Przedstawiony tutaj protokół demonstruje stereotaksję do mózgu świni za pomocą infuzji wspomaganych konwekcją, z nawigacją wizualizacji rezonansu magnetycznego (MRI) w czasie rzeczywistym i wizualizacją dystrybucji infuzji w czasie rzeczywistym.
Artykuł metodologiczny
Stereotaksja sterowana rezonansem magnetycznym do infuzji do mózgu świni
W tym artykule
Podsumowanie
Streszczenie
Ogólnym celem tej procedury jest przeprowadzenie stereotaksji w mózgu świni z wizualizacją rezonansu magnetycznego (MR) w czasie rzeczywistym, aby zapewnić precyzyjne infuzje. Tester został umieszczony na brzuchu w otworze MR dla optymalnego dostępu do górnej części czaszki z uniesionym tułowiem, zgiętą szyją i głową pochyloną w dół. Dwa kołki kotwiące zakotwiczone na obustronnej zygomie utrzymywały głowę stabilnie za pomocą uchwytu głowicy. Elastyczna cewka do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego (MRI) została umieszczona rostralnie w poprzek uchwytu głowy, tak aby czaszka była dostępna do zabiegu interwencyjnego. Siatka planistyczna umieszczona na skórze głowy została wykorzystana do wyznaczenia odpowiedniego punktu wejścia kaniuli. Rama stereotaktyczna została zabezpieczona i wyrównana iteracyjnie za pomocą projekcji programowej, aż do momentu, gdy przewidywany błąd promieniowy był mniejszy niż 0,5 mm. Za pomocą wiertarki ręcznej wykonano otwór na zadziory do wprowadzenia kaniuli. Do wizualizacji infuzji zawiesiny komórkowej wykorzystano koinfuzję wzmocnioną gadolinem. Wielokrotne skany MRI zależne od T1 były rejestrowane w czasie rzeczywistym podczas procesu dostarczania środka w celu wizualizacji objętości dystrybucji gadolinu. Stereotaksja pod kontrolą MRI pozwala na precyzyjną i kontrolowaną infuzję do mózgu świni, z jednoczesnym monitorowaniem dokładności wprowadzenia kaniuli i określeniem objętości dystrybucji środka.
Wprowadzenie
W tym protokole opisujemy zastosowanie stereotaktycznego systemu interwencyjnego rezonansu magnetycznego (iMRI) do umieszczania kaniuli i wizualizacji infuzji w czasie rzeczywistym do mózgu świni. Opracowanie systemów iMRI pozwala na dokładne umieszczenie cewnika1. iMRI pozwala na wizualizację rozkładu czynnika infuzyjnego w mózgu pacjentów w znieczuleniu ogólnym1,2 w celu oceny dokładności zabiegu w czasie rzeczywistym.
System stereotaktyczny kierowany MR to ukierunkowana platforma, która pozwala na celowanie z dokładnością poniżej milimetra1. Wykorzystuje on urządzenie celownicze zamontowane na czaszce w połączeniu z dedykowanym oprogramowaniem, które zapewnia anatomiczne obrazowanie mózgu z przewidywanymi trajektoriami wprowadzania odprowadzeń i parametrami regulacji. Wskazówki iMRI dotyczące stereotaktycznej interwencji chirurgicznej mózgu okazały się skuteczne w zastosowaniach klinicznych, takich jak głęboka stymulacja mózgu w leczeniu choroby Parkinsona2,3,4,5, ablacja ogniskowa w leczeniu padaczki6,7oraz konwekcyjne dostarczanie leków do ośrodkowego układu nerwowego 8,9.
Metoda CED służy do bezpośredniego dostarczania środków terapeutycznych do ośrodkowego układu nerwowego za pomocą konwekcji płynów. Opiera się to na małym gradientzie ciśnienia hydrostatycznego, który umożliwia przepływ infuzjatu z końcówki kaniuli infuzyjnej do otaczającej przestrzeni zewnątrzkomórkowej10. Metody stereotaktyczne są stosowane w celu dostarczania wysokich stężeń makrocząsteczek, małych cząsteczek11,12, cell transplantation13,14,15, lub środków terapeutycznych do wybranego celu tkanki mózgowej, omijając barierę krew-mózg. Czynniki takie jak przepuszczalność, współczynniki dyfuzji, ciśnienie wsteczne, wychwyt i mechanizmy klirensu wpływają na dyfuzję środków terapeutycznych16. Technika ta wykorzystuje koinfuzję na bazie gadolinu1 dla klinicznej CED, do monitorowania środka infuzyjnego w czasie rzeczywistym do celu miąższowego. Parametry, takie jak objętość dystrybucji w tkance i związana z nią kinetyka po osiągnięciu docelowej dokładności, są monitorowane za pomocą iMRI.
Badania CED nad środkami infuzyjnymi za pomocą systemu stereotaksji sterowanej MR zostały przeprowadzone na naczelnych innych niż ludzie, co zaowocowało dokładnymi, przewidywalnymi i bezpiecznymi procedurami. Wykazano, że dokładność umieszczenia kaniuli infuzyjnej osiąga błąd umieszczenia poniżej milimetra17. System zapewnia przewidywalną dystrybucję infuzji, z obserwowanym liniowym wzrostem objętości dystrybucji wraz z objętością infuzji, co prowadzi do wprowadzenia kaniuli odpornej na refluks do infuzji CED18. Stwierdzono, że ta procedura infuzji iMRI nie wywołuje żadnych niepożądanych skutków u naczelnych innych niż ludzie19.
Tutaj rozszerzamy zastosowanie sterotaksji sterowanej MR do mózgu świni, aby dostarczyć i monitorować dystrybucję środka infuzyjnego składającego się z zawiesiny komórek o objętości 300 μL. Rozmiar mózgu świni pozwala na obrazowanie i interwencje neurochirurgiczne, które mogą być stosowane klinicznie u ludzi, co nie jest możliwe w mniejszych zwierzęcych modelach choroby20. Co więcej, układ odpornościowy świni wytwarza podobne reakcje do ludzkiego pod względem odpowiedzi na czynniki biologiczne lub inne czynniki terapeutyczne21. W związku z tym praca z tym gatunkiem zwierząt w zakresie stereotaktycznych procedur dostarczania leków ma bezpośrednie translacyjne implikacje kliniczne i może być logistycznie łatwiejsza niż w przypadku badań na naczelnych innych niż ludzie.
Użyliśmy modelu świni (świnia domowa, samica, 25 kg, wiek 14 tygodni) do stereotaksji sterowanej MR. W niniejszym badaniu przedstawiono wizualną implementację procedury stereotaktycznej u świń. Opisujemy adaptacje przestrzeni do umieszczenia głowy świni, wizualizację procedury zarówno na wideo, jak i obrazach, oraz jednoczesne obrazowanie MR w celu oceny dystrybucji infuzji w mózgu świni. Stereotaksję pod kontrolą rezonansu magnetycznego przeprowadzono w przestrzeni rezonansu magnetycznego 3T.
W tym eksperymencie, nasza grupa demonstruje działanie stereotaksji sterowanej rezonansem magnetycznym w mózgu świni oraz podstawowy harmonogram obrazowania do śledzenia infuzji w mózgu. Ogólna technika stereotaksji klinicznej wykonywanej u ludzi może być zastosowana do czaszki i mózgu świni.
Ogólnym celem tej procedury jest przeprowadzenie stereotaksji pod kontrolą rezonansu magnetycznego w mózgu świni z wizualizacją MRI w czasie rzeczywistym. Osiąga się to poprzez uprzednie ustawienie osoby leżącej w otworze MRI w celu uzyskania optymalnego dostępu do górnej części czaszki. Drugim krokiem jest zaplanowanie chirurgicznego wszczepienia z pomocą wizualizacji wspomaganej rezonansem magnetycznym, która polega na umieszczeniu i zeskanowaniu siatki odniesienia w celu określenia odpowiedniego punktu wejścia dla wcześniej zaplanowanej trajektorii. Osiąga się to za pomocą wysokorozdzielczego (1 mm izotropowego) T1-zależnego skanu 3D z szybkim echem gradientowym (MPRAGE) przygotowanym przez namagnesowanie, trwającym 7 minut i 44 s. Następnie zabezpieczamy ramę stereotaktyczną na głowie i iteracyjnie dostosowujemy wyrównanie za pomocą projekcji programowej, aż rzutowany błąd promieniowy będzie mniejszy niż 0,5 mm. Szybkie skanowanie echa wirowego 2D turbo (czas trwania 13 s) w orientacji ukośnej zapewnia prowadzenie obrazu. Następnie wykonuje się nacięcie na skórze, a za pomocą wiertarki ręcznej tworzy się otwór do wprowadzenia kaniuli infuzyjnej we wcześniej określonych współrzędnych. Ostatnim krokiem jest monitorowanie infuzji za pomocą powtarzających się skanów MRI zależnych od T1 (3D MPRAGE; 1 min 45 s) w czasie rzeczywistym z jednoczesną infuzją gladolinu. Wyniki pokazują, że stereotaksja sterowana rezonansem magnetycznym pozwala na precyzyjną i kontrolowaną infuzję do mózgu świni, w oparciu o wskazówki MR w czasie rzeczywistym i późniejsze skany MRI 3D Mprage (rozdzielczość izotropowa 1 mm) zależne od T1 (rozdzielczość izotropowa 1 mm) wykorzystywane do wizualizacji objętości dystrybucji.
Protokół
Badanie zostało zatwierdzone przez Institutional Animal Care and Use Committee w Houston Methodist Research Institute, IACUC numer zatwierdzenia IS00006378. Wszystkie metody eksperymentalne przeprowadzono zgodnie z odpowiednimi krajowymi i instytucjonalnymi wytycznymi i przepisami.
1. Pozycjonowanie zwierząt
- Ustaw obiekt tak, aby uzyskać optymalny dostęp do górnej części czaszki: umieść go na stole do rezonansu magnetycznego w ramach przygotowań do badania rezonansem magnetycznym.
UWAGA: Informacje na temat: świnia domowa, samica, 25 kg, wiek 14 tygodni.- Uspokoić pacjenta ketaminą (600 mg domięśniowo [IM]) i midazolamem (5 mg domięśniowo). Podawać leki przeciwbólowe hydromorfon (4 mg domięśniowo), karprofen (100 mg na os) i fentanyl (25 μg miejscowo), antybiotyk ceftriakson (550 mg dożylnie [IV]) i NaCl (0,9% dożylnie).
- Zaintubuj badanego. Utrzymuj znieczulenie za pomocą 2%-3% izofluranu.
- Monitoruj parametry życiowe pacjenta przez cały czas trwania zabiegu.
- Wentylować mechanicznie przy 16-19 oddechach/min za pomocą wentylatora.
- Umieść osobę na stole do rezonansu magnetycznego w ramach przygotowań do skanowania MRI.
- Umieść osobę w pozycji leżącej z głową skierowaną w stronę otworu MRI.
- Umieść standardową czterokanałową cewkę elastyczną MRI na uchwycie głowicy.
- Ustabilizuj głowę fotografowanej osoby za pomocą uchwytu na głowę.
- Podnieś tułów za pomocą ręczników i piankowych podkładek. Celem jest, aby głowa opadała lekko w dół, z zgiętą szyją i pyskiem prawie dotykającym stołu. Pomoże to upewnić się, że ramka stereotaktyczna i kaniula infuzyjna mieszczą się w otworze skanera MRI. Zakotwicz kołki uchwytu głowicy MRI na obustronnej jarzmowej kości jajowej, aby utrzymać głowę przymocowaną do stołu MRI.
- Sprawdź, czy górna część czaszki jest nachylona w kierunku tylnej części skanera z zgiętą szyją. Ta pozycja umożliwia chirurgowi dostęp do górnej części skóry głowy, gdy pacjent wchodzi do rezonansu magnetycznego.
- Po ustawieniu stół MRI jest przesuwany do otworu skanera, aż głowa osoby badanej dotrze do końca otworu.
2. Planowanie chirurgicznego wprowadzania z pomocą wizualizacji wspomaganej MRI
- Przygotuj obszar w sterylny sposób, uważając, aby przygotowany materiał nie dostał się do oczu fotografowanej osoby. Umieść sterylne ręczniki wokół pola operacyjnego. Umieść sterylną serwetę z otworem w kierunku górnej części czaszki, do którego chirurg ma dostęp.
- Umieść siatkę planowania referencyjnego na skórze głowy pacjenta, przyklejając samoprzylepną stronę siatki nad głową pacjenta, wyśrodkowaną wokół miejsca, w którym będzie znajdował się otwór na zadziory.
- Oderwij górną warstwę siatki wypełnioną płynem, mocno przytrzymując dolną warstwę na miejscu.
- Wykonaj skan zwiadowczy MRI z ustawioną siatką. Skan często wymaga dożylnego podania środka kontrastowego MR w celu uwidocznienia układu naczyniowego: należy użyć stężenia 1 mmol/ml środka kontrastowego gadolinu dla objętości infuzji 2,5 ml.
UWAGA: Skan zwiadowczy jest wstępnym obrazem wykonanym przed ostatecznym badaniem obrazowym. Celem jest, aby chirurg upewnił się, że obrazowanie jest przeprowadzane blisko obszaru zainteresowania i określił granice obrazowania. Zalecana dawka środka kontrastowego w stężeniu 1 mmol/ml, według producenta, wynosi 0,1 ml na kilogram ważony przez zwierzę. - Wybierz dokładną lokalizację mózgu do wprowadzenia kaniuli w oprogramowaniu MR-guidance.
- Upewnij się, że oprogramowanie umożliwia wizualizację planowanej przez chirurga trajektorii umieszczenia kaniuli w oparciu o wybrany cel. Upewnij się, że oprogramowanie generuje wizualizację trajektorii i odpowiadający jej punkt wejścia.
UWAGA: W tym badaniu wybrano miejsce w korze czołowej, które miało być celowane w istotę białą. Jest to miejsce, w którym powstaje i rośnie wiele ludzkich glejaków22. Jest to również preferowane miejsce do rozpowszechniania wzdłuż szlaków istoty białej23.
UWAGA: Rozważ decyzję chirurga dotyczącą punktu wejścia, celu i pożądanej trajektorii, aby zminimalizować transgresje pialne i bruzdowe oraz uniknąć naczyń krwionośnych. - Dostosuj sugerowaną trajektorię, w tym żądane punkty wejścia i celu, ręcznie przeciągając przewidywane punkty wejścia i celu w oprogramowaniu, aby uniknąć naczyń krwionośnych i zminimalizować transgresje pialnych i bruzdowych. Trajektorię można zmieniać i oglądać w trzech wymiarach.
- Po zidentyfikowaniu żądanej trajektorii na podstawie preferencji chirurga uruchom oprogramowanie do naprowadzania MR, aby znaleźć punkt wejścia na siatce.
- Przewiń zaplanowaną trajektorię skanowania, aby znaleźć punkt wejścia na skórze głowy. Oprogramowanie określa współrzędne siatki na podstawie rzutu planowanej trajektorii na siatkę.
3. Zabezpieczanie ramy stereotaktycznej i iteracyjna regulacja wyrównania za pomocą projekcji oprogramowania
- Zamontuj ramę stereotaktyczną wokół żądanych współrzędnych punktu wejścia na siatce, najpierw zabezpieczając podstawę sześcioma zakotwionymi w kości i czterema offsetowymi.
- Przymocuj sześć zakotwiczonych w kości do czaszki nad siatką, przez skórę głowy. Sześć kotwiących służy do stabilizacji ramy stereotaktycznej i uniknięcia jakichkolwiek ruchów podczas wiercenia.
- Przymocuj cztery przesunięte znajdujące się u podstawy wieży przez skórę, zakotwiczone na czaszce. Działają jako siła przeciwdziałająca, aby dokręcić środkowe kostne, podnosząc podstawę ramy do środkowych i stabilizując podstawę.
- Po zabezpieczeniu podstawy ramy stereotaktycznej kontynuuj montaż ramy.
- Wykonaj skan MRI MPRAGE o wysokiej rozdzielczości T1, opcja w oprogramowaniu MRI, z ramką ustawioną na miejscu, aby uchwycić odniesienia klatki i potwierdzić trajektorię.
- Potwierdź żądaną przewidywaną trajektorię wprowadzania kaniuli za pomocą oprogramowania, wizualizując skan MRI i planowaną trajektorię.
- Kolejne skany MRI 2D turbo spin echo są wykonywane w celu potwierdzenia wyrównania kadru z obiektem, gdy kadr jest już na swoim miejscu. Jeśli występuje niewspółosiowość między aktualną pozycją ramy a żądaną trajektorią, oprogramowanie wyświetla parametry regulacji.
UWAGA: Oprogramowanie oblicza różnicę promieniową między rzutem aktualnego położenia ramy stereotaktycznej a zdefiniowanym punktem docelowym. Ten błąd jest używany do obliczania błędu prognozowanego, który z kolei służy do obliczania wymaganych korekt ramy w celu jego zminimalizowania.
- Kolejne skany MRI 2D turbo spin echo są wykonywane w celu potwierdzenia wyrównania kadru z obiektem, gdy kadr jest już na swoim miejscu. Jeśli występuje niewspółosiowość między aktualną pozycją ramy a żądaną trajektorią, oprogramowanie wyświetla parametry regulacji.
- Wykonaj regulację pitch-roll i X-Y, obracając pokrętła, zgodnie z parametrami regulacji wyjściowej w oprogramowaniu.
- Powtórz wizualizację trajektorii rezonansu magnetycznego za pomocą oprogramowania i w razie potrzeby wykonaj korekty obrotowe i translacyjne (za pomocą pokręteł) kaniuli celowniczej.
- Korzystając z oprogramowania do naprowadzania MR, zmierz grubość czaszki na żądanej trajektorii i całkowitą odległość do mózgu.
UWAGA: Oprogramowanie oblicza odległość od górnej części ramy (przykręconej do czaszki) do punktu docelowego, aby oszacować długość całkowitą.
4. Wiercenie i wkładanie kaniuli do infuzji
- Przed wykonaniem nacięcia użyj peelingu jodowego, aby zapobiec infekcji.
- Wykonaj 3 cm nacięcie na skórze głowy, używając skalpela pod ramką stereotaktyczną.
- Ustaw ramę do włożenia wiertła, wykonując regulacje przed utworzeniem otworu dostępowego.
- Wyjmij i wymień środkową rurkę prowadzącą na taką, która pasuje do wiertła 3.4 mm do wiercenia.
- Upewnij się, że obecny jest asystent, który utrzymuje ramę na miejscu, podczas gdy chirurg wierci wiertłem ręcznym, aby zapewnić dodatkową stabilność ramy.
- Pozwól chirurgowi wiercić ręcznym wiertłem krętym, aby utworzyć otwór na zadziory o średnicy 3.4 mm.
- Ustaw ramę do drugiego włożenia wiertła, aby poszerzyć otwór na zadziory i uniknąć kolizji kostnych, które mogą zmienić trajektorię.
- Ustaw wiertło za pomocą wiertła 4.5 mm; wymień środkową rurkę prowadzącą na taką, która pasuje do tego większego wiertła.
- Utwórz otwór na zadziory o średnicy 4,5 mm.
- Wykonaj rezonans magnetyczny, aby upewnić się, że kaniula celownicza powróciła do zaplanowanej trajektorii, ponieważ wiercenie w ramie może czasami przesunąć kaniulę.
- Przebij oponę twardą ostrym szpikulcem.
- Włożyć wstępnie zagruntowaną kaniulę infuzyjną kompatybilną z ramą. Upewnij się, że kaniula ma stałe neutralne lub dodatnie ciśnienie wsteczne, aby ograniczyć wprowadzanie pęcherzyków powietrza.
UWAGA: Oprogramowanie zapewnia określoną głębokość planowanemu celowi. - Zmierz głębokość na kaniuli infuzyjnej kompatybilnej z ramą stereotaktyczną i użyj ogranicznika głębokości powiązanego z kaniulą. Ten ogranicznik głębokości zapewnia, że kaniula dociera do pożądanego miejsca i nie wykracza poza nie. Dostępny jest również zespół zamka i stacji dokującej z dodatkową śrubą, aby zapewnić, że kaniula pozostanie na żądanej głębokości.
5. Monitorowanie infuzji za pomocą powtarzających się skanów MRI
- Wykonaj rezonans magnetyczny, aby ocenić wprowadzenie kaniuli do właściwego miejsca docelowego w mózgu.
- Rozpocząć infuzję pożądanego środka jako infuzję jednoczesną ze środkiem kontrastowym na bazie gadolinu.
UWAGA: W tym eksperymencie użyto środka kontrastowego na bazie gadolinu o stężeniu 1 mM, ale może być konieczne dostosowanie go w zależności od zastosowania. Łącznie podano 300 μl objętości infuzji z szybkością 10 μl/min, choć może to być również zróżnicowane. - Wykonuj skan MRI w regularnych odstępach czasu, aby monitorować infuzję i objętość dystrybucji środka wprowadzonego do kaniuli w mózgu, co można wywnioskować z powodu jednoczesnej infuzji gadolinu.
UWAGA: Hiperintensywny obszar wokół końcówki kaniuli wskazuje na obecność środka kontrastowego na bazie gadolinu. - Po zakończeniu infuzji należy zatrzymać pompę.
UWAGA: Szybkość infuzji zastosowana w tym badaniu wynosiła 30 μl/min, aż do całkowitego wstrzyknięcia 300 μl objętości zawiesiny komórkowej. - Pozwól kaniuli pozostać w mózgu przez 5 minut po zakończeniu infuzji przed usunięciem kaniuli.
UWAGA: Kaniulę infuzyjną zwykle pozostawia się na miejscu przez 5 minut po zakończeniu infuzji, aby zmniejszyć przepływ zwrotny21,24. - Wyjmij kaniulę ręcznie przez ramkę.
- Zdejmij ramę z głowicy, demontując ją w kolejności odwrotnej do tego, jak została zbudowana.
- Zamknij nacięcie za pomocą biegnącego szwu monokrylnego 3-0 lub 4-0.
- Wyłącz izofluran, aby przygotować się do rekonwalescencji.
- Ekstubować pacjenta i pozwolić mu dojść do siebie pod obserwacją zespołu weterynaryjnego.
Wyniki
Pozycja świni w skanerze MRI zapewnia chirurgowi optymalny dostęp do operowanego obszaru oraz odpowiednią przestrzeń dla ramy stereotaktycznej i kaniuli infuzyjnej (Rycina 1). Tułów zwierzęcia uniesiono za pomocą ręczników i podkładek piankowych. Umożliwiło to lekkie pochylenie głowy w dół w stronę końca otworu rezonansu magnetycznego, co zapewniło optymalny dostęp chirurga do ramy stereotaktycznej oraz miejsca wprowadzenia kaniuli infuzyjnej.
Wizualizacja z prowadzeniem MRI umożliwia precyzyjne zaplanowanie i wprowadzenie kaniuli do mózgu (Rysunek 2). Oprogramowanie do prowadzenia MR wyznacza punkt wprowadzenia w celu uzyskania pożądanej trajektorii.
Rama stereotaktyczna została zeskanowana w oprogramowaniu, a następnie dostosowana tak, aby skutecznie dotrzeć do pożądanego miejsca (Rysunek 3). W tym pokazie wybrano miejsce w korze czołowej. Po ustawieniu ramy oprogramowanie posłużyło do oszacowania grubości czaszki świni, odległości od podstawy ramy do wybranego miejsca oraz korekt parametrów ramy niezbędnych do dotarcia do celu. W tym przypadku, dla wybranego miejsca i kąta wprowadzenia, grubość czaszki, którą musiałaby pokonać kaniula, wynosiła 4,7 mm, a odległość od wewnętrznej powierzchni czaszki do powierzchni mózgu wynosiła 4,4 mm (Rysunek 3A).
Na koniec, iteracyjne skany MRI wykonywane w trakcie operacji po infuzji przez kaniulę wykazały, w jaki sposób preparat został dostarczony do tkanki mózgowej (Rysunek 4). Skany te pozwoliły również na porównanie położenia kaniuli (niebieski prostokąt) z planowaną trajektorią kaniuli (żółty prostokąt), co potwierdza skuteczność tej techniki w dotarciu do pożądanego miejsca. Skany MR wykonywano w regularnych odstępach czasu wynoszących 4-6 min, a następnie w 10. i 30. minucie. Infuzja wzmocniona gadolinem była widoczna na tych skanach, co zapewniło wizualizację objętości dystrybucji środka w czasie rzeczywistym.
Rysunek 1: Pozycja obiektu na stole do MRI. Tułów jest uniesiony, szyja zgięta, a głowa pochylona w dół. (A) Przed wprowadzeniem do otworu skanera MR. (B) Obiekt ustawiony w otworze skanera MR w celu zapewnienia optymalnego dostępu do górnej części czaszki. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Rycina 2: Wizualizacja stereotaksji sterowanej MR. (A) Wizualizacja planowanej trajektorii. Oprogramowanie określa położenie punktu wejścia w siatce naniesionej na skórę głowy. (B) Położenie punktu wejścia na skórze głowy. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rycina 3: Trajektoria interwencji po zamocowaniu ramy na czaszce. (A) Pomiary głębokości kości i odległości do mózgu. (B) Rama stereotaktyczna na czaszce z otworem trepanacyjnym wykonanym wiertłem ręcznym. (C) Rama stereotaktyczna i projekcja rekonstrukcji 3D w oprogramowaniu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.
Rysunek 4: Obrazy poklatkowe środka infuzyjnego wzmocnionego gadolinem. Obszar hiperintensywny wokół końcówki kaniuli wskazuje na obecność gadolinu. Powtarzalne skany MR były wykonywane w czasie, aby śledzić objętość dystrybucji środka podczas infuzji: (A) t = 0, (B) t = 4 min, (C) t = 8 min, (D) t = 12 min, (E) t = 20 min, (F) t = 26 min; oraz po zakończeniu infuzji: (G) t = 36 min oraz (H) t = 60 min. Wizualizacja współpodanego środka pojawia się po 4 min. Niebieski prostokąt oznacza zmierzone umiejscowienie kaniuli, natomiast żółty prostokąt pokazuje projektowaną trajektorię kaniuli. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
Dyskusja
Protokół ten przedstawia wydajność stereotaksji sterowanej rezonansem magnetycznym do mózgu świni wewnątrz maszyny do rezonansu magnetycznego 3T z możliwością dokładności celowania poniżej milimetra, jak osiągnięto w poprzednich badaniach 1,4,17,18,25. Poprzednie eksperymenty ze zwłokami ze stereotaksją sterowaną rezonansem magnetycznym wykazały błąd promieniowy wynoszący 0,2 ± 0,1 mm1. W tym raporcie ostateczny błąd głębokości w odniesieniu do planowanej trajektorii wynosił 1,4 mm ze względu na ocenę online i korektę trajektorii przez chirurgów. Ostateczny błąd głębokości był porównywalny z błędem promieniowym (poniżej 2 mm) dla klinicznych implementacji procedur stereotaktycznych iMRI u ludzi26.
Tutaj demonstrujemy umieszczenie osoby badanej na stole do rezonansu magnetycznego, z jej tułowiem uniesionym tak, że głowa może lekko opadać w dół i być skierowana na zewnątrz w kierunku końca otworu MR. Takie umiejscowienie głowy ma kluczowe znaczenie, aby zapewnić chirurgowi przestrzeń do wykonania zabiegu. Rama stereotaktyczna pozwala na precyzyjną i kontrolowaną infuzję do modeli mózgu świni. Dodatkowo obrazowanie MR w czasie rzeczywistym pozwala na dokładne określenie objętości dystrybucji. Świnie, jako duże modele zwierzęce do infuzji śledzonych w czasie rzeczywistym w rezonansie magnetycznym, dają możliwość badania dostarczania leków do mózgu, dostarczania komórek i innych czynników o wartości translacyjnej.
Świnia ma wyraźne różnice anatomiczne, które należy wziąć pod uwagę, w porównaniu z ludźmi lub naczelnymi. W miarę wzrostu świń wielkość ciała w otworze MR staje się wyzwaniem. Kształt głowy i tułowia różni się od ludzkiego, co okazuje się wyzwaniem do zapewnienia optymalnego dostępu do mózgu dla chirurga, zarówno podczas zabiegu chirurgicznego, jak i wprowadzenia kaniuli w przestrzeń poza otworem MR. Dlatego tak ważne jest, aby ustawić pacjenta w taki sposób, aby chirurg miał dostęp do głowy od końca otworu rezonansu magnetycznego.
Różnica w grubości czaszki między świniami a ludźmi jest czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę. W tym protokole wizualizacja iMRI pozwoliła na precyzyjne oszacowanie grubości czaszki w celu przeprowadzenia skutecznej procedury otworu w zadziorach. Biorąc pod uwagę zastosowanie tych minimalnie inwazyjnych narzędzi neurochirurgicznych, powrót do zdrowia zwierząt przebiegł bez powikłań.
Wizualizacja sterowana rezonansem magnetycznym zapewnia wskazówki w czasie rzeczywistym dotyczące dostępu do mózgu świni, wprowadzenia kaniuli i monitorowania środka infuzyjnego. Doniesiono, że proces wiercenia, deformacja tkanek i/lub przerwanie dróg istoty białej przyczyniają się do trudności w dostarczaniu czynnika do mózgu25. Iteracyjne skany MR podczas planowania i wprowadzania kaniuli zapewniają możliwość niewielkich korekt. Ponadto parametry infuzji, takie jak szybkość infuzji lub dokładność wprowadzania kaniuli, mogą być zmieniane w czasie rzeczywistym lub wstrzymywane, zgodnie z obrazowaniem śródzabiegowym. Na koniec, należy wybrać odpowiednią równowagę współinfuzjatu na bazie gadolinu, aby uzyskać jasną ocenę objętości dystrybucji środka.
Nadmierne stężenie środka kontrastowego na bazie gadolinu mogło przesłonić jego rozmieszczenie w skanach MRI27, pokazując czarną plamę wokół końcówki kaniuli, otoczoną hiperintensywnym obszarem, który pokazywał zewnętrzne granice objętości infuzji. Dostępne nagrania z zabiegu są ograniczone ze względu na ograniczenia związane z filmowaniem w ograniczonej przestrzeni MRI wokół obszaru roboczego chirurga. Śródoperacyjny materiał wideo został wykorzystany do pokierowania opisem protokołu.
Infuzja środków za pomocą stereotaksji pod kontrolą MR u świń i innych dużych modeli zwierzęcych zaowocowała dokładnymi, przewidywalnymi i bezpiecznymi procedurami. Zademonstrowanie stereotaksji iMRI u świń stanowi podstawę do skalowalności terapii badawczych, które mają wysoką wartość translacyjną dla ludzi. Modele świń są szeroko stosowane do badania odpowiedzi immunologicznych ze względu na ich podobieństwo do odpowiedzi człowieka w porównaniu z innymi gatunkami28. Środki terapeutyczne dostarczane do mózgu mogą być badane w kontekście precyzyjnej infuzji docelowej, z dodatkową korzyścią w postaci wizualizacji MRI miejsca infuzji w czasie rzeczywistym, niezbędnych korekt i śródoperacyjnej oceny jej rozmieszczenia w tkance.
Oświadczenia
SG, EAS, CJK ujawniają następujące informacje: Zatrudniony przez ClearPoint Neuro.
Wszyscy pozostali autorzy deklarują brak konfliktu interesów.
Podziękowania
Autorzy oświadczają, że to badanie otrzymało filantropijne finansowanie od Johna S. "Steve'a" Dunna, Jr. i Dagmar Dunn Pickens Gipe Chair in Brain Tumor Research w Houston Methodist. Podmiot finansujący nie był zaangażowany w projektowanie badania, gromadzenie, analizę, interpretację danych, pisanie tego artykułu ani decyzję o przesłaniu go do publikacji.
Ta praca została częściowo sfinansowana z grantu numer RP190587 od Cancer Prevention and Research Initiative (CPRIT) oraz Houston Methodist Foundation.
Autorzy dziękują Vi Phan i Lien My Phan z Centrum Obrazowania Translacyjnego w Houston Methodist Research Institute za pomoc w obrazowaniu MR.
Autorzy oświadczają, że to badanie otrzymało filantropijne fundusze od Pauli i Rusty'ego Walterów oraz Walter Oil & Gas Corp Endowment w Houston Methodist. Podmiot finansujący nie był zaangażowany w projektowanie badania, gromadzenie, analizę, interpretację danych, pisanie tego artykułu ani podejmowanie decyzji o przesłaniu go do publikacji.
Materiały
| Nazwa | Firma | Numer katalogowy | Komentarze |
|---|---|---|---|
| 3 Tesla Siemens MAGNETOM Vida | Siemens Healthineers | 70 cm szeroki otwór 3 Tesla skaner MRI całego ciała | |
| Czterokanałowa elastyczna cewka | Siemens Healthineers | Umieszczona brzusznie, aby umożliwić dostęp do czaszki | |
| Serweta dla pacjenta MR Neuro | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-05 | Zasłona dla pacjenta MR Neuro, marker, osłona kulki torowej, osłona |
| Serweta do zabiegów MR Neuro zwężająca się - długa | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-02-L | Serweta do zabiegów MR Neuro zwężająca się, marker, osłona kulki torowej |
| Serweta do zabiegów MR Neuro zwężająca się z przedłużeniem - długa | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-03-L | Serweta do zabiegów MR Neuro Stożkowa z przedłużeniem, markerem, osłoną kulki śledzącej Zasłona |
| otworu skanera MR Neuro z przedłużeniem | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-04 | Serweta do skanera MR Neuro z przedłużoną |
| podstawą do montażu na skórze głowy | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SM-01 | Podstawa do montażu na skórze głowy i centrowanie |
| Podstawa do montażu czaszki | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SK-01 | Podstawa |
| do montażu czaszkiZestaw akcesoriów SMARTFrame | ClearPoint Neuro, Inc | NGS -AK-01-11 | Stylet, Lancet, Peel-Away Scover (2), Linijka, ogranicznik głębokości (2) |
| Rurki prowadzące SMARTFrame | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-01 | Rura prowadząca 15 GA, Rura prowadząca 18 GA i Rura prowadząca 16GA Rurki |
| prowadzące SMARTFrame .052" / 18 GA | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-02.052 | " Rurki prowadzące pasujące do urządzeń 18 ga (5) |
| Rurki prowadzące SMARTFrame .060" / 17 ga | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-03.060 | " Rurki prowadzące pasujące do urządzeń 17 ga (5) |
| Rurki prowadzące SMARTFrame .064" / CP Stylet | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-04.064 | " Rurki prowadzące, które pasują do styletów ClearPoint (5) |
| Rury prowadzące SMARTFrame .068" / 16 ga | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-05.068 | " Rurki prowadzące pasujące do urządzeń 16 ga (5) |
| Rurki prowadzące SMARTFrame .074" / 15 ga | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-06.074 | " Rurki prowadzące, które pasują do urządzeń 15 ga (5) |
| SMARTFrame MR Fiducial | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-BM-05 | MR Fiducials (5) |
| Śruba ratunkowa do montażu na głowie SMARTFrame – Długie | ratunkowe ClearPoint Neuro, Inc | NGS-RS-02 | do montażu na głowie (3) |
| SMARTFrame śruba ratunkowa do montażu na skórze głowy – Krótkie | ratunkowe ClearPoint Neuro, Inc | NGS-RS-03 | długim mocowaniem na głowie (3) |
| SMARTFrame śruba ratunkowa do montażu czaszki | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-RS-01 | ratunkowe do kości do montażu czaszki (3) |
| Zestaw przedłużek do kierownicy SMARTFrame. | ClearPoint Neuro, Inc | NGS -TE-01 | Lekki kontroler ręczny |
| Prowadnica urządzenia SmartFrame XG, 2,5 mm | Prowadnica urządzenia ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-03 | 2,5 mm |
| Prowadnica urządzenia SmartFrame XG, 3,2 mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-04 | Prowadnica urządzenia 3,2 mm |
| Prowadnica wiertła SMARTFrame XG, 4,5 mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-02 | Prowadnica |
| wiertła 4,5 mmProwadnica wiertła SMARTFrame XG, 6,0 mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-05 | Prowadnica wiertła 6,0 mm |
| Prowadnice do wymiennych urządzeń SMARTFrame XG | Prowadnica urządzenia ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-01 | Prowadnica urządzenia, 3,4 mm, prowadnica urządzenia, 14 GA Rama |
| trajektorii sterowana rezonansem magnetycznym SMARTFrame XG | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SF-02-11 | Rama stereotaktyczna, podstawa do montażu czaszki, pierścień centrujący, stacja dokująca, standardowa blokada urządzenia, blokada dużego urządzenia, śrubokręt, śruba blokująca rolkę z podkładką |
| Rama trajektorii SMARTFrame XG sterowana rezonansem magnetycznym, 5 fr | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SF-02-11-5 | Ramka stereotaktyczna, pierścień centrujący, stacja dokująca, 5 Fr blokada urządzenia, blokada dużego urządzenia, śrubokręt, śruba blokująca rolkę z podkładką |
| Rama trajektorii sterowana rezonansem magnetycznym SMARTFrame XG, 7 Fr | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SF-02-11-7 | Rama stereotaktyczna, pierścień centrujący, stacja dokująca, blokada urządzenia 7 fr, blokada dużego urządzenia, śrubokręt, śruba blokująca rolka z podkładką |
| Siatka planowania SMARTGrid MR | ClearPoint Neuro, Inc | NGS -SG-01-11 | Siatka do znakowania i narzędzie do znakowania |
| Zestaw wierteł SMARTTip MR, 4,5 mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-DB-45 | Wiertło 4,5 mm, wiertło 3,2 mm, lancet, ogranicznik głębokości, linijka |
| Wiertarka ręczna SMARTTwist MR | Wiertarka ręczna | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-HD-01 |
| VentiPAC | SurgiVet | V727000 | Wentylator mechaniczny |
| Przewodnik po centrowaniu | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-CG-01 | Przewodnik po centrowaniu |
Bibliografia
- 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. Convection-enhanced delivery of macromolecules in the brain. Proceedings of the National Academy of Sciences. 91 (6), 2076-2080 (1994).
- 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).
Przedruki i uprawnienia
