Image-guided-convectie verbeterde Levering in agarosegel Modellen van de hersenen

Samenvatting

-Convectie verbeterde levering (CED) is voorgesteld als een optie voor de behandeling van een breed scala van neurologische aandoeningen. Om professionals in de gezondheidszorg voor de invoering van CED te bereiden, zijn toegankelijk opleiding modellen nodig. We beschrijven het gebruik van agarose gel als een dergelijk model van de menselijke hersenen te testen, onderzoek en training.

Samenvatting

-Convectie verbeterde levering (CED) is voorgesteld als een optie voor de behandeling van een breed scala van neurologische aandoeningen. Neuroinfusion katheter CED zorgt voor positieve druk bulkstroom om grotere hoeveelheden van geneesmiddelen te leveren aan een intracraniële doelgroep dan de traditionele drug delivery methoden. De klinische bruikbaarheid van real time MRI geleide CED (rCED) ligt in het vermogen om nauwkeurig richten, bewaken therapie en identificeren complicaties. Met training, rCED is efficiënt en complicaties kunnen worden geminimaliseerd. De agarosegel model van de hersenen biedt een toegankelijke tool voor CED testen, onderzoek en opleiding. Gesimuleerde hersenen rCED laat de praktijk van de mock operatie, terwijl ook het verstrekken van visuele feedback van de infusie. Analyse van infusie maakt berekening van de verdeling fractie (Vd / Vi) waarmee de leerling de overeenstemming van het model controleren ten opzichte van menselijk hersenweefsel. Dit artikel beschrijft onze agarosegel hersenen fantoom en schetst belangrijke metrucs tijdens een CED infusie en analyse protocollen daarbij aandacht voor valkuilen geconfronteerd tijdens CED infuus voor de behandeling van neurologische aandoeningen.

Inleiding

Convectie-versterkte levering (CED) is voorgesteld als een behandelingsoptie voor een breed spectrum van neurologische aandoeningen waaronder kwaadaardige hersentumoren, epilepsie, metabolische aandoeningen, neurodegeneratieve ziekten (zoals de ziekte van Parkinson) ^1, beroerte en trauma ^2. CED telt positieve druk bulkstroom voor de distributie van een geneesmiddel of andere infusaat. CED biedt een veilige, betrouwbare en homogene levering van moleculair gewicht, variërend van laag tot hoog, bij klinisch relevante volumes ^3. Traditionele drug delivery hersenweefsel wordt ernstig beperkt door de bloed-hersen barrière ^4. Gevormd door de tight junctions tussen endotheliale cellen die de capillairen in de hersenen, de bloed-hersenbarrière blokken polaire en hoogmoleculaire molecuulgewicht betreden het parenchym van de hersenen. Direct intraparenchymateuze hersenen infusie via CED kan de beperkingen van eerdere therapeutische drug delivery modaliteiten overwinnenen is het gebruik van therapeutische middelen die de bloed-hersen barrière zouden passeren en daardoor eerder beschikbaar levensvatbaar behandelingsopties ⁵ geweest.

Onderzoekers van de US National Institutes of Health (NIH) beschreven CED in de vroege jaren 1990 als een middel om meer medicinale concentraties dan door diffusie alleen ^6-8. De eerste werkwijzen voor CED betrokken implanteren van een of meer katheters in de hersenen, het aansluiten van een infusiepomp met de katheter, en het pompen van de therapeutische middelen direct in het doelgebied. De toegenomen verspreiding fractie en relatief stabiele concentratie wordt gemeld als de positieve druk die door de infusiepomp veroorzaakt de weefsels verwijden en zorgen voor permeatie van het geneesmiddel ^9.

De fundamentele techniek voor CED grotendeels hetzelfde als het eerst werd beschreven. Vooruitgang in katheterontwerp ^10, infusietechniek ^{11, lijn Pressure Monitoring 2, en real-time MRI controle om te corrigeren voor de hersenen shift 12, 13, optimaliseren meerdere collineair infusies 14, en monitor voor infusaat verlies 15 hebben de veiligheid en werkzaamheid van de behandeling 10 toegenomen. Extra betekenis is geplaatst op de katheter ontwerp en infusie strategie, met inbegrip debiet. Succesvolle CED, met beperkte katheter reflux en weefselschade, is gecorreleerd met katheter ontwerp en infusiesnelheid. Het gebruik van een katheter met een kleine diameter en een lage infusiesnelheid terugstroming langs de hersenen katheter interface en beperking van schade beperken van de kathetertip 16. MRI geeft een visuele bevestiging van de juiste locatie voor infusie katheter, en daarmee drug delivery, terwijl ook de mogelijkheid voor de correctie van infusie reflux of afwijkende levering 17. MR-beelden kunnen ook worden gebruikt om een ​​geschatte volgen het verdelingsvolume (Vd) Van de toegediende geneesmiddel. De Vd wordt berekend met behulp van een MRI signaalintensiteit groter dan drie standaarddeviaties boven het gemiddelde van de omringende niet-toegediende gel als drempel voor segmentatie 18. Het Vd is een nuttige maat voor CED omdat het volume van het geneesmiddel verdeeld in de hersenen voorstelt. Samen met het toegediende volume (Vi), kan een verhouding worden gegenereerd (Vd / Vi) het kwantificeren van het volume dat door de toegediende geneesmiddel.}

Agarosegel fantomen na te bootsen een aantal cruciale mechanische eigenschappen van de menselijke hersenen belangrijk voor het begrijpen van CED zoals: Vd, gel-katheter interacties, poroelastic eigenschappen, en infusie cloud morfologie ^10. Mengsels van 0,2% agarosegel is aangetoond dat in vivo veranderingen in lokale poriën fractie door gel dilatatie door CED bootsen. Een soortgelijk porie aandeel hersenen stimuleert soortgelijke interacties en nauwkeurige metingen van Vd ^19. Bovendien vergelijkbare concentraties van eengarose gels zoals 0,6% en 0,8% aangetoond Vertaald infusie drukprofielen naar de hersenen ^20. Verder, de doorschijnende agarose gels bieden het voordeel van real-time visualisatie van de katheter en infuus reflux. Agarose gel fantomen zijn relatief goedkoop te produceren. De kosten van de agarosegel fantomen kan sleutel voor toekomstige wijdverbreide opleiding in neurologische chirurgie. Door deze eigenschappen, agarosegels een nuttig surrogaat, repliceren veel van de belangrijkste kenmerken van menselijke hersenen infusies zonder gebruik van hersenweefsel.

Zoals hierboven vermeld, beeld-geleide CED in agarosegel modellen verschaft een voordelige werkwijze voor het in vitro testen, onderzoek en training. Het doel van dit artikel is om te beschrijven hoe de agarosegel fantomen recreëren, passende CED testen en toetsen protocollen schetsen, en veel voorkomende fouten te maken tijdens CED infusies voor de behandeling van neurologische ziekte te richten.

Protocol

1. Voorbereiding van Gel Phantoms en Dye

1. Bereid 0,2% agarosegel door het oplossen van 2 g 0,1% agarose poeder in 1000 ml gedeïoniseerd water. Roer de oplossing gedurende ongeveer 1 minuut tot een goede menging te verzekeren; en onmiddellijk de magnetron van de oplossing in intervallen van 3 min. voor 9 min of totdat duidelijk, roeren tussen de intervallen.
2. Terwijl de agarosegel vloeibaar, giet de oplossing in 5 cm x 5 cm x 5 cm containers. Laat ruimte aan de bovenzijde van de houder om water toe en laat de agarosegel afkoelen en bezinken.
3. Nadat de agarose gel gestold (ongeveer 1-2 uur), voeg 1 cm water aan de bovenkant van de gel en in de koelkast. Het beste is om de gel binnen 24-48 uur mengen gebruiken, maar kan worden bewaard tot week ¹⁰ gekoeld.
4. Bereid een radio-contrastvloeistof in een 60 ml injectiespuit bestaande uit 50 ml van 0,017% broomfenol blauw kleurstof (BPB) en 2 mM gadoteridol radio-contrastmiddelen.
   1. Combineer 8,5 mg van BPB kleurstof tot 50 ml gedeïoniseerd water tot een 0,017% BPB oplossing.
   2. Voeg 0,2 ml van de 0,5 M gadoteridol in de 50 ml 0,017% BPB oplossing voor een 2 mM gadoteridol oplossing.

2. Voorbereiding van Infusion System

1. Injectiepomp infuussysteem (aanbevolen methode): Voor de bereiding injectiepomp, bevestig de infusiekatheter direct naar de spuit door de druksensor, het verminderen van het dode volume van de infuuslijn. De purge functie van de injectiepomp worden gebruikt om de lijn van lucht te zuiveren met een bolus groter is dan het vulvolume van de katheter met een snelheid van 10 pl / min.
2. Buispomp infuussysteem (alternatieve methode): Sluit de spuit met de radio-contrastvloeistof in de infusiepomp. Bevestig de druksensor om de pompuitlaat met de transducer aan de IV monitor. Bevestig een 16 G infuuskatheter het open uiteinde van de druksensor. Opmerking: Het uiteinde van de 16 G infuuskatheter een binnenste diameter van 0,2 mm en een buitendiameter van 0,35 mm. De tip is gemaakt van kwartsglas en de tip lengte 3 mm. Het verhoogt tot ongeveer 0,75 mm en blijft voor 15 mm, de katheter dan stappen in een taps toelopende wijze tot 1,6 mm of 16 G.
3. Bereid je voor infusie door het zuiveren van het systeem gedurende ongeveer 15 min bij 16.667 pl / min om eventuele luchtbellen te verwijderen. Neem niet meer dan de 16.667 pl / min debiet, als de machine zal infuus worden stopgezet omdat de hoge druk in de leiding. Na het aanbrengen van de infusiekatheter om de lijn van de infuuspomp, zuivering lijnen van de lucht met behulp van de functie "bolus" op de infuuspomp verlaten.
4. Bevestig de infusiekatheter monteren en traject kader aan de gel fantoom container (5 cm x 5 cm x 5 cm) en plaats in de MRI.

3. CED Gel Infusion en MR Scanning

1. Nul waarde van de druk (mmHg) geregistreerd door de IV-monitor voor het begin van de infusie.
2. Plaats de infuuskatheter in de agarosegel wet de infusiepomp draait op het laagste debiet mogelijk, in dit geval 1,667 ul / min.
3. Begin de MR scan met de in tabel 1 vermelde parameters en de infusie met een snelheid van 1,667 pl / min. Giet de gel bij een constante snelheid totdat het totale volume toegediend 60 pl (ca. 38 min.) bereikt.
4. Scan de gel continu in 3 min en 50 sec intervallen. Noteer de drukmetingen elke 60 sec. Zodra het toegediende volume 60 ul bereikt, schakelt u de infuuspomp; en volledige MR scannen terwijl het voortdurend om drukmetingen te nemen.

4. MR Data Analysis

1. Voor het analyseren van de MR-beelden, gebruik dan een passende DICOM viewer met ROI segmentatie functionaliteit.
2. Kies de juiste frame in elke scan gekenmerkt door de doorsnede van de katheter zoals in figuur 1.
3. Met behulp van de "ROI - rechthoek" tool, selecteert u het grootste gedeelte van de gel die niet is opgenomengedeelte van de infusie. De software zal de uitgang van een gemiddelde pixeldichtheid met standaarddeviatie. Zoek de waarde die overeenkomt met drie standaardafwijkingen van het gemiddelde. Deze waarde wordt gebruikt als criterium voor het bepalen wanneer contrast aanwezig met een zekerheid van 99,7% is.
4. Met behulp van de "ROI - circle" tool, omringen de injectieplaats met een voldoende grote cirkel en geven deze een unieke naam.
5. Selecteer de cirkel en het gebruik van de "ROI - ingesteld pixelwaarden aan" tool, ingang drempelwaarde gevonden in stap 4.3 in "als de huidige waarde groter is dan:" en vinkje deze lijn alleen. Dan in "om deze nieuwe waarde:" vak, voer een grote waarde (25.000). Reset de pixeldichtheid van het gebied omsloten door de drempel eerder gedefinieerde selecteren.
6. Vervolgens, met behulp van de "ROI - groeien regio (2D/3D segmentatie)", selecteer 2D groeiende regio, vertrouwen algoritme met de eerste straal parameter = 2, en borstel ROI tool. Klik op de binnenkant van de plaats van infusie voor de software om de totale oppervlakte berekenen of regio.
7. Uitgaande van een bolvormige infuus wolk, berekent het volume van diffusie vanuit het gebied via de volgende vergelijking: V = 4/3π (√ (Area / π)) ³

Resultaten

Interpreteren en analyseren van CED infusies betrekken een aantal belangrijke factoren zoals distributie fractie en infusaat reflux. De verdeling breuken hangt sterk af van de berekening van de Vd. Daarom nauwkeurige interpretatie van de MR-beelden is van cruciaal belang. Wij stellen een semi-automatische methode voor het betrouwbaar weergeven van deze metingen zoals hierboven vermeld. Deze methoden objectief bepalen de dwarsdoorsnede van de infusaat wolk en een geschatte radius. Terwijl variabele, in agarosegel het inf...

Discussie

De kritische stappen voor het welslagen van de infusie zijn: zuiveren van het infusielijn lucht, mengen van de agarosegel analyse van de MR data, met kleine binnenste katheter diameters, met getrapte katheterontwerpen terugstroming minimaliseren, en minimaliseren de druk gevoeld door de gel of weefsel waarin het geneesmiddel wordt toegediend. Zoals eerder vermeld, het belangrijkste nadeel van het succes van de infusie infusielijn lucht. Correct en grondig te zuiveren van het infuus lijn van de lucht is van cruciaa...

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Prohance	Bracco		Gadoteridol radio contrast media
Bromofenol blauw kleurstof	Biorad	161-0404	Kleurstof voor infusatvisualisatie
Agarose gel poeder	Biorad	161-3101EDU	Agarose poeder voor het maken van gels
Medrad Veris MR Vital Signs Monitor	Medrad		MR veilige infuusdrukmonitor
16 G SmartFlow katheter	SurgiVision		Infusiekatheter
Medrad Continuum MR Infusiesysteem	Medrad		MR veilige infuuspomp
SMART Frame MRI Geleide traject frame	ClearPoint		Infusiekatheter frame
Osirix beeldvormingssoftware en DICOM Viewer	Osirix Imaging Software		OsiriX 32-bit DICOM Viewer