Immagine-guida di consegna convezione-enhanced in gel di agarosio Modelli del cervello

Riepilogo

Convezione avanzata consegna (CED) è stata proposta come opzione di trattamento per una vasta gamma di malattie neurologiche. Al fine di preparare professionisti sanitari per l'adozione del CED, sono necessari modelli di formazione accessibili. Descriviamo l'uso di gel di agarosio come un tale modello di cervello umano per il test, la ricerca, e la formazione.

Abstract

Convezione avanzata consegna (CED) è stata proposta come opzione di trattamento per una vasta gamma di malattie neurologiche. Neuroinfusion catetere CED permette di flusso di massa pressione positiva per fornire maggiori quantità di terapie per un obiettivo intracranica rispetto ai metodi di somministrazione dei farmaci tradizionali. L'utilità clinica del reale tempo MRI guidate CED (rCED) si trova nella capacità di colpire con precisione, monitorare la terapia e identificare le complicanze. Con la formazione, rCED è efficiente e le complicanze possono essere minimizzati. Il modello gel di agarosio del cervello fornisce uno strumento accessibile per i test CED, la ricerca e la formazione. Cervello simulato rCED permette la pratica della chirurgia finto fornendo anche un feedback visivo della infusione. Analisi di infusione consente di calcolare la frazione di distribuzione (Vd / Vi) permettendo l'allievo per verificare la somiglianza del modello rispetto al tessuto cerebrale umano. In questo articolo si descrive il nostro gel di agarosio phantom cervello e delinea importante metrics durante una CED protocolli di infusione e di analisi, mentre affrontando le insidie ​​più comuni affrontate durante CED di infusione per il trattamento della malattia neurologica.

Introduzione

Convezione-enhanced consegna (CED) è stata proposta come opzione di trattamento per un ampio spettro di disturbi neurologici, tra cui tumori maligni cerebrali, epilessia, disordini metabolici, malattie neurodegenerative (come il morbo di Parkinson) ^1, ictus e trauma ^2. CED impiega bulk flow pressione positiva per la distribuzione di un farmaco o altro infusate. CED fornisce consegna sicura, affidabile e omogenea di composti con peso molecolare, che vanno dal basso verso l'alto, a volumi clinicamente rilevanti ^3. Somministrazione di farmaci tradizionali al tessuto cerebrale è fortemente limitata dalla barriera emato-encefalica ^4. Formata dalle giunzioni strette tra le cellule endoteliali che costituiscono i capillari nel cervello, i blocchi barriera ematoencefalica polare e molecole ad alto peso molecolare di entrare nel parenchima del cervello. Diretto infusione cerebrale intraparenchimale via CED in grado di superare i limiti delle precedenti modalità di consegna della droga terapeutichee permette l'uso di agenti terapeutici che non attraversa la barriera emato-encefalica, e quindi stato precedentemente non disponibili come opzioni di trattamento vitale ^5.

I ricercatori del National Institutes of Health degli Stati Uniti (NIH) hanno descritto CED nei primi anni 1990 come un mezzo per raggiungere maggiori concentrazioni terapeutiche di farmaco che da sola diffusione ^6-8. I primi metodi di CED coinvolti impiantare uno o più cateteri nel cervello, collegando una pompa per infusione al catetere, e pompando gli agenti terapeutici direttamente nella regione di destinazione. La frazione di distribuzione maggiore e concentrazione relativamente stabile è riportata, come la pressione positiva creata dalla pompa di infusione provoca i tessuti si dilatano e permettono di permeazione del farmaco ^9.

La tecnica fondamentale per CED rimane in gran parte lo stesso che è stato descritto. I progressi nella progettazione catetere ^10, tecnica di infusione ^{11, il monitoraggio della pressione linea 2, e il monitoraggio MRI in tempo reale per correggere turno cervello 12, 13, ottimizzare le infusioni multiple collineari 14, e monitor per la perdita infusate 15 hanno aumentato la sicurezza e l'efficacia del trattamento 10. Ulteriori importanza è stata posta nella progettazione del catetere e la strategia di infusione compreso la portata. Successo CED, con limitata reflusso catetere e danni ai tessuti, è stata correlata con il disegno del catetere e la velocità di infusione. L'uso di un catetere con un diametro ridotto e una bassa velocità di infusione di limitare riflusso lungo l'interfaccia cervello-catetere nonché limitare i danni alla punta del catetere 16. RM fornisce una conferma visiva della posizione corretta per il posizionamento del catetere di infusione, e quindi la consegna della droga, consentendo anche per la correzione di infusione di reflusso o di consegna aberrante 17. MR immagini possono anche essere utilizzato per stimare e monitorare i volumi di distribuzione (Vd) Del farmaco infuso. Il Vd è calcolato utilizzando un valore di intensità di segnale RM superiore a tre deviazioni standard sopra la media dal gel non infusa circostante come soglia per la segmentazione 18. Il Vd è una misura utile per CED perché rappresenta il volume del farmaco distribuiti nel cervello. Insieme al volume infuso (Vi), un rapporto può essere generato (Vd / Vi) quantificare il volume coperto dal farmaco infuso.}

Fantasmi gel di agarosio imitano diversi cruciali proprietà meccaniche del cervello umano importanti per la comprensione CED quali: Vd, interazioni gel-catetere, proprietà poroelastic e infusione nube morfologia ^10. Miscugli di 0,2% gel di agarosio hanno dimostrato di mimare cambiamenti in vivo in frazione poro locale causate da gel dilatazione a causa CED. Una frazione poro simile a cervello umano promuove interazioni simili e misure accurate di Vd ^19. Inoltre, simili concentrazioni di ungel garose come 0,6% e 0,8% hanno mostrato profili di pressione di infusione simili al cervello ^20. Inoltre, i gel di agarosio traslucide forniscono il vantaggio di visualizzazione in tempo reale di posizionamento del catetere e l'infusione reflusso. Fantasmi gel di agarosio sono relativamente poco costosi da produrre. Il costo dei fantasmi gel di agarosio può essere la chiave per il futuro della formazione diffusa in tutto neurochirurgia. Grazie a queste proprietà, gel di agarosio forniscono un utile surrogato, replicando molti degli attributi chiave di infusioni cervello umano senza l'uso del tessuto cerebrale.

Come detto sopra, guidata dalle immagini CED in modelli di gel di agarosio fornisce un vantaggioso metodo in vitro per la prova, la ricerca, e la formazione. Lo scopo di questo articolo è quello di descrivere come ricreare fantasmi gel agarosio, a delineare opportuni protocolli di test e analisi CED, e per affrontare gli errori più comuni affrontate durante le infusioni CED per il trattamento della malattia neurologica.

Protocollo

1. Preparazione di gel Phantoms e Dye

1. Preparare 0,2% gel di agarosio sciogliendo 2 g di 0,1% agarosio in polvere in 1000 ml di acqua deionizzata. Agitare la soluzione per circa 1 min per assicurare la corretta miscelazione; e forno a microonde immediatamente la soluzione in 3 min intervalli di 9 minuti o fino a quando chiara, mescolando tra gli intervalli.
2. Mentre il gel di agarosio è liquido, versare la soluzione in 5 cm x 5 cm x 5 centimetri contenitori. Lasciare spazio nella parte superiore del contenitore di aggiungere acqua e lasciare il gel di agarosio raffreddare e decantare.
3. Una volta che il gel agarosio si è solidificato (circa 1-2 ore), aggiungere 1 cm di acqua alla superficie del gel e conservare in frigorifero. E 'meglio usare il gel entro 24-48 h di miscelazione, ma può essere conservato per un massimo di una settimana refrigerato ^10.
4. Preparare un colorante di contrasto radio in una siringa da 60 ml con 50 ml di 0,017% blu di bromofenolo colorante (BPB), e 2 mM di Gadoteridolo mezzi di contrasto radio.
   1. Combina 8.5 mg di BPB tintura a 50 ml acqua deionizzata per creare una soluzione di BPB 0,017%.
   2. Aggiungere 0,2 ml di 0,5 M magazzino Gadoteridolo alla soluzione BPB 50 ml 0,017% per creare una soluzione di Gadoteridolo 2 mM.

2. Preparazione del Sistema di Infusione

1. Sistema di infusione pompa a siringa (metodo preferito): Per la preparazione pompa a siringa, collegare il catetere di infusione direttamente alla siringa attraverso il sensore di pressione, riducendo il volume morto della linea di infusione. La funzione di spurgo della pompa siringa può essere utilizzata per pulire la linea di aria utilizzando un bolo superiore al volume di priming del catetere ad una velocità di 10 ml / min.
2. Sistema di infusione pompa Tube (metodo alternativo): Collegare la siringa contenente il colorante radio contrasto con la pompa per infusione. Fissare il sensore di pressione alla mandata della pompa con il trasduttore collegato al monitor IV. Attaccare un catetere di infusione 16 G all'estremità aperta del sensore di pressione. Nota: La punta del catetere G 16 di infusione ha un diametro internometro di 0,2 mm e un diametro esterno di 0,35 mm. La punta è fatta di silice fusa e la lunghezza della punta è di 3 mm. Aumenta di a circa 0,75 mm, continua per 15 mm, il catetere poi passi in modo conico a 1,6 mm o 16 G.
3. Preparare per infusione da spurgo del sistema per circa 15 min a 16.667 ml / min per rimuovere eventuali bolle d'aria. Non superare la portata di 16.667 ml / min, in quanto la macchina cesserà di infusione a causa della pressione alta linea. Seguendo il fissaggio del catetere di infusione alla linea che esce dalla pompa di infusione, linee di spurgo d'aria usando la funzione "bolo" della pompa di infusione.
4. Fissare il supporto del catetere di infusione e telaio traiettoria al contenitore gel phantom (5 centimetri x 5 cm x 5 cm) e posto in MRI.

3. CED Gel Infusion e MR scansione

1. Azzerare il valore della pressione (mmHg) registrati dal monitor IV prima di iniziare l'infusione.
2. Inserire il catetere di infusione nel gel di agarosio with la pompa di infusione esecuzione alla portata più bassa, in questo caso 1.667 ml / min.
3. Iniziare la scansione MR, utilizzando i parametri elencati nella Tabella 1, e continuare l'infusione ad una velocità di 1.667 ml / min. Infondere il gel ad una velocità costante fino al volume totale infuso raggiunge i 60 microlitri (circa 38 minuti).
4. Eseguire la scansione del gel continuamente in 3 minuti e 50 secondi intervalli. Registrare le letture della pressione ogni 60 sec. Una volta che il volume infuso raggiunge i 60 microlitri, spegnere la pompa di infusione; e la scansione MR completo, pur continuando a registrare valori di pressione.

4. MR Analisi dei dati

1. Per analizzare le immagini RM, utilizzare un visualizzatore DICOM appropriata con funzionalità di segmentazione ROI.
2. Selezionare il frame corretto in ogni scansione segnato dalla sezione trasversale del catetere come si vede nella Figura 1.
3. Utilizzando il "ROI - bottone" Strumento, selezionare la parte più grande del gel che non include alcunparte del sito di infusione. La volontà di uscita software una densità di pixel media con deviazione standard. Trovare il valore pari a tre deviazioni standard dalla media. Questo valore viene utilizzato come soglia per determinare quando il contrasto è presente con una confidenza del 99,7%.
4. Utilizzando il "ROI - circolo" strumento, circondare il sito di infusione con una abbastanza grande cerchio e dare a questo un nome univoco.
5. Selezionare il cerchio e con il "ROI - impostare i valori dei pixel a" utensile, valori di soglia d'ingresso si trovano in fase 4.3 in "se il valore corrente è maggiore:" la casella e segno di spunta solo questa linea. Poi, in "a questo nuovo valore:" la casella, immettere un valore grande (25.000). Aggiorna la densità di pixel per selezionare l'area compresa all'interno soglia precedentemente definito.
6. Successivamente, utilizzando il "ROI - crescere regione (2D/3D segmentazione)" strumento, selezionare la regione 2D in crescita, algoritmo di fiducia con il parametro raggio iniziale = 2, e pennello ROI. Fare clic all'interno del sito di infusione per il software per calcolare la superficie totale of questa regione.
7. Assumendo una nuvola infusione sferica, calcolare il volume di diffusione dalla zona tramite la seguente equazione: V = 4/3π (√ (Area / π)) ³

Risultati

Interpretazione e analisi di infusi CED coinvolgono diversi fattori importanti quali la frazione di distribuzione e reflusso infusate. Il calcolo frazione distribuzione dipende pesantemente sul calcolo del Vd. Pertanto, l'interpretazione accurata delle immagini RM è fondamentale. Proponiamo un metodo semi-automatico per riprodurre in modo affidabile queste misure, come riportato sopra. Questi metodi oggettivamente determinare l'area della sezione trasversale della nube infusate e un raggio approssimativo. Mentr...

Discussione

I passaggi critici per assicurare il successo dell'infusione sono: spurgo della linea di infusione di aria, mescolando il gel di agarosio, analizzando i dati di RM, con piccoli diametri catetere interno, utilizzando intensificato disegni catetere per minimizzare riflusso, e riducendo al minimo la pressione percepita dal gel o tessuto in cui viene infusa farmaco. Come affermato in precedenza, il danno principale al successo della infusione è aria linea di infusione. Correttamente e completamente lo spurgo dell...

Materiali

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