Guidée par l'image convection-enhanced livraison en modèles Agarose Gel du cerveau

Résumé

livraison de convection-enhanced (CED) a été proposée comme une option de traitement pour un large éventail de maladies neurologiques. Afin de préparer les professionnels de la santé pour l'adoption de DEC, les modèles de formation accessibles sont nécessaires. Nous décrivons l'utilisation d'un gel d'agarose en tant que tel modèle du cerveau humain pour le test, la recherche et la formation.

Résumé

livraison de convection-enhanced (CED) a été proposée comme une option de traitement pour un large éventail de maladies neurologiques. Neuroinfusion cathéter DEC permet de écoulement de la masse de pression positive pour offrir de plus grandes quantités de produits thérapeutiques destinés à une cible intracrânienne que les méthodes d'administration de médicaments traditionnels. L'utilité clinique de vrai IRM temps guidé DEC (RCED) réside dans la capacité de cibler avec précision, surveiller le traitement et identifier les complications. Avec la formation, RCED est efficace et les complications peuvent être minimisés. Le modèle de gel d'agarose du cerveau est un outil accessible pour les tests de DEC, la recherche et la formation. Cerveau simulé RCED permet en pratique de la chirurgie simulée, tout en fournissant une rétroaction visuelle de la perfusion. Analyse de perfusion permet le calcul de la fraction de distribution (Vd / Vi) permettant à l'élève de vérifier la similitude du modèle par rapport aux tissus du cerveau humain. Cet article décrit notre gel d'agarose cerveau fantôme et décrit moi importantetrics cours des protocoles de perfusion et d'analyse de DEC tout en répondant aux pièges les plus courants rencontrés lors de la perfusion de DEC pour le traitement des maladies neurologiques.

Introduction

livraison de convection-enhanced (CED) a été proposée comme une option de traitement pour un large éventail de troubles neurologiques, y compris les tumeurs malignes du cerveau, l'épilepsie, les troubles métaboliques, les maladies neurodégénératives (comme la maladie de Parkinson) ^1, le coup et traumatisme ^2. DEC emploie flux massique à pression positive pour la distribution d'un médicament ou d'une autre solution de perfusion. DEC fournit une livraison sûre, fiable et homogène des composés de poids moléculaire, allant de faible à élevé, à des volumes cliniquement pertinentes ^3. L'administration de médicaments traditionnels aux tissus du cerveau est sévèrement limitée par la barrière hémato-encéphalique ^4. Formé par les jonctions serrées entre les cellules endothéliales qui forment les capillaires dans le cerveau, les blocs barrière hémato-encéphalique et polaire des molécules de haut poids moléculaire de pénétrer dans le parenchyme du cerveau. Direct perfusion cérébrale intraparenchymateuse par DEC peut surmonter les limites des thérapeutiques modalités de délivrance de médicaments précédentset permet l'utilisation d'agents thérapeutiques qui ne serait pas traverser la barrière hémato-encéphalique, et ont donc été disponibles auparavant comme options de traitement viables ^5.

Les chercheurs de l'US National Institutes of Health (NIH) ont décrit DEC dans les années 1990 comme un moyen de réaliser de plus grandes concentrations thérapeutiques que par diffusion seul ^6-8. Les premières méthodes de CED impliqués implantation d'un ou plusieurs cathéters dans le cerveau, la connexion d'une pompe de perfusion vers le cathéter, et le pompage des agents thérapeutiques directement dans la région ciblée. La fraction accrue de la distribution et de la concentration relativement stable est rapporté à se produire lorsque la pression positive créée par la pompe de perfusion des tissus provoque une dilatation et permettent la perméation du médicament ^9.

La technique fondamentale pour CED reste largement la même comme il a été décrit pour la première. Les progrès de la conception du cathéter ^10, la technique de perfusion ^{11, contrôle de la pression de la ligne 2, et le suivi de l'IRM en temps réel pour corriger cerveau quart de 12, 13, optimiser plusieurs perfusions colinéaires 14, et de surveiller la perte infusat 15 ont augmenté la sécurité et l'efficacité du traitement 10. Une importance accrue a été accordée à la conception du cathéter et de la stratégie de perfusion, y compris débit. Successful DEC, avec reflux limité de cathéter et des dommages aux tissus, a été corrélée avec la conception de cathéter et la vitesse de perfusion. L'utilisation d'un cathéter avec un petit diamètre et un faible taux de perfusion de limiter le refoulement le long de l'interface cerveau-cathéter ainsi que de limiter les dommages à l'extrémité du cathéter 16. L'IRM permet la confirmation visuelle de l'emplacement correct pour le placement du cathéter de perfusion, et donc l'administration de médicaments, tout en permettant également la correction des reflux d'infusion ou la livraison aberrante 17. Images IRM peuvent également être utilisés pour se rapprocher et de suivre les volumes de distribution (Vd) Du médicament perfusé. Le Vd est calculée en utilisant une valeur d'intensité du signal d'imagerie par RM supérieure à trois écarts types au-dessus de la moyenne à partir du gel non infuse entourant comme un seuil pour la segmentation 18. Le Vd est une mesure utile pour DEC, car elle représente le volume du médicament distribué dans le cerveau. Avec le volume perfusé (Vi), un rapport peut être généré (Vd / Vi) quantifier le volume couvert par le médicament perfusé.}

Fantômes de gel d'agarose imitent plusieurs propriétés mécaniques essentielles du cerveau humain importants pour la compréhension de DEC telles que: Vd, interactions gel cathéter, propriétés poro-élastiques, et perfusion nuage morphologie ^10. Il a été démontré mélanges de gel d'agarose 0,2% à imiter les changements in vivo de la fraction des pores locale causés par gel dilatation due à DEC. Une fraction de pores similaire à cerveau humain favorise les interactions similaires et des mesures précises de Vd ^19. En outre, des concentrations similaires d'ungarose tels que des gels de 0,6% et 0,8% ont montré des profils de pression de perfusion du cerveau similaires à ^20. En outre, les gels d'agarose translucides offrent l'avantage de visualisation en temps réel de la pose du cathéter et de la perfusion un reflux. Fantômes de gel d'agarose sont relativement peu coûteux à produire. Le coût des fantômes de gel d'agarose peut être la clé de la formation future répandue dans la chirurgie neurologique. En raison de ces propriétés, les gels d'agarose fournissent un substitut utile, reproduisant un grand nombre des principaux attributs de perfusion du cerveau humain, sans l'utilisation du tissu cérébral.

Comme indiqué ci-dessus, guidée par l'image CED dans les modèles de gel d'agarose fournit un effet bénéfique méthode in vitro pour les tests, la recherche et la formation. Le but de cet article est de décrire comment recréer fantômes de gel d'agarose, d'esquisser des protocoles d'essai et d'analyse DEC appropriées, et de traiter les erreurs courantes rencontrées lors des perfusions de DEC pour le traitement des maladies neurologiques.

Protocole

1. Préparation du gel Phantoms et Dye

1. Préparer un gel d'agarose à 0,2% par dissolution de 2 g de poudre d'agarose à 0,1% dans 1000 ml d'eau désionisée. Agiter la solution pendant environ 1 minute pour assurer un mélange adéquat; et micro-ondes immédiatement la solution à intervalles de 3 minutes pour 9 min ou jusqu'à ce qu'il dégage, en remuant entre les intervalles.
2. Alors que le gel d'agarose est liquide, verser la solution dans 5 cm x 5 cm x 5 cm conteneurs. Laisser de l'espace dans la partie supérieure du récipient pour permettre à l'eau et ajouter le gel d'agarose à refroidir et décanter.
3. Une fois que le gel d'agarose est solidifié (environ 1-2 heures), ajouter 1 cm d'eau au-dessus du gel et réfrigérer. Il est préférable d'utiliser le gel dans les 24-48 heures de mélange, mais il peut être stocké pendant jusqu'à une semaine au réfrigérateur ^10.
4. Préparer un colorant radio contraste dans une seringue de 60 ml composé de 50 ml de 0,017% bromophénol colorant bleu (BPB), et 2 mM de gadotéridol médias radio contraste.
   1. Mélanger 8,5 mg de BPB colorant à 50 ml d'eau déminéralisée pour créer une solution BPB 0,017%.
   2. Ajouter 0,2 ml de stock de 0,5 M gadotéridol à la solution BPB 50 ml 0,017% pour créer une solution de gadotéridol 2 mM.

2. Préparation du système de perfusion

1. Système de perfusion de la pompe à seringue (méthode préférée): Pour la préparation de la pompe à seringue, joindre le cathéter de perfusion directement à la seringue à travers le capteur de pression, en réduisant le volume mort de la ligne de perfusion. La fonction de purge de la pompe à seringue peut être utilisée pour dégager la ligne de l'air à l'aide d'un bol plus grand que le volume d'amorçage du cathéter à un débit de 10 ul / min.
2. Système de perfusion de la pompe à tube (méthode alternative): connexion de la seringue contenant le colorant de contraste radio à la pompe de perfusion. Attacher le capteur de pression à la sortie de la pompe avec le transducteur attaché au moniteur IV. Attacher un cathéter de perfusion 16 G à l'extrémité ouverte du capteur de pression. Remarque: La pointe du cathéter de perfusion G 16 a un diamètre intérieurmètre de 0,2 mm et un diamètre extérieur de 0,35 mm. L'embout est réalisé en silice fondue et la longueur de la pointe est de 3 mm. Il augmente à environ 0,75 mm et continue de 15 mm, le cathéter, puis accélère de façon conique de 1,6 mm ou 16 G.
3. Préparer pour perfusion en purgeant le système pendant environ 15 min à 16.667 l / min pour éliminer les bulles d'air. Ne pas dépasser le débit 16,667 pi / min, que la machine cessera perfusion en raison de la haute pression de ligne. À la suite de la fixation du cathéter de perfusion à la ligne sortant de la pompe à perfusion, lignes de purge d'air à l'aide de la fonction "bolus" de la pompe à perfusion.
4. Fixer le support du cathéter de perfusion et le cadre trajectoire au conteneur gel fantôme (5 cm x 5 cm x 5 cm) et sa place dans la IRM.

3. DEC Gel perfusion et M. balayage

1. Zéro la valeur de pression (mmHg) enregistrées par le moniteur de IV avant de commencer la perfusion.
2. Insérer le cathéter de perfusion dans le gel d'agarose wvec la pompe à perfusion en cours d'exécution au débit le plus faible possible, dans ce cas, 1.667 pi / min.
3. Commencer l'analyse de M., en utilisant les paramètres indiqués dans le tableau 1, et la perfusion continue à un taux de 1,667 pi / min. Infuser le gel à une vitesse constante jusqu'à ce que le volume total perfusé atteint 60 pi (environ 38 min).
4. Scannez le gel continu en 3 min et 50 seconde d'intervalle. Enregistrer les lectures de pression toutes les 60 secondes. Une fois le volume perfusé atteint 60 pi, éteignez la pompe à perfusion; et la numérisation de M. complet tout en continuant à enregistrer des lectures de pression.

4. Analyse des données MR

1. Pour l'analyse des images IRM, utiliser une visionneuse DICOM approprié avec des fonctionnalités ROI de segmentation.
2. Sélectionner la trame correcte dans chaque balayage marqué par la section transversale du cathéter comme on le voit sur ​​la figure 1.
3. Utilisation du "retour sur investissement - rectangle" outil, sélectionnez la plus grande partie du gel qui n'inclut paspartie du site de perfusion. La volonté de sortie du logiciel une densité de pixels de moyenne avec un écart type. Trouver la valeur qui correspond à trois écarts types de la moyenne. Cette valeur est utilisée comme seuil pour déterminer quand le contraste est présent à un niveau de confiance de 99,7%.
4. Utilisation du "retour sur investissement - cercle" outil, encercler le site de perfusion avec un grand cercle assez et donner ce un nom unique.
5. Sélectionnez le cercle et en utilisant le "ROI - définir des valeurs de pixels à" outil, la valeur de seuil d'entrée trouvée dans l'étape 4.3 en "si la valeur actuelle est supérieure à:" boîte et cochez cette ligne uniquement. Puis, dans "à cette nouvelle valeur:", entrez une valeur élevée (25 000). Réinitialiser la densité de pixels pour sélectionner la zone couverte par le seuil préalablement défini.
6. Ensuite, en utilisant le "ROI - développer la région (2D/3D segmentation)" outil, sélectionnez 2D région de plus en plus, l'algorithme de confiance avec le paramètre de rayon initial = 2, et brosse ROI. Cliquer à l'intérieur du site de perfusion pour le logiciel pour calculer l'aire totale of cette région.
7. En supposant une perfusion nuage sphérique, calculer le volume de diffusion de la région par l'intermédiaire de l'équation suivante: V = 4/3π (√ (Région / π)) ³

Résultats

Interprétation et analyse des infusions DEC impliquent plusieurs facteurs importants tels que la fraction de distribution et reflux infusat. Le calcul de la fraction de répartition dépend en grande partie sur le calcul de la Vd. Par conséquent interprétation précise des images IRM est essentielle. Nous proposons une méthode semi-automatique pour reproduire de façon fiable ces mesures énumérées ci-dessus. Ces méthodes déterminent objectivement la surface de section transversale du nuage de liquide infusé et...

Discussion

Les étapes essentielles pour assurer le succès de la perfusion sont: la purge de la ligne de perfusion de l'air, en mélangeant le gel d'agarose, l'analyse des données de RM, l'utilisation de petits diamètres de cathéter interne, en utilisant des gradins des conceptions de cathéters pour réduire au minimum le reflux, et en minimisant la pression ressentie par l' gel ou de tissu dans lequel le médicament est perfusé. Comme indiqué précédemment, le principal détriment de la réussite...

matériels

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