados en la Tabla 1, y continuar la infusión a un ritmo de 1.667 l / min. Infundir el gel a una velocidad constante hasta que el volumen total infundido alcanza 60 l (aproximadamente 38 min).
4. Explore el gel de forma continua en 3 minutos y los intervalos de 50 seg. Registre las lecturas de presión cada 60 seg. Una vez que el volumen infundido alcanza 60 l, apague la bomba de infusión; y la RM completa sin dejar de grabar lecturas de la presión.

4. Análisis de datos MR

1. Para el análisis de las imágenes de RM, utilice un visor DICOM apropiada con la funcionalidad de segmentación ROI.
2. Seleccione el marco correcto en cada escanear marcado por la sección transversal del catéter según se ve en la Figura 1.
3. Usando el "retorno de la inversión - rectángulo" de herramientas, seleccione la porción más grande del gel que no incluye ningunaporción de la zona de infusión. La salida de la voluntad de software una densidad media de píxeles con una desviación estándar. Encuentre el valor que corresponde a tres desviaciones estándar de la media. Este valor se utiliza como umbral para determinar cuando el contraste está presente con un nivel de confianza del 99,7%.
4. Usando el "retorno de la inversión - el círculo" de la herramienta, rodear el lugar de la infusión con un gran círculo lo suficiente y dar a esto un nombre único.
5. Seleccione el círculo y con el "retorno de la inversión - valores de los píxeles se ajusta en" herramienta, valor de umbral de entrada se encuentra en el paso 4.3 en "si el valor actual es mayor que:" y checkmark esta línea solamente. Luego, en "a este nuevo valor:", introduzca un valor grande (25.000). Reiniciar la densidad de píxeles para seleccionar el área abarcada por el umbral previamente definido.
6. A continuación, utilizando el "retorno de la inversión - crecer región (2D/3D segmentación)" de herramientas, seleccione la región 2D crece, el algoritmo de la confianza con el parámetro radio inicial = 2, y el ROI cepillo. Haga clic dentro de la zona de infusión para el software para calcular la superficie total of esta región.
7. Suponiendo una nube de infusión esférica, calcular el volumen de difusión desde la zona a través de la siguiente ecuación: V = 4/3π (√ (Área / π)) ³

Resultados

Interpretar y analizar infusiones CED implican varios factores importantes, como la fracción de distribución y el reflujo líquido de infusión. El cálculo de la fracción de distribución depende en gran medida en el cálculo de la Vd. Por lo tanto, la correcta interpretación de las imágenes de RM es fundamental. Se propone un método semi-automatizado para reproducir de forma fiable estas mediciones como se indica anteriormente. Estos métodos de determinar objetivamente el área de la sección transversal de la ...

Discusión

Los pasos críticos para garantizar el éxito de la infusión son: purgar la línea de infusión de aire, mezclando el gel de agarosa, el análisis de los datos de RM, utilizando pequeños diámetros de catéter interno, utilizando escalonada diseños de catéter para reducir al mínimo el reflujo, y la minimización de la presión sentida por el gel o tejido en el que se está infundiendo el fármaco. Como se dijo anteriormente, en detrimento principal para el éxito de la infusión es la línea de aire de infusi...

Materiales

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 Gauge 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