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....

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/m....

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