Summary
El protocolo presentado aquí demuestra la estereotaxia en el cerebro de cerdo utilizando infusiones mejoradas por convección, con guía de visualización de imágenes de resonancia magnética (MRI) en tiempo real y visualización de distribución de infusión en tiempo real.
Abstract
El objetivo general de este procedimiento es realizar estereotaxia en el cerebro de cerdo con guía de visualización de resonancia magnética (RM) en tiempo real para proporcionar infusiones precisas. El sujeto se colocó boca abajo en el orificio de RM para un acceso óptimo a la parte superior del cráneo con el torso levantado, el cuello flexionado y la cabeza inclinada hacia abajo. Dos pasadores de anclaje anclados en el cigoma bilateral mantenían la cabeza firme usando el soporte de la cabeza. Se colocó una bobina flexible de resonancia magnética (MRI) rostralmente a través del soporte de la cabeza para que el cráneo fuera accesible para el procedimiento de intervención. Se utilizó una cuadrícula de planificación colocada en el cuero cabelludo para determinar el punto de entrada apropiado de la cánula. El marco estereotáctico se aseguró y alineó iterativamente a través de la proyección de software hasta que el error radial proyectado fue inferior a 0,5 mm. Se utilizó un taladro manual para crear un orificio de rebaba para la inserción de la cánula. Se utilizó una coinfusión mejorada con gadolinio para visualizar la infusión de una suspensión celular. Se registraron resonancias magnéticas repetidas ponderadas en T1 en tiempo real durante el proceso de administración del agente para visualizar el volumen de distribución de gadolinio. La estereotaxia guiada por resonancia magnética permite una infusión precisa y controlada en el cerebro del cerdo, con monitoreo simultáneo de la precisión de inserción de la cánula y determinación del volumen de distribución del agente.
Introduction
En este protocolo, describimos la aplicación de un sistema estereotáctico de resonancia magnética intervencionista (iMRI) para la colocación de cánulas y la visualización en tiempo real de infusiones en el cerebro de cerdo. El desarrollo de sistemas de resonancia magnética i permite la colocación precisa del catéter1. La IRM permite visualizar la distribución del agente de infusión en el cerebro de pacientes bajo anestesia general 1,2 para evaluar la precisión del procedimiento en tiempo real.
El sistema estereotáctico guiado por RM es una plataforma específica que permite una precisión de orientación submilimétrica1. Utiliza un dispositivo de puntería montado en el cráneo junto con un software dedicado que proporciona imágenes anatómicas del cerebro con trayectorias de inserción de plomo proyectadas y parámetros de ajuste. La guía de iMRI para la intervención quirúrgica estereotáctica en el cerebro ha demostrado ser eficaz en aplicaciones clínicas, como la estimulación cerebral profunda en el tratamiento de la enfermedad de Parkinson 2,3,4,5, la ablación focal para el tratamiento de la epilepsia 6,7 y la administración mejorada por convección (CED) de fármacos al sistema nervioso central 8,9.
El método CED se utiliza para administrar directamente agentes terapéuticos al sistema nervioso central mediante convección de líquidos. Esto se basa en un pequeño gradiente de presión hidrostática que permite el flujo de una infusión desde la punta de la cánula de infusión hacia el espacio extracelular circundante10. Los métodos estereotácticos se utilizan para administrar altas concentraciones de macromoléculas, moléculas pequeñas 11,12, trasplante de células13,14,15 o agentes terapéuticos en el objetivo de tejido cerebral elegido, eludiendo la barrera hematoencefálica. Factores como la permeabilidad, los coeficientes de difusión, la contrapresión, la captación y los mecanismos de aclaramiento afectan la difusión de los agentes terapéuticos16. Esta técnica utiliza un co-infusión1 a base de gadolinio para la CED clínica, para monitorear el agente de infusión en tiempo real en el objetivo parenquimatoso. Los parámetros como el volumen de distribución en el tejido y la cinética relacionada después de la precisión dirigida se monitorean con iMRI.
Se han estudiado estudios CED de agentes de infusión a través de un sistema de estereotaxia guiado por RM en primates no humanos, lo que resulta en procedimientos precisos, predecibles y seguros. Se ha demostrado que la precisión de colocación de la cánula de infusión alcanza el error de colocación submilimétrico17. El sistema proporciona una distribución predecible de la infusión, con un aumento lineal observado en el volumen de distribución con el volumen de infusión, lo que lleva a una cánula resistente al reflujo introducida posteriormente para infusiones de CED18. Se informó que este procedimiento de infusión de resonancia magnética i no tuvo efectos adversos en primates no humanos19.
Aquí, ampliamos la aplicación de la esterotaxia guiada por RM al cerebro de cerdo, para administrar y monitorear la distribución de un agente de infusión que consiste en una suspensión celular de 300 μL. El tamaño del cerebro del cerdo permite realizar intervenciones de imagen y neuroquirúrgicas que pueden aplicarse clínicamente a los seres humanos, lo que no es posible en modelos animales más pequeños de la enfermedad20. Además, el sistema inmune del cerdo produce respuestas similares a las de los humanos en términos de respuestas a agentes biológicos u otros agentes terapéuticos21. Por lo tanto, trabajar con esta especie animal para procedimientos estereotácticos de administración de fármacos tiene implicaciones clínicas traslacionales directas y puede ser logísticamente más fácil que con la investigación de primates no humanos.
Se utilizó un modelo porcino (cerdo doméstico, hembra, 25 kg, 14 semanas de edad) para la estereotaxia guiada por RM. La implementación visual del procedimiento estereotáctico en cerdos se informa en este estudio. Describimos las adaptaciones del espacio para acomodar una cabeza de cerdo, la visualización del procedimiento tanto en video como en imágenes, y las imágenes de RM concurrentes para evaluar la distribución de la infusión en el cerebro del cerdo. La estereotaxia guiada por RM se realizó en un espacio de RM 3T.
Con este experimento, nuestro grupo demuestra el rendimiento de la estereotaxia guiada por RM en el cerebro de cerdo, y una línea de tiempo de imagen básica para rastrear las infusiones dentro del cerebro. La técnica general para la estereotaxia clínica realizada en humanos se puede aplicar al cráneo y cerebro porcino.
El objetivo general de este procedimiento es realizar estereotaxia guiada por RM en el cerebro de cerdo con guía de visualización de RMN en tiempo real. Esto se logra colocando primero al sujeto boca abajo en el orificio de resonancia magnética para un acceso óptimo a la parte superior del cráneo. El segundo paso es planificar la inserción quirúrgica con guía de visualización asistida por resonancia magnética, que implica la colocación y exploración de una cuadrícula fiducial para determinar el punto de entrada apropiado para una trayectoria planificada previamente. Esto se logra con un escaneo de eco de gradiente rápido (MPRAGE) preparado por magnetización 3D ponderada en T1 de alta resolución (1 mm isótropa), en una duración de 7 min y 44 s. A continuación, aseguramos el marco estereotáctico en la cabeza y ajustamos la alineación iterativamente a través de la proyección de software hasta que el error radial proyectado sea inferior a 0,5 mm. Los rápidos ecos de giro turbo 2D (duración de 13 s) en orientaciones oblicuas proporcionan orientación de imagen. Luego, se realiza una incisión en la piel y se utiliza un taladro manual para crear un orificio de rebaba para la inserción de la cánula de infusión en las coordenadas predefinidas. El paso final es monitorizar la infusión con resonancias magnéticas repetidas ponderadas en T1 (MPRAGE 3D; 1 min 45 s) en tiempo real con coinfusión de gladolinio. Los resultados muestran que la estereotaxia guiada por RM permite una infusión precisa y controlada en el cerebro del cerdo, basada en la guía de RM en tiempo real y las posteriores exploraciones de MRI 3D ponderadas en T1 (resolución isotrópica de 1 mm) utilizadas para visualizar el volumen de distribución.
Protocol
El estudio fue aprobado por el Comité Institucional de Cuidado y Uso de Animales del Instituto de Investigación Metodista de Houston, número de aprobación IACUC IS00006378. Todos los métodos experimentales se realizaron de conformidad con las directrices y reglamentos nacionales e institucionales pertinentes.
1. Posicionamiento de animales
- Coloque al sujeto para un acceso óptimo a la parte superior del cráneo: coloque al sujeto en la mesa de resonancia magnética en preparación para la resonancia magnética.
NOTA: Información del tema: porcino doméstico, hembra, 25 kg, 14 semanas de edad.- Sedar al sujeto con ketamina (600 mg por vía intramuscular [IM]) y midazolam (5 mg IM). Administrar los analgésicos hidromorfona (4 mg IM), carprofeno (100 mg por os) y fentanilo (25 μg tópicos), el antibiótico ceftriaxona (550 mg por vía intravenosa [IV]) y NaCl (0,9% IV).
- Intubar al sujeto. Mantener la anestesia con 2% -3% de isoflurano.
- Controle los signos vitales del sujeto durante todo el procedimiento.
- Ventilar mecánicamente a 16-19 respiraciones/min con un ventilador.
- Coloque al sujeto en la mesa de resonancia magnética en preparación para las exploraciones por resonancia magnética.
- Coloque al sujeto en una posición prona con la cabeza hacia el orificio de resonancia magnética.
- Coloque una bobina flexible de cuatro canales de resonancia magnética estándar en el soporte de la cabeza.
- Estabilice la cabeza del sujeto con el portacabezas.
- Levante el torso con toallas y almohadillas de espuma. El objetivo es que la cabeza caiga ligeramente hacia abajo, con el cuello flexionado y el hocico casi tocando la mesa. Esto ayudará a garantizar que el marco estereotáxico y la cánula de infusión encajen dentro del orificio del escáner de resonancia magnética. Ancle los pines del soporte de la cabeza de la resonancia magnética en el cigoma bilateral para mantener la cabeza fijada a la mesa de resonancia magnética.
- Compruebe que la parte superior del cráneo esté inclinada hacia la parte posterior del escáner con el cuello flexionado. Esta posición permite al cirujano tener acceso a la parte superior del cuero cabelludo cuando el sujeto entra en la resonancia magnética.
- Una vez configurada, la mesa de resonancia magnética se mueve al orificio del escáner hasta que la cabeza del sujeto llega al final del orificio.
2. Planificación de la inserción quirúrgica con guía de visualización asistida por RM
- Prepare el área de manera estéril, teniendo cuidado de evitar que el material preparado entre en los ojos del sujeto. Coloque toallas estériles alrededor del área quirúrgica. Coloque una cortina estéril con una abertura hacia la parte superior del cráneo a la que el cirujano pueda acceder.
- Coloque la rejilla de planificación fiducial en el cuero cabelludo del sujeto colocando el lado adhesivo de la rejilla sobre la cabeza del paciente, centrado alrededor de la ubicación de donde estará el orificio de rebaba.
- Despegue la capa superior llena de líquido de la rejilla mientras mantiene firmemente la capa inferior en posición.
- Realice la exploración de MRI scout con la cuadrícula colocada en su lugar. La exploración a menudo requiere la administración intravenosa de un agente de contraste por RM para visualizar la vasculatura: use una concentración de 1 mmol / ml del agente de contraste gadolinio agente de contraste para un volumen de infusión de 2.5 ml.
NOTA: La exploración scout es una imagen preliminar tomada antes del estudio definitivo de imágenes. El propósito es que el cirujano se asegure de que las imágenes se lleven a cabo cerca de la región de interés y defina los límites de las imágenes. La dosis recomendada a la concentración de 1 mmol/ml, según el fabricante, para el agente de contraste es de 0,1 ml por kilogramo que pesa el animal. - Seleccione la ubicación precisa del cerebro para la inserción de la cánula en el software de guía por RM.
- Asegúrese de que el software permita la visualización de la trayectoria planificada del cirujano para la colocación de la cánula, en función del objetivo seleccionado. Asegúrese de que el software genere la visualización de la trayectoria y el punto de entrada correspondiente.
NOTA: Para este estudio, se seleccionó un sitio en la corteza frontal para apuntar a la materia blanca. Este es un lugar donde muchos gliomas humanos surgen y crecen22. También es un sitio preferencial para la difusión a lo largo de los tractos de materia blanca23.
NOTA: Considere la decisión del cirujano para un punto de entrada, objetivo y trayectoria deseada para minimizar las transgresiones piales y sulcales y evitar los vasos sanguíneos. - Ajuste la trayectoria sugerida, incluidos los puntos de entrada y objetivo deseados, arrastrando manualmente los puntos de entrada y objetivo proyectados en el software para evitar los vasos sanguíneos y minimizar las transgresiones piales y sulcales. La trayectoria se puede cambiar y ver en tres dimensiones.
- Una vez que se identifica la trayectoria deseada en función de las preferencias del cirujano, ejecute el software de guía de RM para encontrar el punto de entrada en la cuadrícula.
- Desplácese por la trayectoria planificada en el escaneo para encontrar el punto de entrada en el cuero cabelludo. El software especifica las coordenadas de la cuadrícula en función de la proyección de la trayectoria planificada en la cuadrícula.
3. Asegurar el marco estereotáctico y ajustar la alineación iterativamente a través de la proyección de software
- Ensamble el marco estereotáctico alrededor de las coordenadas del punto de entrada deseado en la cuadrícula asegurando primero la base con seis tornillos anclados en hueso y cuatro tornillos de desplazamiento.
- Asegure los seis tornillos anclados al hueso al cráneo sobre la rejilla, a través del cuero cabelludo. Los seis tornillos de anclaje se utilizan para estabilizar el marco estereotáctico y evitar cualquier movimiento durante la perforación.
- Asegure los cuatro tornillos de desplazamiento ubicados en la base de la torre a través de la piel, anclados en el cráneo. Actúan como una fuerza contraria para apretar los tornillos del hueso central, levantando la base del marco a los tornillos centrales y estabilizando la base.
- Una vez que la base del marco estereotáctico esté segura, continúe con el ensamblaje del marco.
- Realice la resonancia magnética MPRAGE ponderada en T1 de alta resolución, una opción en el software de resonancia magnética, con el marco establecido para capturar los fiduciales del marco y confirmar la trayectoria.
- Confirme la trayectoria de inserción de la cánula proyectada deseada con el software, visualizando la resonancia magnética y la trayectoria planificada.
- Se toman posteriores resonancias magnéticas de eco de giro turbo 2D para confirmar la alineación del marco con el sujeto una vez que el marco está en su lugar. Si hay una desalineación entre la posición actual del cuadro y la trayectoria deseada, el software genera parámetros de ajuste.
NOTA: El software calcula la diferencia radial entre la proyección de la posición actual del marco estereotáctico y el punto objetivo definido. Este error se utiliza para calcular el error proyectado, que a su vez se utiliza para calcular los ajustes necesarios en el fotograma para minimizarlo.
- Se toman posteriores resonancias magnéticas de eco de giro turbo 2D para confirmar la alineación del marco con el sujeto una vez que el marco está en su lugar. Si hay una desalineación entre la posición actual del cuadro y la trayectoria deseada, el software genera parámetros de ajuste.
- Realice los ajustes de pitch-roll y X-Y girando las ruedas del pulgar, como lo indican los parámetros de ajuste de salida en el software.
- Repita la visualización de MRI habilitada por software de la trayectoria y realice ajustes rotacionales y de traslación (usando las ruedas del pulgar) de la cánula de orientación según sea necesario.
- Usando el software de guía por RM, mida el grosor del cráneo en la trayectoria deseada y la distancia total al cerebro.
NOTA: El software calcula la distancia desde la parte superior del marco (atornillado al cráneo) hasta el punto objetivo para estimar la longitud total.
4. Taladrar e insertar la cánula para perfusión
- Use un exfoliante de yodo antes de realizar la incisión para prevenir infecciones.
- Haga una incisión de 3 cm en el cuero cabelludo, usando un bisturí debajo del marco estereotáctico.
- Configure el bastidor para la inserción del taladro realizando los ajustes antes de crear el orificio de acceso.
- Retire y reemplace el tubo guía central por uno que se ajuste a una broca de 3,4 mm para taladrar.
- Asegúrese de que un asistente esté presente para mantener el marco en su lugar mientras el cirujano perfora con un taladro manual para agregar estabilidad adicional al marco.
- Deje que el cirujano perfore con un taladro giratorio manual para crear un orificio de rebaba de 3,4 mm de diámetro.
- Configure el marco para la inserción del segundo taladro para ensanchar el orificio de rebabas y evitar colisiones óseas que puedan alterar la trayectoria.
- Configure el taladro con la broca de 4,5 mm; Reemplace el tubo guía central por uno que se ajuste a esta broca más grande.
- Cree un orificio de rebaba de 4,5 mm.
- Realice una resonancia magnética para asegurarse de que la cánula de orientación haya vuelto a la trayectoria planificada, ya que la perforación a través del marco a veces puede cambiar la cánula.
- Perfora la duramadre con un estilete afilado.
- Inserte la cánula de infusión compatible con el marco precebado. Asegúrese de que la cánula tenga una contrapresión neutra o positiva constante para limitar la introducción de burbujas de aire.
NOTA: El software proporciona una profundidad especificada al objetivo planificado. - Mida la profundidad en la cánula de infusión compatible con el marco estereotáctico y utilice el tope de profundidad asociado a la cánula. Esta parada de profundidad asegura que la cánula llegue a la ubicación deseada y no vaya más allá de ella. También hay un conjunto de bloqueo y muelle con un tornillo adicional para garantizar que la cánula permanezca a la profundidad deseada.
5. Monitorización de la perfusión con resonancias magnéticas repetidas
- Realice una resonancia magnética para evaluar la inserción de la cánula en la ubicación objetivo correcta en el cerebro.
- Comience la infusión del agente deseado como una coinfusión con un agente de contraste a base de gadolinio.
NOTA: En este experimento, se utilizó una concentración de 1 mM de agente de contraste a base de gadolinio, pero esto puede necesitar ser ajustado en función de la aplicación. Se administró un total de 300 μL de volumen de perfusión a una velocidad de 10 μL/min, aunque esto también puede variar. - Realice una resonancia magnética a intervalos de tiempo regulares para controlar la infusión y el volumen de distribución del agente insertado en la cánula en el cerebro, que se puede inferir debido a la coinfusión de gadolinio.
NOTA: Un área hiperintensa alrededor de la punta de la cánula indica la presencia del agente de contraste a base de gadolinio. - Una vez que termine la infusión, detenga la bomba.
NOTA: La velocidad de infusión utilizada en este estudio fue de 30 μL/min, hasta que el volumen de 300 μL de la suspensión celular fue completamente infundido. - Deje que la cánula permanezca en el cerebro durante 5 minutos después de la terminación de la infusión antes de retirar la cánula.
NOTA: La cánula de infusión generalmente se deja en su lugar durante 5 minutos después de la terminación de la infusión para reducir el reflujo21,24. - Retire la cánula manualmente a través del marco.
- Retire el marco de la cabeza desmontándolo en orden inverso a cómo se construyó.
- Cierre la incisión con una sutura monocril 3-0 o 4-0.
- Apague el isoflurano para prepararse para la recuperación.
- Extubar al sujeto y permitir que se recupere bajo la observación del equipo veterinario.
Representative Results
La posición del cerdo en el escáner de resonancia magnética proporciona un acceso óptimo para que el cirujano opere y la autorización para el marco estereotáxico y la cánula de infusión (Figura 1). El torso del sujeto fue levantado con toallas y almohadillas de espuma. Esto permitió que la cabeza cayera ligeramente hacia abajo al final del orificio de RM y, por lo tanto, aseguró que el marco estereotáxico y la ubicación de inserción de la cánula de infusión fueran óptimamente accesibles para el cirujano.
La visualización guiada por resonancia magnética permite una planificación precisa y la inserción de una cánula en el cerebro (Figura 2). El software de guía MR proporciona el punto de inserción para lograr la trayectoria deseada.
El marco estereotáxico se escaneó en el software y se ajustó para llegar efectivamente a la ubicación deseada (Figura 3). En esta demostración, se eligió una ubicación en la corteza frontal. Una vez que se configuró el marco, el software se utilizó para estimar el grosor del cráneo de cerdo, la distancia a la ubicación deseada desde la base del marco y los ajustes de los parámetros del marco para alcanzar la ubicación deseada. En este caso, para la ubicación y el ángulo de inserción seleccionados, el grosor del cráneo que atravesaría la cánula era de 4,7 mm, y 4,4 mm desde la superficie interior del cráneo hasta la superficie del cerebro (Figura 3A).
Finalmente, las resonancias magnéticas interoperatorias iterativas después de la infusión de la cánula mostraron cómo se administró la infusión al tejido cerebral (Figura 4). Estos escaneos también proporcionaron una comparación de la proyección de la cánula (rectángulo azul) y la trayectoria de la cánula proyectada (rectángulo amarillo), que muestran la efectividad de esta técnica para alcanzar la ubicación deseada. Las exploraciones por RM se tomaron a intervalos regulares de 4-6 min y finalizaron con exploraciones de 10 y 30 min. La infusión mejorada con gadolinio fue tratable en estas exploraciones, que proporcionaron una visualización en tiempo real del volumen de distribución del agente.
Figura 1: Posición del sujeto en la tabla de resonancia magnética. El torso está levantado, el cuello flexionado y la cabeza inclinada hacia abajo. (A) Antes de entrar en el agujero de RM. (B) Sujeto colocado a través del orificio de RM para un acceso óptimo a la parte superior del cráneo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2: Visualización de la estereotaxia guiada por RM . (A) Visualización de la trayectoria planificada. El software genera la ubicación del punto de entrada en la cuadrícula, colocada en el cuero cabelludo. (B) Ubicación del punto de entrada en el cuero cabelludo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3: Trayectoria de intervención después de que el marco está asegurado en el cráneo . (A) Mediciones de la profundidad ósea y la distancia al cerebro. (B) Marco estereotáctico en el cráneo, con un orificio de rebaba creado con un taladro manual. (C) Marco estereotáctico y proyección de reconstrucción 3D en el software. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 4: Time-lapse del agente de infusión mejorado con gadolinio. El área hiperintensa alrededor de la punta de la cánula indica la presencia de gadolinio. Se adquirieron exploraciones por RM repetitivas a lo largo del tiempo para rastrear el volumen de distribución del agente durante la infusión: (A) t = 0, (B) t = 4 min, (C) t = 8 min, (D) t = 12 min, (E) t = 20 min, (F) t = 26 min; y después de que terminó la infusión: (G) t = 36 min, y (H) t = 60 min. La visualización del agente co-infundido ocurre después de 4 minutos. El rectángulo azul es la colocación de la cánula medida, mientras que el rectángulo amarillo muestra la trayectoria de la cánula proyectada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Discussion
Este protocolo presenta el rendimiento de la estereotaxia guiada por RM al cerebro de cerdo dentro de una máquina de RM 3T con la posibilidad de precisión de focalización submilimétrica, como se logró en estudios previos 1,4,17,18,25. Los experimentos previos de cadáveres con estereotaxia guiada por RM mostraron un error radial de 0,2 ± 0,1 mm1. En este informe, el error de profundidad final con respecto a la trayectoria planificada fue de 1,4 mm debido a la evaluación en línea y el ajuste de la trayectoria por parte de los cirujanos. El error de profundidad final fue comparable a los hallazgos de error radial (menos de 2 mm) para implementaciones clínicas de procedimientos estereotácticos de iMRI en humanos26.
Aquí, demostramos la colocación del sujeto en la mesa de resonancia magnética, con su tronco levantado de tal manera que la cabeza pueda caer ligeramente hacia abajo y apuntar hacia afuera hacia el final del orificio de RM. Esta colocación de la cabeza es fundamental para proporcionar al cirujano espacio para realizar el procedimiento. El marco estereotáctico permite una infusión precisa y controlada en modelos de cerebro de cerdo. Además, la RM en tiempo real permite una determinación precisa del volumen de distribución. Los cerdos, como grandes modelos animales para infusiones rastreadas en tiempo real en resonancia magnética, presentan la posibilidad del estudio de la administración de fármacos al cerebro, la administración de células y otros agentes de valor traslacional.
El cerdo tiene distintas diferencias anatómicas a considerar, en comparación con los humanos o primates no humanos. A medida que los cerdos crecen, el tamaño del cuerpo en el agujero de RM se convierte en un desafío. La forma de la cabeza y el torso son diferentes de los humanos, lo que resulta difícil de acomodar para un acceso óptimo al cerebro para el cirujano, tanto para el procedimiento quirúrgico como para la inserción de la cánula en el espacio fuera del orificio de RM. Por lo tanto, es fundamental colocar al sujeto de manera que el cirujano tenga acceso a la cabeza desde el extremo del orificio de RMN.
La diferencia en el grosor del cráneo entre cerdos y humanos es un factor a considerar. En este protocolo, la visualización de iMRI permitió una estimación precisa del grosor del cráneo para un procedimiento eficiente de orificio de rebaba. Dado el uso de estas herramientas neuroquirúrgicas mínimamente invasivas, la recuperación de los animales transcurrió sin incidentes.
La visualización guiada por RM proporciona orientación en tiempo real para el acceso al cerebro del cerdo, la inserción de la cánula y el monitoreo del agente de infusión. Se ha informado que el proceso de perforación, la deformación tisular y/o la interrupción de los tractos de materia blanca contribuyen a las dificultades en la administración del agente al cerebro25. Las exploraciones de RM iterativas durante la planificación y la inserción de la cánula proporcionan la capacidad de pequeños ajustes. Además, los parámetros de infusión, como la velocidad de infusión o la precisión de la inserción de la cánula, podrían cambiarse en tiempo real o detenerse, según lo dicten las imágenes intraprocedimiento. Finalmente, se debe seleccionar un equilibrio apropiado del co-infusión a base de gadolinio, para obtener una evaluación clara del volumen de distribución del agente.
La sobreconcentración del agente de contraste a base de gadolinio puede haber oscurecido su distribución en las imágenes de resonancia magnética27, mostrando una mancha negra alrededor de la punta de la cánula, rodeada por un área hiperintensa que mostraba los límites externos del volumen de infusión. Las imágenes disponibles del procedimiento son limitadas debido a las limitaciones asociadas con la filmación en el espacio limitado de resonancia magnética alrededor del área de trabajo del cirujano. El video intraoperatorio se utilizó para guiar la descripción del protocolo.
Los agentes de infusión a través de la estereotaxia guiada por RM en cerdos y otros modelos animales grandes han dado como resultado procedimientos precisos, predecibles y seguros. La demostración de la estereotaxia de iMRI en cerdos proporciona la base para la escalabilidad de los tratamientos de investigación que tienen un alto valor traslacional para los humanos. Los modelos porcinos han sido ampliamente utilizados para estudiar las respuestas inmunológicas debido a su similitud con la respuesta humana en comparación con otras especies28. Los agentes terapéuticos administrados al cerebro se pueden estudiar en el contexto de la infusión objetivo precisa, con el beneficio adicional de la visualización por resonancia magnética en tiempo real de la ubicación de la infusión, los ajustes necesarios y la evaluación intraoperatoria de su distribución en el tejido.
Disclosures
SG, EAS, CJK tienen las siguientes divulgaciones: Empleado por ClearPoint Neuro.
Todos los demás autores declaran no tener conflictos de intereses.
Acknowledgments
Los autores declaran que este estudio recibió fondos filantrópicos de la Cátedra John S. "Steve" Dunn, Jr. y Dagmar Dunn Pickens Gipe en Investigación de Tumores Cerebrales en Houston Methodist. El financiador no participó en el diseño del estudio, la recopilación, el análisis, la interpretación de los datos, la redacción de este artículo o la decisión de enviarlo para su publicación.
Este trabajo fue financiado en parte por el número de subvención RP190587 de la Iniciativa de Prevención e Investigación del Cáncer (CPRIT) y la Fundación Metodista de Houston.
Los autores agradecen a Vi Phan y Lien My Phan, del Centro de Imágenes Traslacionales del Instituto de Investigación Metodista de Houston, por su ayuda con las imágenes de RM.
Los autores declaran que este estudio recibió fondos filantrópicos de Paula y Rusty Walter y Walter Oil & Gas Corp Endowment en Houston Methodist. El financiador no participó en el diseño del estudio, la recopilación, el análisis, la interpretación de los datos, la redacción de este artículo o la decisión de enviarlo para su publicación.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3 Tesla Siemens MAGNETOM Vida | Siemens Healthineers | 70 cm wide-bore 3 Tesla whole body MRI scanner | |
| Four channel flex coil | Siemens Healthineers | Placed ventrally to allow access to the skull | |
| MR Neuro Patient Drape | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-05 | MR Neuro Patient Drape, Marker Pen, Track Ball Cover, Cable Cover |
| MR Neuro Procedure Drape Tapered - Long | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-02-L | MR Neuro Procedure Drape Tapered, Marker Pen, Track Ball Cover |
| MR Neuro Procedure Drape Tapered w/Extension - Long | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-03-L | MR Neuro Procedure Drape Tapered w/Extension, Marker Pen, Track Ball Cover |
| MR Neuro Scanner Bore Drape w/Extension | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-04 | MR Neuro Scanner Bore Drape w/Extension |
| Scalp Mount Base | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SM-01 | Scalp Mount Base and centering too |
| Skull Mount Base | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SK-01 | Skull Mount Base |
| SMARTFrame Accessory Kit | ClearPoint Neuro, Inc | NGS -AK-01-11 | Stylet, Lancet, Peel-Away Sheath (2), Ruler, Depth Stop (2) |
| SMARTFrame Guide Tubes | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-01 | 15 GA Guide Tube, 18 GA Guide Tube and 16GA Guide Tube |
| SMARTFrame Guide Tubes .052” / 18 ga | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-02 | .052” Guide Tubes that fit 18 ga devices (5) |
| SMARTFrame Guide Tubes .060” / 17 ga | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-03 | .060” Guide Tubes that fit 17 ga devices (5) |
| SMARTFrame Guide Tubes .064” / CP Stylet | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-04 | .064” Guide Tubes that fit ClearPoint Stylets (5) |
| SMARTFrame Guide Tubes .068” / 16 ga | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-05 | .068” Guide Tubes that fit 16 ga devices (5) |
| SMARTFrame Guide Tubes .074” / 15 ga | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-06 | .074” Guide Tubes that fit 15 ga devices (5) |
| SMARTFrame MR Fiducial | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-BM-05 | MR Fiducials (5) |
| SMARTFrame Scalp Mount Rescue Screw – Long | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-RS-02 | Short Scalp Mount Rescue Bone Screws (3) |
| SMARTFrame Scalp Mount Rescue Screw – Short | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-RS-03 | Long Scalp Mount Rescue Bone Screws (3) |
| SMARTFrame Skull Mount Rescue Screw | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-RS-01 | Skull Mount Rescue Bone Screws (3) |
| SMARTFrame Thumb Wheel Extension Set. | ClearPoint Neuro, Inc | NGS -TE-01 | Light Hand Controller |
| SmartFrame XG Device Guide, 2.5 mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-03 | 2.5-mm Device Guide |
| SmartFrame XG Device Guide, 3.2 mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-04 | 3.2-mm Device Guide |
| SMARTFrame XG Drill Guide, 4.5 mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-02 | 4.5-mm Drill Guide |
| SMARTFrame XG Drill Guide, 6.0 mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-05 | 6.0-mm Drill Guide |
| SMARTFrame XG Exchangeable Device Guides | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-01 | Device Guide, 3.4-mm, Device Guide, 14 GA |
| SMARTFrame XG MRI-Guided Trajectory Frame | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SF-02-11 | Stereotactic Frame, Skull Mount Base, Centering Ring, Dock, Standard Device Lock, Large Device Lock, Screwdriver, Roll Lock Screw w/washer |
| SMARTFrame XG MRI-Guided Trajectory Frame, 5 Fr | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SF-02-11-5 | Stereotactic Frame, Centering Ring, Dock, 5 Fr Device Lock, Large Device Lock, Screwdriver, Roll Lock Screw w/washer |
| SMARTFrame XG MRI-Guided Trajectory Frame, 7 Fr | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SF-02-11-7 | Stereotactic Frame, Centering Ring, Dock, 7 Fr Device Lock, Large Device Lock, Screwdriver, Roll Lock Screw w/washer |
| SMARTGrid MR Planning Grid | ClearPoint Neuro, Inc | NGS -SG-01-11 | Marking Grid and Marking Tool |
| SMARTTip MR Drill Kit, 4.5-mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-DB-45 | 4.5-mm Drill Bit, 3.2-mm Drill Bit, Lancet, Depth Stop, Ruler |
| SMARTTwist MR Hand Drill | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-HD-01 | Hand Drill |
| VentiPAC | SurgiVet | V727000 | Mechanical ventilator |
| Wharen Centering Guide | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-CG-01 | Wharen Centering Guide |
References
- Larson, P. S., et al. An optimized system for interventional magnetic resonance imaging-guided stereotactic surgery: preliminary evaluation of targeting accuracy. Neurosurgery. 70, 1 Suppl Operative 95-103 (2012).
- Foltynie, T., et al. MRI-guided STN DBS in Parkinson's disease without microelectrode recording: efficacy and safety. Journal of Neurology, Neurosurgery and Psychiatry. 82 (4), 358-363 (2011).
- Sidiropoulos, C., et al. Intraoperative MRI for deep brain stimulation lead placement in Parkinson's disease: 1 year motor and neuropsychological outcomes. Journal of Neurology. 263 (6), 1226-1231 (2016).
- Ostrem, J. L., et al. Clinical outcomes using ClearPoint interventional MRI for deep brain stimulation lead placement in Parkinson's disease. Journal of Neurosurgery. 124 (4), 908-916 (2016).
- Lee, P. S., et al. Outcomes of interventional-MRI versus microelectrode recording-guided subthalamic deep brain stimulation. Frontiers in Neurology. 9, 241 (2018).
- Patel, N. K., Plaha, P., Gill, S. S. Magnetic resonance imaging-directed method for functional neurosurgery using implantable guide tubes. Operative Neurosurgery. 61 (5), 358-366 (2007).
- Drane, D. L., et al. Better object recognition and naming outcome with MRI-guided stereotactic laser amygdalohippocampotomy for temporal lobe epilepsy. Epilepsia. 56 (1), 101-113 (2015).
- Chittiboina, P., Heiss, J. D., Lonser, R. R. Accuracy of direct magnetic resonance imaging-guided placement of drug infusion cannulae. Journal of Neurosurgery. 122 (5), 1173-1179 (2015).
- Han, S. J., Bankiewicz, K., Butowski, N. A., Larson, P. S., Aghi, M. K. Interventional MRI-guided catheter placement and real time drug delivery to the central nervous system. Expert Review of Neurotherapeutics. 16 (6), 635-639 (2016).
- Bobo, R. H., et al.
- Mittermeyer, G., et al. Long-term evaluation of a phase 1 study of AADC gene therapy for Parkinson's disease. Human Gene Therapy. 23 (4), 377-381 (2012).
- Lonser, R. R., Sarntinoranont, M., Morrison, P. F., Oldfield, E. H. Convection-enhanced delivery to the central nervous system. Journal of Neurosurgery. 122 (3), 697-706 (2015).
- Subramanian, T., Deogaonkar, M., Brummer, M., Bakay, R. MRI guidance improves accuracy of stereotaxic targeting for cell transplantation in parkinsonian monkeys. Experimental Neurology. 193 (1), 172-180 (2005).
- Emborg, M. E., et al. Intraoperative intracerebral MRI-guided navigation for accurate targeting in nonhuman primates. Cell Transplantation. 19 (12), 1587-1597 (2010).
- Silvestrini, M. T., et al. Interventional magnetic resonance imaging-guided cell transplantation into the brain with radially branched deployment. Molecular Therapy. 23 (1), 119-129 (2015).
- Faraji, A. H., Rajendran, S., Jaquins-Gerstl, A. S., Hayes, H. J., Richardson, R. M. Convection-enhanced delivery and principles of extracellular transport in the brain. World Neurosurgery. 151, 163-171 (2021).
- Richardson, R. M., et al. T2 imaging in monitoring of intraparenchymal real-time convection-enhanced delivery. Neurosurgery. 69 (1), 154-163 (2011).
- Richardson, R. M., et al. Novel platform for MRI-guided convection-enhanced delivery of therapeutics: preclinical validation in nonhuman primate brain. Stereotactic and Functional Neurosurgery. 89 (3), 141-151 (2011).
- San Sebastian, W., et al. Safety and tolerability of magnetic resonance imaging-guided convection-enhanced delivery of AAV2-hAADC with a novel delivery platform in nonhuman primate striatum. Human Gene Therapy. 23 (2), 210-217 (2012).
- Sauleau, P., Lapouble, E., Val-Laillet, D., Malbert, C. -H. The pig model in brain imaging and neurosurgery. Animal. 3 (8), 1138-1151 (2009).
- Yin, D., Forsayeth, J., Bankiewicz, K. S. Optimized cannula design and placement for convection-enhanced delivery in rat striatum. Journal of Neuroscience Methods. 187 (1), 46-51 (2010).
- Larjavaara, S., et al. Incidence of gliomas by anatomic location. Neuro-Oncology. 9 (3), 319-325 (2007).
- Pallud, J., Devaux, B., Daumas-Duport, C., Oppenheim, C., Roux, F. X. Glioma dissemination along the corticospinal tract. Journal of Neuro-Oncology. 73 (3), 239-240 (2005).
- White, E., Bienemann, A., Megraw, L., Bunnun, C., Gill, S. Evaluation and optimization of the administration of a selectively replicating herpes simplex viral vector to the brain by convection-enhanced delivery. Cancer Gene Therapy. 18 (5), 358-369 (2011).
- Chen, M. Y., Lonser, R. R., Morrison, P. F., Governale, L. S., Oldfield, E. H. Variables affecting convection-enhanced delivery to the striatum: a systematic examination of rate of infusion, cannula size, infusate concentration, and tissue-cannula sealing time. Journal of Neurosurgery. 90 (2), 315-320 (1999).
- Sterk, B., et al. Initial clinical experience with ClearPoint smartframe array-aided stereotactic procedures. World Neurosurgery. 162, 120-130 (2022).
- Rohrer, M., Bauer, H., Mintorovitch, J., Requardt, M., Weinmann, H. -J. Comparison of magnetic properties of MRI contrast media solutions at different magnetic field strengths. Investigative Radiology. 40 (11), 715-724 (2005).
- Dawson, H. D. A comparative assessment of the pig, mouse and human genomes. The Minipig in Biomedical Research. 1, 323-342 (2011).
