Для просмотра этого контента требуется подписка на JoVE. Войдите или начните свой бесплатный пробный период.

Методическая статья

Изображение наведением конвекция повышенной Доставка в агарозном геле моделей мозга

10.8K просмотров

⸱

DOI:

10.3791/51466

⸱

14 мая 2014 г.

 ,  ,  ,  , 
1University of Tennessee Health Science Center, 2Semmes-Murphey Clinic, 3University of Arkansas for Medical Sciences, 4Restorative Neurosciences Foundation

В этой статье

Краткое содержание

Конвекции повышенной доставки (CED) была предложена как вариант обработки для широкого спектра неврологических заболеваний. В целях подготовки специалистов в области здравоохранения для принятия CED, доступные модели обучения необходимы. Мы описали использование агарозном геле как такой модели человеческого мозга для тестирования, исследований и обучения.

Аннотация

Конвекции повышенной доставки (CED) была предложена как вариант обработки для широкого спектра неврологических заболеваний. Neuroinfusion катетер КНИ позволяет положительного объемного давления потока для доставки больших количеств терапии для внутричерепной цели, чем традиционные методы доставки лекарств. Клиническая полезность реального времени МРТ руководствоваться КНИ (rCED) лежит в способности точно цель, мониторинга терапии и выявления осложнений. После обучения, rCED является эффективным и осложнения могут быть сведены к минимуму. Гель модель агарозы мозга обеспечивает доступный инструмент для тестирования КНИ, научных исследований и подготовки кадров. Имитация мозга rCED позволяет практику макета хирургии, также обеспечивая визуальную обратную связь инфузии. Анализ инфузии позволяет для расчета распределения фракции (Vd / Vi), позволяющей стажер проверить сходство модели по сравнению с человеческой мозговой ткани. Эта статья описывает наше агарозном геле мозга фантом и намечает важную меняках во время CED инфузионных и анализа протоколов в то время адресации распространенных ошибок, с которыми сталкиваются во время CED инфузии для лечения неврологических заболеваний.

Введение

Конвекция повышенной доставки (КНИ) был предложен как вариант лечения для широкого спектра неврологических заболеваний, включая злокачественные опухоли головного мозга, эпилепсии, нарушении обмена веществ, нейродегенеративных заболеваний (например, болезни Паркинсона) 1, инсульт, и травмы 2. КНИ использует объемного потока с положительным давлением для распределения лекарственного средства или другой инфузата. КНИ обеспечивает безопасную, надежную и однородную доставку соединений молекулярным весом, начиная от низкой до высокой, клинически значимых объемов 3. Традиционный доставки лекарств в ткани головного мозга строго ограничен по гематоэнцефалический барьер 4. Сформированный плотных контактов между эндотелиальных клеток, которые составляют капилляры в мозгу, что гематоэнцефалический барьер блоки полярных и высокомолекулярных молекул внутрь паренхимы мозга. Прямая интрапаренхимальные настой мозг через CED может преодолеть ограничения предыдущих терапевтических методик доставки лекарстви позволяет использовать терапевтических агентов, которые не пересекают гематоэнцефалический барьер и, следовательно, были ранее недоступны как жизнеспособные варианты лечения 5.

Исследователи из американского Национального института здоровья (NIH) описано КНИ в начале 1990-х в качестве средства достижения большей концентрации терапевтического средства, чем путем диффузии только 6-8. Первые способы КНИ участвует имплантации один или несколько катетеров в мозг, соединяющий инфузионного насоса к катетеру, и насосное терапевтических агентов непосредственно в целевой области. Увеличение фракции распределение и относительно стабильной концентрации, как сообщается, происходят как положительное давление создается с помощью инфузионного насоса вызывает ткани расширяются и обеспечивают проникновение препарата 9.

Фундаментальная методика CED остается в значительной степени то же самое, как это было впервые описано. Достижения в области катетера дизайна 10, техники инфузии 11, контроля давления в линии 2, и мониторинг МРТ в режиме реального времени для коррекции сдвига мозга 12, 13, оптимизировать несколько Коллинеарная инфузий 14, и монитор для инфузата убытки 15 увеличили безопасность и эффективность лечения 10. Дополнительная значение придается от конструкции катетера и стратегии инфузионной включая расхода. Успешное КНИ, с ограниченным обратным холодильником катетера и повреждению тканей, коррелирует с конструкцией катетер и скорости инфузии. Использование катетера с узким диаметром и низкой скорости инфузии, чтобы ограничить обратного потока вдоль поверхности мозга катетера, а также ограничить ущерб на кончике катетера 16. МРТ обеспечивает визуальное подтверждение правильного места для размещения настой катетера и, следовательно доставки лекарств, а также позволяет для коррекции инфузионной рефлюкса или аномальным поставки 17. МР изображений также может быть использован для аппроксимации и отслеживать объемы распределения (Vd) От переплетаются препарата. Vd рассчитывается значение интенсивности сигнала МРТ более чем на три стандартных отклонения выше среднего из окружающего, не введенного геля в качестве порогового значения для сегментации 18. Vd является полезным для измерения КНИ, потому что он представляет собой объем препарата распределенной в головном мозге. Наряду с объемом переплетаются (Vi), соотношение может быть сгенерирован (Vd / VI) количественной оценки объема подпадают под действие переплетаются препарата.

Агарозные фантомы гель имитировать несколько важных механических свойств человеческого мозга, важные для понимания КНИ, таких как: В.Д., гель-катетер взаимодействий, пороупругих свойств и настой облачных морфологии 10. Смеси 0,2% агарозном геле, как было показано, чтобы имитировать изменения в естественных условиях в местной фракции пор, вызванные расширением гель из-за КНИ. Аналогичная доля пор в человеческом мозге способствует подобные взаимодействия и точные измерения Vd 19. Дополнительно, подобные концентрацииgarose гели, такие как 0,6% и 0,8%, показали сходные профили давления инфузии в мозг 20. Кроме того, прозрачные гели агарозы обеспечить преимущество в режиме реального времени визуализации катетера и инфузии с обратным холодильником. Агарозные фантомы гель относительно недороги в производстве. Стоимость агарозном фантомов геля может быть ключом к будущему широкого подготовки в течение всей неврологической хирургии. Благодаря этим свойствам, гели агарозы обеспечить полезный суррогат, тиражирование многие из основных атрибутов вливаний мозга человека без использования ткани головного мозга.

Как указано выше, изображение наведением КНИ в модели геля агарозы предоставляет выгодно в методе экстракорпорального для тестирования, исследований и обучения. Цель этой статьи заключается в описании, как воссоздать агарозные фантомы гель, наметить соответствующие протоколы испытания и анализ КНИ, и для решения общих ошибок, с которыми сталкиваются во время CED вливаний для лечения неврологических заболеваний.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

1. Подготовка гель Фантомы и краска

  1. Подготовка 0,2% агарозном геле путем растворения 2 г 0,1%-ном агарозном порошка в 1000 мл деионизированной воды. Раствор перемешивают в течение примерно 1 мин, чтобы обеспечить надлежащее смешивание; и сразу микроволновой печи решение в интервалах 3 мин в течение 9 мин или до ясно, помешивая между интервалами.
  2. В то время как агарозном геле является жидкостью, вылить раствор в 5 см х 5 см х 5 см контейнеров. Оставьте свободным пространство в верхней части контейнера, чтобы добавить воду и позволить агарозном геле остыть и осесть.
  3. После того, как агарозный гель затвердеет (примерно 1-2 ч), добавьте 1 см воды в верхней части геля и холодильник. Лучше всего использовать гель в течение 24-48 ч перемешивания, но он может храниться до недели в холодильнике 10.
  4. Подготовьте радио-контрастное вещество в 60 мл шприц, состоящей из 50 мл 0,017% бромфенолового синего красителя (ВРВ) и 2 мм gadoteridol радио-контрастных веществ.
    1. Комбинат 8,5 мг BPB красителя до 50 м.л деионизированной воды, чтобы создать 0,017%-ный раствор BPB.
    2. Добавить 0,2 мл складе 0,5 М gadoteridol в 50 мл 0,017% раствора BPB создать решение gadoteridol 2 мм.

2. Подготовка инфузионной системы

  1. Шприц насос системы инфузии (предпочтительный метод): Для приготовления шприцевого насоса прикрепить инфузионный катетер непосредственно в шприц через датчик давления, уменьшая объем мертвого инфузионной линии. Продувочный функцией шприцевой насос может быть использован, чтобы очистить линию воздуха с использованием болюса больше, чем объем грунтовки катетера со скоростью 10 мкл / мин.
  2. Труба насоса инфузионная система (метод альтернативный): Подключите шприц, содержащий радио-контрастное вещество в инфузионный насос. Прикрепите датчик давления на выходе насоса с подключенным датчиком на монитор IV. Приложить инфузионный катетер 16 г на открытом конце датчика давления. Примечание: Кончик 16 г инфузионный катетер имеет внутреннюю диаметромметр 0,2 мм и внешним диаметром 0,35 мм. Наконечник выполнен из плавленого кварца, а длина наконечника 3 мм. Это увеличивает до приблизительно 0,75 мм и продолжается в течение 15 мм, катетер затем шаги в коническим образом в 1,6 мм или 16 G.
  3. Подготовка к инфузии путем продувки системы в течение примерно 15 мин при 16,667 мкл / мин, чтобы удалить пузырьки воздуха. Не превышайте скорость потока 16.667 мкл / мин, так как машина перестанет настой из-за высокого давления линии. После присоединения инфузии катетер к линии выхода из инфузионный насос, продувки трубопроводов воздуха с помощью функции "болюса" на инфузионный насос.
  4. Прикрепите инфузионный катетер монтировать и траектория кадров в гель фантомным контейнера (5 см х 5 см х 5 см) и место в МРТ.

3. КНИ Гель Настой и МР Сканирование

  1. Нулевое значение давления (мм рт.ст.), записанного в мониторе IV до начала инфузии.
  2. Вставьте инфузии катетер в агарозном геле жIth инфузионный насос работает на самой низкой скорости возможного потока, в данном случае 1,667 мкл / мин.
  3. Начинают MR сканирования, используя параметры, перечисленные в таблице 1, и продолжают вливания в размере 1,667 мкл / мин. Наполнить гелем с постоянной скоростью до тех пор, общий объем инфузии не превышает 60 мкл (около 38 мин).
  4. Сканирование гель непрерывно в течение 3 мин и 50 с интервалом в секунду. Запишите показания давления каждые 60 сек. Как только объем инфузии достигает 60 мкл, выключите инфузионный насос; и полное сканирование MR продолжая записывать показания давления.

4. MR Анализ данных

  1. Для анализа изображений МРТ, используйте соответствующий зрителя DICOM с функциональностью сегментации ROI.
  2. Выберите правильный кадр в каждом цикле, отмеченную в поперечном сечении катетера, как показано на рисунке 1.
  3. Использование "ROI - прямоугольник" инструмент, выберите самую большую часть геля, который не включает любыечасть инфузии. Программное обеспечение выведет средняя плотность пикселей со стандартным отклонением. Найдите значение, соответствующее трех стандартных отклонений от среднего значения. Это значение используется в качестве порогового значения для определения того, когда присутствует контраст с уверенностью 99,7%.
  4. Использование "ROI - круг" инструмент, окружить место инфузии с достаточно большой круг и дать это уникальное имя.
  5. Выберите круг и с помощью "ROI - установить пиксельных значений, которые" инструмент, вход пороговое значение найдено в шаге 4.3 в ", если текущее значение больше, чем:" поле и отметить галочками только эту линию. Тогда в "на это новое значение:" окне введите большую величину (25 тысяч). Сброс плотность пикселей, чтобы выбрать область, окруженное порога ранее определенного.
  6. Затем, используя "ROI - расти область (2D/3D сегментации)" инструмент, выберите 2D растущий регион, уверенность алгоритм с исходного параметра радиуса = 2 и кисти ROI. Щелкните внутри сайта вливания для программного обеспечения, чтобы вычислить общую площадь ое этот регион.
  7. Предполагая сферическую вливания облако, рассчитать объем диффузии из области через следующей формуле: V = 4/3π (√ (Площадь / π)) 3

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

Интерпретация и анализ CED настои включать несколько важных факторов, таких как распределения фракции и инфузата рефлюкса. Расчет доли распределения в значительной степени зависит от расчета Vd. Поэтому точное толкование образов МР имеет решающее значение. Предложен метод полуавтоматического для надежного воспроизведения этих измерений, как указано выше. Эти методы объективно определить площадь поперечного сечения инфузате облака и приблизительное радиус. В то время как переменная, в агарозном геле настой облако часто о...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

Критические шаги для обеспечения успеха вливания являются: очищение инфузионной линии воздуха, смешивая агарозном геле, анализируя данные МРТ, с помощью небольших внутренний диаметр катетера, с помощью шагнул катетер проекты, чтобы минимизировать обратный поток, и минимизации давление ощущается гель или ткань, в которую лекарственное средство переплетаются. Как отмечалось ранее, основной ущерб для успеха инфузии является настой воздушная линия. Правильно и тщательно продувки инфузионной линии воздуха имеет решающе...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

Авторы заявляют, что они не имеют конкурирующие финансовые интересы.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить сотрудников от объектов МРТ на Semmes-Мерфи клиники, Мемфис, штат Теннесси, а также нейрохирургическое отделение в Университете Теннесси Научного центра здоровья в Мемфисе, штат Теннесси.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
ProhanceBraccoGadoteridol радиоконтрастное средство
Бромофенол синий красительBiorad161-0404Краситель для визуализации инфузии
Порошок агарозного геляBiorad161-3101EDUПорошок агарозы для создания гелей
Medrad Veris MR Монитор жизненно важных показателейMedradMR безопасный монитор инфузионного давления
16 г SmartFlow катетерИнфузионный катетерSurgiVision
Система инфузионной терапииMedradБезопасная инфузионная помпа
SMART Frame MRI Guided trajectory frameРамка инфузионного катетераClearPoint
Программное обеспечение для визуализации Osirix и DICOM ViewerПрограммное обеспечениеOsirix 32-битный DICOM Viewer
Continuum MR для визуализации

Ссылки

  1. Miranpuri, G. S., et al. Gene-based therapy of Parkinson's Disease: Translation from animal model to human clinical trial employing convection enhanced delivery. Annals of Neurosciences. 19, 133-146 (2012).
  2. Sillay, K., Hinchman, A., Akture, E., Salamat, S., Miranpuri, G., Williams, J., Berndt, D. Convection Enhanced Delivery to the Brain: Preparing for Gene Therapy and Protein Delivery to the Brain for Functional and Restorative Neurosurgery by Understanding Low-Flow Neurocatheter Infusions Using the Alaris® System Infusion Pump. Annals of Neurosciences. 20, (2013).
  3. Song, D. K., Lonser, R. R. Convection-enhanced delivery for the treatment of pediatric neurologic disorders. Journal of child neurology. 23, 1231-1237 (2008).
  4. Bobo, R. H., et al. Convection-enhanced delivery of macromolecules in the brain. Proc Natl Acad Sci USA. 91, 2076-2080 (1994).
  5. Debinski, W., Tatter, S. B. Convection-enhanced delivery for the treatment of brain tumors. Expert review of neurotherapeutics. 9, 1519-1527 (2009).
  6. Morrison, P. F., Laske, D. W., Bobo, H., Oldfield, E. H., Dedrick, R. L. High-flow microinfusion: tissue penetration and pharmacodynamics. The American journal of physiology. 266, 292-305 (1994).
  7. Nguyen, T. T., et al. Convective distribution of macromolecules in the primate brain demonstrated using computerized tomography and magnetic resonance imaging. Journal of neurosurgery. 98, 584-590 (2003).
  8. Lonser, R. R., et al. Successful and safe perfusion of the primate brainstem: in vivo magnetic resonance imaging of macromolecular distribution during infusion. Journal of neurosurgery. 97, 905-913 (2002).
  9. Raghavan, R., et al. Convection-enhanced delivery of therapeutics for brain disease, and its optimization. Neurosurg Focus. 20, (2006).
  10. Sillay, K., et al. Benchmarking the ERG valve tip and MRI Interventions Smart Flow neurocatheter convection-enhanced delivery system's performance in a gel model of the brain: employing infusion protocols proposed for gene therapy for Parkinson's disease. Journal of neural engineering. 9, (2012).
  11. Schomberg, D., Wang, A., Marshall, H., Sillay, K., Miranpuri, G. Ramped-Rate vs. continuous rate infusions: An in vitro comparison of Convection Enhanced Delivery protocols. Annals of Neurosciences. 20, (2013).
  12. Sillay, K. A., et al. Perioperative Brain Shift and Deep Brain Stimulating Electrode Deformation Analysis: Implications for rigid and non-rigid devices. Ann Biomed Eng. 41, 293-304 (2013).
  13. Brodsky, E., Block, W., Alexander, A., Emborg, M., Ross, C., Sillay, K. Intraoperative Device Targeting using Real-Time MRI. Biomedical Sciences and Engineering Conference, BSEC. , (2011).
  14. Sillay, K., et al. Strategies for the delivery of multiple collinear infusion clouds in convection-enhanced delivery in the treatment of Parkinson's disease. Stereotactic and functional neurosurgery. 91, 153-161 (2013).
  15. Brady, M. L., et al. Pathways of infusate loss during convection-enhanced delivery into the putamen nucleus. Stereotactic and functional neurosurgery. 91, 69-78 (2013).
  16. White, E., et al. An evaluation of the relationships between catheter design and tissue mechanics in achieving high-flow convection-enhanced delivery. J Neurosci Methods. 199, 87-97 (2011).
  17. Fiandaca, M. S., Forsayeth, J. R., Dickinson, P. J., Bankiewicz, K. S. Image-guided convection-enhanced delivery platform in the treatment of neurological diseases. Neurotherapeutics : the journal of the American Society for Experimental NeuroTherapeutics. 5, 123-127 (2008).
  18. Jagannathan, J., Walbridge, S., Butman, J. A., Oldfield, E. H., Lonser, R. R. Effect of ependymal and pial surfaces on convection-enhanced delivery. Journal of neurosurgery. 109, 547-552 (2008).
  19. Chen, Z. J., Broaddus, W. C., Viswanathan, R. R., Raghavan, R., Gillies, G. T. Intraparenchymal drug delivery via positive-pressure infusion: experimental and modeling studies of poroelasticity in brain phantom gels. IEEE transactions on bio-medical engineering. 49, 85-96 (2002).
  20. Chen, Z. J., et al. A realistic brain tissue phantom for intraparenchymal infusion studies. Journal of neurosurgery. 101, 314-322 (2004).
  21. Richardson, R. M., et al. Interventional MRI-guided Putaminal Delivery of AAV2-GDNF for a Planned Clinical Trial in Parkinson's Disease. Mol Ther. 19, 1048-1057 (2011).
  22. Thorne, R. G., Hrabetova, S., Nicholson, C. Diffusion of epidermal growth factor in rat brain extracellular space measured by integrative optical imaging. Journal of neurophysiology. 92, 3471-3481 (2004).
  23. Panse, S. J., Fillmore, H. L., Chen, Z. J., Gillies, G. T., Broaddus, W. C. A novel coaxial tube catheter for central nervous system infusions: performance characteristics in brain phantom gel. J Med Eng Technol. 35, 408-414 (2010).
  24. Linninger, A. A., Somayaji, M. R., Zhang, L., Smitha Hariharan, M., Penn, R. D. Rigorous mathematical modeling techniques for optimal delivery of macromolecules to the brain. IEEE transactions on bio-medical engineering. 55, 2303-2313 (2008).
  25. Sampson, J. H., et al. Clinical utility of a patient-specific algorithm for simulating intracerebral drug infusions. Neuro-oncology. 9, 343-353 (2007).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Теги

Изображение наведением конвекция повышенной Доставка в агарозном геле моделей мозга
Свяжитесь с нами
Рекомендовать библиотеке

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

Авторские права © 2026 MyJoVE Corporation. Все права защищены.