Imagem-guiado Entrega reforçada-Convecção em Modelos gel de agarose do Cérebro

Resumo

Administração realçada por convecção (CED) tem sido proposto como uma opção de tratamento para uma grande variedade de doenças neurológicas. A fim de preparar profissionais de saúde para a adoção de CED, são necessários modelos de formação acessíveis. Descreve-se o uso de gel de agarose como tal modelo do cérebro humano para o teste, pesquisa e treinamento.

Resumo

Administração realçada por convecção (CED) tem sido proposto como uma opção de tratamento para uma grande variedade de doenças neurológicas. Neuroinfusion cateter CED permite o fluxo em massa de pressão positiva para entregar maiores quantidades de terapêutica para um alvo intracraniano do que os métodos tradicionais de distribuição de drogas. A utilidade clínica de ressonância magnética tempo real guiada CED (RCED) reside na capacidade para alvejar com precisão, monitorizar a terapia, e identificar complicações. Com o treinamento, RCED é eficiente e as complicações podem ser minimizadas. O modelo em gel de agarose do cérebro fornece uma ferramenta acessível para testes CED, pesquisa e treinamento. Cérebro simulado RCED permite a prática da cirurgia simulada ao mesmo tempo proporcionar feedback visual da infusão. Análise de infusão permite calcular a fracção de distribuição (Vd / Vi) permitindo que o aluno para verificar a semelhança do modelo, em comparação com tecido cerebral humano. Este artigo descreve o nosso fantasma cérebro em gel de agarose e descreve-me importantetrics durante uma infusão de DEC e análise de protocolos, enquanto que abordam problemas comuns enfrentados durante a infusão CED para o tratamento de doenças neurológicas.

Introdução

Administração realçada por convecção (CED) tem sido proposto como uma opção de tratamento para um largo espectro de desordens neurológicas, incluindo tumores malignos do cérebro, epilepsia, distúrbios metabólicos, doenças neurodegenerativas (tais como a doença de Parkinson) ^1, acidente vascular cerebral e trauma ^2. CED emprega fluxo maior pressão positiva para a distribuição de uma droga ou outra infusato. CED prevê a entrega segura, confiável e homogêneo de compostos de massa molecular, variando de baixa a alta, em volumes clinicamente relevantes ^3. Entrega da droga tradicional para o tecido cerebral é severamente limitada pela barreira sangue-cérebro ^4. Formada pelas junções apertadas entre as células endoteliais que formam os capilares do cérebro, os blocos de barreira sangue-cérebro e moléculas polares de elevado peso molecular a partir de entrar no parênquima do cérebro. Infusão cérebro intraparenquimal direto via CED pode superar as limitações das modalidades de entrega de drogas terapêuticas anteriorese permite a utilização de agentes terapêuticos que não atravessam a barreira sangue-cérebro, e portanto, tem sido previamente disponível como opções de tratamento viáveis ^​​5.

Pesquisadores de os EUA National Institutes of Health (NIH) descreveu CED no início de 1990 como um meio de alcançar maiores concentrações de drogas terapêuticas que por difusão sozinho ^6-8. Os primeiros métodos de CED envolvido implantar um ou mais cateteres no cérebro, ligando uma bomba de infusão para o cateter, e bombeando os agentes terapêuticos directamente na região alvo. O aumento da fracção de distribuição e concentração relativamente estável é relatado para ocorrer como a pressão positiva criada pela bomba de infusão faz com que os tecidos para dilatar e permitem a permeação do fármaco ^9.

A técnica fundamental para CED permanece praticamente a mesma que foi descrita pela primeira vez. Avanços no desenho de cateter ^10, técnica de infusão ^{11, monitoramento de pressão na linha 2, e monitoramento em tempo real de ressonância magnética para corrigir a mudança cérebro 12, 13, otimizar infusões múltiplas colineares 14, e monitorar a perda infusato 15 aumentaram a segurança e eficácia do tratamento 10. Importância adicional foi colocada no cateter de design e estratégia de infusão incluindo a taxa de fluxo. Successful CED, com refluxo cateter limitado e danos nos tecidos, tem sido correlacionada com design cateter e taxa de infusão. O uso de um cateter com um diâmetro estreito e uma taxa de infusão de baixo para limitar o refluxo ao longo da interface cérebro-cateter, bem como limitar os danos na ponta do cateter 16. RM fornece confirmação visual do local correto para a colocação do cateter de infusão e, assim, a entrega da droga, ao mesmo tempo, permitindo a correção de refluxo infusão ou entrega aberrante 17. As imagens de RM também pode ser usada para aproximar e controlar os volumes de distribuição (Vd) Do fármaco infundido. O Vd é calculada usando um valor de intensidade de sinal ressonância magnética superior a três desvios padrão acima da média da envolvente gel não-infundido como um limite para a segmentação 18. O Vd é uma medição útil para CED pois representa o volume do fármaco distribuído no cérebro. Juntamente com o volume infundido (VI), um rácio pode ser gerado (Vd / Vi) quantificar o volume coberto pelo fármaco infundido.}

Fantasmas em gel de agarose imitar várias propriedades mecânicas cruciais do cérebro humano importantes para a compreensão CED, tais como: Vd, interações gel-cateter, propriedades poroelásticos e morfologia infusão nuvem ^10. As misturas de 0,2% de gel de agarose foram mostrados para imitar in vivo alterações na fracção de poros locais provocadas pela dilatação de gel devido ao DCE. Uma fração de poros semelhante ao cérebro humano promove interações semelhantes e medições precisas de Vd ^19. Adicionalmente, concentrações semelhantes de umgéis garose tais como 0,6% e 0,8% mostraram perfis similares de pressão de perfusão para o cérebro ^20. Além disso, os géis de agarose translúcidos têm a vantagem de visualização em tempo real de colocação do cateter e infusão de refluxo. Fantasmas em gel de agarose são relativamente baratos de produzir. O custo dos fantasmas de gel de agarose pode ser a chave para o futuro da formação generalizada em toda a cirurgia neurológica. Devido a estas propriedades, os géis de agarose a fornecer um substituto útil, replicar muitos dos atributos chave da infusão de cérebro humano, sem a utilização de tecido do cérebro.

Como dito acima, imagem-guiada CED em modelos de gel de agarose fornece um benéfico método in vitro para teste, pesquisa e treinamento. O objetivo deste artigo é descrever como recriar fantasmas gel de agarose, para delinear os protocolos de ensaio e análise CED apropriados, e para resolver os erros mais comuns enfrentados durante infusões de DEC para o tratamento de doenças neurológicas.

Protocolo

1. Preparação de Gel Phantoms e Dye

1. Prepare a 0,2% de gel de agarose por dissolução de 2 g de 0,1% de agarose em pó, em 1000 ml de água desionizada. Agitar a solução durante cerca de 1 min para garantir a mistura adequada; e microondas imediatamente a solução em 3 intervalos mínimo para 9 min ou até que claro, mexendo entre os intervalos.
2. Embora o gel de agarose a ser líquido, vazar a solução em 5 cm x 5 cm x 5 cm recipientes. Permitir que o espaço na parte superior do recipiente para adicionar água e permitir que o gel de agarose para arrefecer e assentar.
3. Uma vez que o gel de agarose foi solidificado (cerca de 1-2 horas), adicionar 1 cm de água para a superfície do gel e refrigerar. É melhor utilizar o gel dentro de 24-48 horas de mistura, mas pode ser armazenado durante até uma semana refrigerado ^10.
4. Preparar um corante radio-contraste em uma seringa de 60 ml consistindo em 50 ml de bromofenol 0,017% de corante azul (BPB) e 2 mM de gadoteridol meios de rádio-contraste.
   1. Combine 8,5 mg de corante BPB a 50 ml de água deionizada para criar uma solução BPB 0,017%.
   2. Adicionar 0,2 ml de estoque 0,5 M gadoteridol à solução 50 ml de BPB 0,017% para criar uma solução gadoteridol 2 mM.

2. Preparação do Sistema de Infusão

1. Sistema de bomba de infusão de seringa (método preferido): Para a preparação de uma bomba de seringa, fixar o cateter de infusão directamente para a seringa, através do sensor de pressão, reduzindo o volume morto da linha de perfusão. A função de purga da bomba de seringa podem ser utilizados para limpar a linha de ar usando um bolus maior do que o volume de escorvamento do cateter a uma taxa de 10 mL / min.
2. Sistema de bomba de infusão de tubo (método alternativo): ligar a seringa contendo o corante radio-contraste com a bomba de infusão. Ligue o sensor de pressão de saída da bomba, estando o transdutor acoplado ao monitor IV. Anexar um cateter de infusão de 16 L para a extremidade aberta do sensor de pressão. Nota: A ponta do cateter 16 G infusão tem um diâmetro interiormetro de 0,2 mm e um diâmetro externo de 0,35 mm. A ponta é feita de sílica fundida e o comprimento da ponta é de 3 mm. Ele aumenta a aproximadamente 0,75 mm, e continua durante 15 mm, o cateter, depois, passos acima de uma forma cónica para 1,6 mm ou 16 G.
3. Preparar para infusão purgando o sistema durante cerca de 15 minutos a 16,667 ul / min para remover quaisquer bolhas de ar. Não exceda a taxa de fluxo de 16,667 mL / min, como a máquina deixará de infusão devido à pressão alta linha. Após a fixação do cateter de infusão para a linha de saída da bomba de infusão, linhas de purga de ar, usando a função "Bolus" sobre a bomba de infusão.
4. Fixe o suporte para a infusão do cateter e quadro trajetória ao contêiner fantasma gel (5 cm x 5 cm x 5 cm) e coloque na ressonância magnética.

3. CED Gel Infusion e MR Scanning

1. Zerar o valor da pressão (mmHg) registrado pelo monitor IV antes do início da infusão.
2. Inserir o cateter de infusão para o gel de agarose wom a bomba de infusão, que funciona na taxa de fluxo mais baixa possível, neste caso, 1,667 mL / min.
3. Começar o de ressonância magnética, usando os parâmetros listados na Tabela 1, e continuar a infusão, a uma taxa de 1,667 mL / min. Infundir o gel a uma taxa constante até que o volume total infundido atinge 60 ul (cerca de 38 min).
4. Digitalizar o gel continuamente em 3 min e 50 seg intervalos. Registre as leituras de pressão a cada 60 seg. Uma vez que o volume infundido chega a 60 mL, desligue a bomba de infusão; e digitalização MR completo enquanto continua a gravar leituras de pressão.

4. MR Análise de Dados

1. Para analisar as imagens de RM, use um visualizador DICOM com funcionalidade adequada segmentação ROI.
2. Seleccione a estrutura correcta em cada varredura marcado pela secção transversal do cateter, como visto na Figura 1.
3. Usando o "ROI - retângulo" ferramenta, selecione a maior parte do gel, que não inclui qualquerporção do local da infusão. A vontade saída do software uma densidade de pixels média com desvio padrão. Encontre o valor que corresponde a três desvios-padrão da média. Este valor é usado como o limiar para determinar quando contraste está presente com uma confiança de 99,7%.
4. Usando o "ROI - círculo" ferramenta, cercar o local da infusão com um grande círculo bastante e dar a este um nome único.
5. Selecione o círculo e usando o "ROI - definir valores de pixel para" ferramenta, valor limite de entrada encontrados no passo 4.3 em "se o valor atual é maior do que:" e marque apenas nesta linha. Em seguida, em "para este novo valor:", digite um valor grande (25.000). Repor a densidade de pixels para selecionar a área abrangida pelo limite previamente definido.
6. Em seguida, usando o "ROI - crescer região (segmentação 2D/3D)" ferramenta, selecione a região 2D crescendo, o algoritmo de confiança com o parâmetro raio inicial = 2, e escova ROI. Clique dentro do local de infusão para o software para calcular a área total of esta região.
7. Supondo que uma perfusão de nuvem esférica, calcular o volume de difusão a partir da área através da seguinte equação: V = 4/3π (√ (Área / π)) ³

Resultados

Interpretação e análise de infusões de DEC envolvem vários fatores importantes, como a fração de distribuição e refluxo infusato. O cálculo de fração de distribuição depende muito do cálculo do Vd. Portanto interpretação exata das imagens de RM é fundamental. Propomos um método semi-automatizado para reproduzir com fiabilidade destas medições, listados acima. Estes métodos objectivamente determinar a área de corte transversal da nuvem de solução de infusão e um raio aproximado. Enquanto variáv...

Discussão

Os passos críticos para assegurar o êxito da infusão são: a linha de purga de ar de infusão, a mistura do gel de agarose, a análise dos dados de RM, utilizando pequenos diâmetros do cateter interno, utilizando um passo desenhos de cateter para minimizar o refluxo, e minimizando a pressão sentida pela gel ou tecido no qual a droga está a ser infundido. Como afirmado anteriormente, a principal detrimento para o sucesso da infusão é de perfusão de ar. Corretamente e completamente purgar a linha de infusã...

Materiais

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