基于琼脂糖凝胶脑模型的影像引导对流增强递送

摘要

对流增强输送（CED）已被提出作为多种神经系统疾病的治疗选择。为了帮助医疗专业人员掌握并应用 CED 技术，亟需建立易于获取的培训模型。本文描述了使用琼脂糖凝胶作为人脑模型，用于 CED 的测试、研究和培训。

摘要

对流增强递送（CED）已被提出作为多种神经系统疾病的一种治疗选择。神经输注导管 CED 可通过正压对流输送，将比传统药物递送方法更大剂量的治疗药物递送至颅内靶区。实时 MRI 引导 CED（rCED）的临床价值在于能够精确定位、监测治疗过程并识别并发症。经过训练后，rCED 操作高效，并发症可被最小化。琼脂糖凝胶脑模型为 CED 的测试、研究和培训提供了一种便捷的工具。模拟脑组织的 rCED 可用于模拟手术练习，同时提供输注过程的可视化反馈。输注分析可计算分布分数（Vd/Vi），使受训者能够验证该模型与人脑组织的相似性。本文描述了我们所使用的琼脂糖凝胶脑体模，并概述了 CED 输注过程中的关键指标和分析流程，同时探讨了在治疗神经系统疾病过程中进行 CED 输注时常见的问题与陷阱。

引言

对流增强输送（convection-enhanced delivery, CED）已被提出作为多种神经系统疾病（包括恶性脑肿瘤、癫痫、代谢性疾病、神经退行性疾病（如帕金森病）¹、脑卒中和创伤²）的治疗选择。CED 利用正压对流实现药物或其他灌注液的分布，可在临床相关体积下安全、可靠且均匀地输送从低到高分子量的各种化合物³。传统的脑组织药物递送受到血脑屏障的严重限制⁴。血脑屏障由构成脑内毛细血管的内皮细胞之间的紧密连接形成，可阻止极性分子和高分子量分子进入脑实质。通过 CED 进行直接脑实质内灌注可克服既往药物递送方式的局限性，使那些无法穿过血脑屏障因而此前无法作为有效治疗手段的治疗剂得以应用⁵。

20 世纪 90 年代初，美国国立卫生研究院（NIH）的研究人员描述了对流增强输送（CED）技术，该方法可实现比单纯扩散更高的治疗药物浓度^6-8。最早的 CED 方法包括将一根或多根导管植入脑内，将输注泵连接至导管，并将治疗剂直接泵入目标区域。据报道，由于输注泵产生的正压使组织扩张，从而促进药物渗透，因而实现了更高的分布容积和相对稳定的药物浓度⁹。

对流增强输送的基本技术与最初描述时基本相同。导管设计方面的进步¹⁰，输注技术¹¹，管线压力监测²以及实时 MRI 监测以校正脑移位^12,13，优化多重共线性输注¹⁴，并监测灌注液的流失情况¹⁵ 提高了治疗的安全性和有效性¹⁰在对流增强输送（CED）中，导管设计和输注策略（包括流速）的重要性日益受到关注。成功的 CED 实施与导管设计及输注速率密切相关，可有效减少导管反流和组织损伤。采用小直径导管并以低输注速率给药，有助于限制脑组织-导管界面处的回流，同时减轻导管尖端对周围组织的损伤¹⁶磁共振成像可提供输注导管放置位置的直观确认，从而确保药物递送的准确性，同时还能检测并纠正输注反流或异常递送情况。¹⁷MR图像还可用于估算和追踪输注药物的分布容积（Vd）。Vd的计算采用相对于周围未输注凝胶区域平均信号强度超过三个标准差的MR成像信号强度值作为分割阈值。¹⁸Vd 是对对流增强输送（CED）有用的一个测量指标，因为它代表了药物在脑内的分布体积。结合输注体积（Vi），可计算出 Vd/Vi 比值，用于量化输注药物所覆盖的体积。

琼脂糖凝胶体模模拟了对理解对流增强给药（CED）至关重要的若干人脑关键力学特性，例如：分布体积（Vd）、凝胶-导管相互作用、多孔弹性特性以及灌注云形态¹⁰0.2% 琼脂糖凝胶的混合物已被证明可以模拟 体内 由于CED导致凝胶膨胀而引起的局部孔隙率变化。与人类大脑相似的孔隙率可促进类似的相互作用，并实现对Vd的准确测量¹⁹此外，类似浓度的琼脂糖凝胶（如 0.6% 和 0.8%）在向脑组织灌注时也表现出相似的压力特征²⁰此外，透明的琼脂糖凝胶可实现导管置入和输注反流的实时可视化观察。琼脂糖凝胶模型的制备成本相对较低，其经济性可能对今后在神经外科领域广泛开展培训具有关键意义。由于上述特性，琼脂糖凝胶可作为一种有效的替代模型，在无需使用脑组织的情况下，模拟人脑输注过程中的诸多关键特征。

如上所述，利用成像引导的对流增强输送（CED）技术向琼脂糖凝胶模型中给药具有显著优势 体外 用于测试、研究和培训的方法。  本文旨在介绍如何制备琼脂糖凝胶模型，概述适当的对流增强输送（CED）测试与分析流程，并探讨在神经系统疾病治疗中进行CED输注时常见的错误。

方案

1. 凝胶模体和染料的制备

1. 通过将2 g的0.1%琼脂糖粉末溶解于1,000 ml去离子水中制备0.2%琼脂糖凝胶。搅拌溶液约1分钟以确保充分混合；随后将溶液放入微波炉中，每加热3分钟间隔一次，共加热9分钟或直至溶液澄清，每次间隔期间需搅拌。
2. 在琼脂糖凝胶仍处于液态时，将溶液倒入5 cm × 5 cm × 5 cm的容器中。容器顶部需预留空间以便后续加水，并让琼脂糖凝胶冷却并凝固。
3. 待琼脂糖凝胶完全凝固（约1–2小时）后，在凝胶表面加入1 cm深的水，并置于冰箱中冷藏。琼脂糖凝胶最好在配制后24–48小时内使用，但冷藏条件下可保存长达一周¹⁰。
4. 用60 ml注射器配制放射性对比染料，其中包含50 ml的0.017%溴酚蓝染料（BPB）和2 mM的钆特醇放射性对比介质。
   1. 将8.5 mg BPB染料加入50 ml去离子水中，配制成0.017% BPB溶液。
   2. 向50 ml的0.017% BPB溶液中加入0.2 ml的0.5 M储备液钆特醇，配制成2 mM的钆特醇溶液。

2. 输注系统的准备

1. 注射泵输注系统（首选方法）：准备注射泵时，通过压力传感器将输注导管直接连接到注射器上，以减少输注管路中的死腔体积。可使用注射泵的排气功能，以超过导管引流量的推注剂量、10 μl/min 的流速清除管路中的空气。
2. 管路泵输注系统（替代方法）：将装有放射对比染料的注射器连接至输注泵。将压力传感器连接至泵的出口端，并将换能器连接至静脉监护仪。将一根16 G输注导管连接至压力传感器的开放端。注意：该16 G输注导管尖端的内径为0.2 mm，外径为0.35 mm。尖端由熔融石英制成，尖端长度为3 mm，随后直径逐渐扩大至约0.75 mm并延伸15 mm，之后呈锥形过渡至1.6 mm或16 G规格。
3. 开始输注前，以16.667 μl/min的流速持续排气约15分钟，以去除系统中任何气泡。切勿超过16.667 μl/min的流速，否则因管路压力过高，设备将自动停止输注。在将输注导管连接至输注泵出口管路后，使用输注泵上的“推注（Bolus）”功能排除管路中的空气。
4. 将输注导管固定装置和轨迹定位架安装至凝胶模体容器（5 cm x 5 cm x 5 cm）上，并将其置入磁共振成像仪（MRI）中。

3. CED 凝胶灌注与磁共振扫描

1. 在开始输注前，将静脉监护仪记录的压力值（mmHg）归零。
2. 启动输注泵并以最低可能流速（本实验中为 1.667 μl/min）运行，同时将输注导管插入琼脂糖凝胶中。
3. 开始 MR 扫描，采用 表 1 中列出的参数，并以 1.667 μl/min 的速率持续输注。以恒定速率输注凝胶，直至输注总体积达到 60 μl（约 38 分钟）。
4. 以每 3 分钟 50 秒的间隔连续扫描凝胶，每 60 秒记录一次压力读数。当输注体积达到 60 μl 后，关闭输注泵，并在继续记录压力读数的同时完成 MR 扫描。

4. MR 数据分析

1. 分析MR图像时，使用具有ROI分割功能的适当DICOM查看器。
2. 在每次扫描中选择由导管横截面标记的正确帧，如图1所示。
3. 使用“ROI - 矩形”工具，选取尽可能大且不包含任何灌注部位区域的凝胶部分。软件将输出平均像素密度及其标准差。找出与均值相差三个标准差的数值，该数值作为判断对比剂存在的阈值，置信度为99.7%。
4. 使用“ROI - 圆形”工具，以足够大的圆圈围绕灌注部位，并为其指定唯一名称。
5. 选中该圆形区域，使用“ROI - 设置像素值为”工具，将步骤4.3中获得的阈值输入到“若当前值大于：”框中，并仅勾选此行；然后在“设为新值：”框中输入一个较大的数值（25,000）。重置像素密度以选择此前定义阈值所涵盖的区域。
6. 接下来，使用“ROI - 区域生长（2D/3D分割）”工具，选择2D区域生长模式，置信度算法，初始半径参数设为2，并应用刷选ROI。在灌注部位内部单击，使软件计算该区域的总面积。
7. 假设灌注云呈球形，通过以下公式由面积计算扩散体积：V = 4/3π(√(Area/π))³

结果

解释和分析 CED 灌注涉及多个重要因素，例如分布分数和灌注剂反流。分布分数的计算在很大程度上依赖于 Vd 的计算，因此对 MR 图像的准确解读至关重要。我们提出一种半自动化方法，可可靠地重复上述测量。这些方法能够客观地确定灌注剂云团的横截面积及近似半径。尽管存在变异，但在琼脂糖凝胶中，灌注云团通常呈球形。假设灌注剂云团为球形，则可利用该半径确定 CED 灌注的 Vd。随后可通过测得的灌注体积计算琼脂糖凝胶灌注的 Vd/Vi。0.2% 浓度的琼脂糖凝胶可合理地模拟脑组织，其 Vd/Vi 比值为 5.0 ¹⁰，介于脑组织实测 Vd/Vi 比值范围 3.1 至 5.2 之间 ^21,22。

在CED输注过程中进行的压力测量对于确保输注的稳定性和恒定性也至关重要。检测到的压力尖峰可能提示输注过程中存在错误，例如导管中出现气泡或堵塞。输注的压力曲线预期在初始阶段出现峰值，随后下降并在整个输注过程中维持在一个相对稳定的平台期²⁰。

讨论

确保输注成功的关键步骤包括：彻底排除输注管路中的空气、正确混合琼脂糖凝胶、准确分析磁共振（MR）数据、采用较小的内径导管、使用阶梯式导管设计以减少反流，以及尽量降低药物输注时凝胶或组织所受的压力。如前所述，影响输注成功最主要的因素是输注管路中存在空气。正确且彻底地排除输注管路中的空气，对于防止空气进入输注系统至关重要。同样重要的是琼脂糖凝胶的配制。若凝胶合成不当，可能导致浓度和一致性出现较大差异，进而引起灌注液分布的波动。一致且规范的MR数据分析是获得Vd及Vd/Vi比值准确、客观测量结果的关键。严格遵循本方案中所述步骤，可提供一种稳定可靠的MR数据分析方法。

然而，这些技术也存在一定的局限性。在插入导管时，琼脂糖凝胶可能会发生不可预知的断裂或撕裂。¹⁰这种琼脂糖凝胶的不可预测性可能导致凝胶-导管界面发生变化，使其与人脑组织的特性不相似，从而无法使用。此外，在计算Vd时假设输注云呈球形也可能带来其他局限性。尽管在向琼脂糖凝胶中进行输注时，输注云常呈球形，但尝试重现该输注过程 体内 可能会产生不同的结果。脑组织比琼脂糖凝胶具有更强的各向异性、更...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
Prohance	Bracco		钆特醇磁共振对比剂
溴酚蓝染料	Biorad	161-0404	用于输注液可视化的染料
琼脂糖凝胶粉末	Biorad	161-3101EDU	用于制备凝胶的琼脂糖粉末
Medrad Veris MR 生命体征监护仪	Medrad		磁共振兼容的输注压力监护仪
16 G SmartFlow 导管	SurgiVision		输注导管
Medrad Continuum MR 输注系统	Medrad		磁共振兼容的输注泵
SMART Frame MRI 引导轨迹定位架	ClearPoint		输注导管固定架
Osirix 影像软件与 DICOM 查看器	Osirix Imaging Software		OsiriX 32位 DICOM 查看器