Магнитно-резонансная стереотаксия для инфузий в мозг свиньи

В этом протоколе мы описываем применение стереотаксической системы интервенционной магнитно-резонансной томографии (иМРТ) для размещения канюли и визуализации инфузий в мозг свиньи в режиме реального времени. Разработка систем iMRI позволяет точно устанавливать катетер¹. iMRI позволяет визуализировать распределение инфузионного агента в головном мозге пациентов под общим наркозом ^1,2 для оценки точности процедуры в режиме реального времени.

Стереотаксическая система с mr-наведением представляет собой целевую платформу, которая обеспечивает точность прицеливания ниже миллиметра¹. Он использует прицельное устройство, установленное на черепе, в сочетании со специальным программным обеспечением, которое обеспечивает анатомическую визуализацию мозга с прогнозируемыми траекториями вставки свинца и параметрами корректировки. Руководство iMRI по стереотаксическому хирургическому вмешательству в головной мозг доказало свою эффективность в клинических применениях, таких как глубокая стимуляция мозга при лечении болезни Паркинсона ^2,3,4,5, фокальная абляция для лечения эпилепсии ^6,7 и конвекционно-усиленная доставка (CED) лекарств в центральную нервную систему ^8,9.

Метод CED используется для непосредственной доставки терапевтических агентов в центральную нервную систему с помощью конвекции жидкости. Это основано на небольшом гидростатическом градиенте давления, который обеспечивает поток инфузии из кончика инфузионной канюли в окружающее внеклеточное пространство¹⁰. Стереотаксические методы используются для доставки высоких концентраций макромолекул, малых молекул^11,12, трансплантации клеток ^13,14,15 или терапевтических агентов в выбранную мишень ткани мозга, обходя гематоэнцефалический барьер. Такие факторы, как проницаемость, коэффициенты диффузии, противодавление, поглощение и механизмы клиренса, влияют на диффузию терапевтических агентов¹⁶. Этот метод использует коинфузию¹ на основе гадолиния для клинического CED, чтобы контролировать инфузионный агент в режиме реального времени в паренхиматозную мишень. Такие параметры, как объем распределения в ткани и связанная с ним кинетика после целевой точности, контролируются с помощью iMRI.

Исследования Инфузионных агентов CED через стереотаксиальную систему под управлением MR были изучены на нечеловеческих приматах, что привело к точным, предсказуемым и безопасным процедурам. Было показано, что точность размещения инфузионной канюли достигает субмиллиметровой погрешности размещения¹⁷. Система обеспечивает предсказуемое распределение инфузии с наблюдаемым линейным увеличением объема распределения с объемом инфузии, что приводит к последующему введению рефлюкс-резистентной канюли для инфузий CED¹⁸. Сообщалось, что эта процедура инфузии иМРТ не вызывает неблагоприятных последствий у нечеловеческих приматов¹⁹.

Здесь мы расширяем применение МР-управляемой стеротаксии в мозге свиньи, чтобы доставлять и контролировать распределение инфузионного агента, состоящего из клеточной суспензии 300 мкл. Размер мозга свиньи позволяет проводить визуализацию и нейрохирургические вмешательства, которые могут быть применены клинически к людям, что невозможно на небольших животных моделях заболевания²⁰. Кроме того, иммунная система свиньи производит реакции, аналогичные реакции человека с точки зрения реакций на биологические или другие терапевтические агенты²¹. Таким образом, работа с этим видом животных для стереотаксических процедур доставки лекарств имеет прямые трансляционные клинические последствия и может быть логистически проще, чем с исследованиями нечеловеческих приматов.

Мы использовали модель свиньи (домашняя свинья, самка, 25 кг, 14-недельный возраст) для стереотаксии под управлением MR. В этом исследовании сообщается о визуальной реализации стереотаксической процедуры у свиней. Мы описываем адаптацию пространства для размещения головы свиньи, визуализацию процедуры как в видео, так и на изображениях, а также параллельную МР-визуализацию для оценки распределения инфузий в мозге свиньи. Стереотаксия под МР-контролем выполнялась в пространстве МРТ 3T.

С помощью этого эксперимента наша группа демонстрирует производительность стереотаксии под управлением MR в мозге свиньи и базовую временную шкалу визуализации для отслеживания инфузий в мозге. Общая методика клинической стереотаксии, выполняемая на людях, может быть применена к черепу и мозгу свиньи.

Общей целью этой процедуры является выполнение стереотаксии под управлением МРТ в мозге свиньи с помощью руководства по визуализации МРТ в режиме реального времени. Это достигается путем первого позиционирования субъекта в отверстии МРТ для оптимального доступа к верхней части черепа. Вторым шагом является планирование хирургического введения с помощью руководства по визуализации с помощью МРТ, которое включает в себя размещение и сканирование фидуциальной сетки для определения подходящей точки входа для заранее запланированной траектории. Это достигается с помощью высокочастотного (1 мм изотропного) T1-взвешенного 3D-намагниченного 3D-сканирования с быстрым градиентным эхо (MPRAGE) продолжительностью 7 мин и 44 с. Затем мы закрепляем стереотаксическую рамку на головке и итеративно регулируем выравнивание с помощью программной проекции до тех пор, пока проецируемая радиальная ошибка не составит менее 0,5 мм. Быстрое 2D-сканирование спинового эха (продолжительность 13 с) в наклонных ориентациях обеспечивает управление изображением. Затем на коже делается разрез, а ручное сверло используется для создания отверстия для заусенца для введения инфузионной канюли по заданным координатам. Заключительным этапом является мониторинг инфузии с помощью повторных Т1-взвешенных МРТ-сканирований (3D MPRAGE; 1 мин 45 с) в режиме реального времени с коинфузией гладолиниума. Результаты показывают, что стереотаксия под управлением МРТ позволяет проводить точную и контролируемую инфузию в мозг свиньи на основе МРТ-наведения в режиме реального времени и последующих Т1-взвешенных 3D-МРТ MPRAGE (изотропное разрешение 1 мм), используемых для визуализации объема распределения.

Исследование было одобрено Институциональным комитетом по уходу за животными и их использованию в Хьюстонском методистском научно-исследовательском институте, номер одобрения IACUC IS00006378. Все экспериментальные методы были выполнены в соответствии с соответствующими национальными и институциональными руководящими принципами и правилами.

1. Позиционирование животных

1. Расположите субъекта для оптимального доступа к верхней части черепа: поместите субъекта на стол МРТ в рамках подготовки к МРТ-сканированию.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Предметная информация: домашняя свинья, сука, 25 кг, 14-недельный возраст.
   1. Успокаивайте испытуемого кетамином (600 мг внутримышечно [в/м]) и мидазоламом (5 мг в/м). Вводят анальгетики гидроморфон (4 мг в/м), карпрофен (100 мг на ОС) и фентанил (25 мкг местно), антибиотик цефтриаксон (550 мг внутривенно [IV]) и NaCl (0,9% IV).
   2. Интубировать тему. Поддерживайте анестезию 2%-3% изофлураном.
2. Следите за жизненно важными показателями субъекта на протяжении всей процедуры.
   1. Искусственно проветривать при 16-19 дыханиях/мин с помощью вентилятора.
3. Поместите объект на стол МРТ в рамках подготовки к МРТ-сканированию.
4. Поместите объект в положение лежа головой лицом к отверстию МРТ.
5. Поместите стандартную четырехканальную гибкую катушку МРТ на держатель головки.
6. Стабилизируйте голову субъекта с помощью держателя головы.
7. Поднимите туловище полотенцами и поролоновыми прокладками. Цель состоит в том, чтобы голова немного упала вниз, с согнутой шеей и мордой, почти касающейся стола. Это поможет гарантировать, что стереотаксическая рамка и инфузионная канюля помещаются в отверстие МРТ-сканера. Закрепите штифты держателя головки МРТ на двусторонней зигоме, чтобы голова была прикреплена к столу МРТ.
8. Убедитесь, что верхняя часть черепа наклонена к задней части сканера с согнутой шеей. Это положение позволяет хирургу иметь доступ к верхней части кожи головы, когда субъект входит в МРТ.
9. После установки стол МРТ перемещается в отверстие сканера до тех пор, пока голова субъекта не достигнет конца отверстия.

2. Планирование хирургического введения с помощью МРТ-руководства по визуализации

1. Подготовьте область стерильным образом, позаботившись о том, чтобы подготовленный материал не попал в глаза субъекта. Разместите стерильные полотенца вокруг хирургической зоны. Поместите стерильную драпировку с отверстием в верхней части черепа, к которому хирург может получить доступ.
2. Поместите фидуциальную планировочную сетку на кожу головы испытуемого, прикрепив клеевую сторону сетки над головой пациента, сосредоточенную вокруг места, где будет отверстие заусенца.
3. Снимите верхний заполненный жидкостью слой сетки, прочно удерживая нижний слой в нужном положении.
4. Выполните МРТ-сканирование разведчика с сеткой, установленной на месте. Сканирование часто требует внутривенного введения контрастного вещества MR для визуализации сосудистой системы: используйте концентрацию контрастного вещества гадолиния 1 ммоль / мл для объема инфузии 2,5 мл.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Скаутское сканирование является предварительным изображением, сделанным перед окончательным исследованием изображений. Цель состоит в том, чтобы хирург обеспечил, чтобы визуализация проводилась близко к интересующей области, и определил границы визуализации. Рекомендуемая доза в концентрации 1 ммоль/мл, согласно производителю, для контрастного вещества составляет 0,1 мл на килограмм, который весит животное.
5. Выберите точное местоположение мозга для введения канюли в программном обеспечении MR-guidance.
6. Убедитесь, что программное обеспечение позволяет визуализировать запланированную траекторию хирурга для размещения канюли на основе выбранной цели. Убедитесь, что программное обеспечение выводит визуализацию траектории и соответствующую точку входа.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Для этого исследования был выбран участок в лобной коре для нацеливания на белое вещество. Это место, где многие человеческие глиомы возникают и растут²². Это также предпочтительное место для распространения вдоль трактов белого вещества²³.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Рассмотрите решение хирурга о точке входа, цели и желаемой траектории, чтобы свести к минимуму нарушения пиальной и сулькальной смолы и избежать кровеносных сосудов.
7. Отрегулируйте предлагаемую траекторию, включая желаемые точки входа и цели, вручную перетаскивая прогнозируемые точки входа и цели в программном обеспечении, чтобы избежать кровеносных сосудов и свести к минимуму нарушения пиальной и бороздной смолы. Траекторию можно изменять и рассматривать в трех измерениях.
8. Как только желаемая траектория будет определена на основе предпочтений хирурга, запустите программное обеспечение MR-guidance, чтобы найти точку входа в сетку.
   1. Прокрутите запланированную траекторию на сканировании, чтобы найти точку входа на коже головы. Программное обеспечение задает координаты сетки на основе проекции запланированной траектории на сетку.

3. Закрепление стереотаксической рамки и итеративная регулировка выравнивания с помощью программной проекции

1. Соберите стереотаксическую рамку вокруг желаемых координат точки входа на сетке, сначала закрепив основание шестью винтами с костяным креплением и четырьмя офсетными винтами.
2. Закрепите шесть винтов с костным креплением к черепу по сетке, через кожу головы. Шесть анкерных винтов используются для стабилизации стереотаксической рамы и предотвращения любого движения во время сверления.
3. Закрепите четыре смещенных винта, расположенных у основания башни, через обшивку, закрепленную на черепе. Они действуют как встречная сила, чтобы затянуть центральные костные винты, поднимая основание рамы к центральным винтам, и стабилизировать основание.
4. Как только стереотаксическое основание кадра будет надежно закреплено, продолжите сборку рамы.
5. Выполните МРТ-сканирование MPRAGE с высоким разрешением T1, опцию в программном обеспечении МРТ, с установленным кадром для захвата фидуциалов кадра и подтверждения траектории.
6. Подтвердите желаемую проекционную траекторию вставки канюли с помощью программного обеспечения, визуализируя МРТ-сканирование и запланированную траекторию.
   1. Последующие 2D турбо спиновые эхо-МРТ-сканирования проводятся для подтверждения выравнивания кадра с объектом после того, как кадр находится на месте. При возникновении несоответствия между текущим положением кадра и желаемой траекторией программное обеспечение выводит параметры корректировки.
      ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение вычисляет радиальную разницу между проекцией текущего положения стереотаксического кадра и определенной целевой точкой. Эта ошибка используется для вычисления прогнозируемой ошибки, которая, в свою очередь, используется для расчета необходимых корректировок кадра для ее минимизации.
7. Выполняйте регулировки тангажа и X-Y, поворачивая колеса большого пальца, как указано в выходных параметрах регулировки в программном обеспечении.
8. Повторите программную визуализацию траектории МРТ и при необходимости выполните вращательные и поступательные корректировки (с помощью колес большого пальца) канюли наведения.
9. Используя программное обеспечение MR-наведения, измерьте толщину черепа на нужной траектории и общее расстояние до мозга.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение вычисляет расстояние от верхней части рамы (привинченной к черепу) до целевой точки, чтобы оценить общую длину.

4. Сверление и вставка канюли для инфузии

1. Используйте йодный скраб перед выполнением разреза, чтобы предотвратить инфекцию.
2. Сделайте разрез 3 см на волосистой части головы, используя скальпель под стереотаксической рамкой.
3. Настройте раму для вставки сверла, выполнив настройки перед созданием отверстия для доступа.
   1. Снимите и замените центральную направляющую трубу на ту, которая подходит для сверления 3,4 мм.
4. Убедитесь, что присутствует помощник, чтобы удерживать раму на месте, в то время как хирург сверлит ручную дрель, чтобы добавить дополнительную устойчивость раме.
5. Пусть хирург сверлит с помощью ручного сверла, чтобы создать отверстие для заусенца диаметром 3,4 мм.
6. Установите раму для второй вставки сверла, чтобы расширить отверстие заусенца и избежать костных столкновений, которые могут изменить траекторию.
   1. Установите сверло с сверлом 4,5 мм; замените центральную направляющую трубу на ту, которая подходит для этого большего сверла.
   2. Создайте отверстие для заусенцев диаметром 4,5 мм.
7. Выполните МРТ-сканирование, чтобы убедиться, что канюля наведения вернулась на запланированную траекторию, так как сверление через раму иногда может сместить канюлю.
8. Проткните твердую мозговую оболочку острым стилетом.
9. Вставьте предварительно загрунтованную совместимую с рамой инфузионную канюлю. Убедитесь, что канюля имеет постоянное нейтральное или положительное противодавление, чтобы ограничить введение пузырьков воздуха.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Программное обеспечение обеспечивает заданную глубину для запланированной цели.
10. Измерьте глубину на стереотаксической инфузионной канюле, совместимой с кадром, и используйте упор глубины, связанный с канюлей. Эта остановка глубины гарантирует, что канюля достигает нужного места и не выходит за его пределы. Существует также замок и док в сборе с дополнительным винтом, чтобы канюля оставалась на нужной глубине.

5. Мониторинг инфузии с помощью повторных МРТ-сканирований

1. Выполните МРТ-сканирование, чтобы оценить вставку канюли в правильное целевое место в головном мозге.
2. Начните инфузию желаемого агента в виде совместной инфузии с контрастным веществом на основе гадолиния.
   ПРИМЕЧАНИЕ: В этом эксперименте использовалась концентрация контрастного вещества на основе гадолиния 1 мМ, но это, возможно, потребуется скорректировать в зависимости от применения. В общей сложности 300 мкл объема инфузии вводили со скоростью 10 мкл/мин, хотя это также может варьироваться.
3. Выполняйте МРТ-сканирование через регулярные промежутки времени, чтобы контролировать инфузию и объем распределения агента, вставленного канюлей, в головном мозге, что может быть выведено из-за совместной инфузии гадолиния.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Гиперинтенсивная область вокруг кончика канюли указывает на наличие контрастного вещества на основе гадолиния.
4. Как только инфузия закончится, остановите насос.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Скорость инфузии, используемая в этом исследовании, составляла 30 мкл/мин, пока объем клеточной суспензии в 300 мкл не был полностью инфузионирован.
5. Дайте канюле остаться в мозге в течение 5 минут после прекращения инфузии перед удалением канюли.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Инфузионную канюлю обычно оставляют на месте в течение 5 мин после прекращения инфузии для уменьшения обратного потока^21,24.
6. Извлеките канюлю вручную через рамку.
7. Снимите раму с головки, разобрав ее в обратном порядке от того, как она была построена.
8. Закройте разрез бегущим 3-0 или 4-0 монокриловым швом.
9. Выключите изофлуран, чтобы подготовиться к восстановлению.
10. Экстубируйте субъекта и позвольте субъекту выздороветь под наблюдением ветеринарной команды.

Положение свиньи в МРТ-сканере обеспечивает оптимальный доступ для хирурга к операции и зазор для стереотаксической рамки и инфузионной канюли (рисунок 1). Туловище испытуемого было поднято полотенцами и поролоновыми прокладками. Это позволило головке немного опуститься вниз в конце отверстия МР и, следовательно, обеспечило оптимальность стереотаксической рамки и места введения инфузионной канюли для хирурга.

Визуализация под управлением МРТ позволяет точно планировать и вставлять канюлю в мозг (рисунок 2). Программное обеспечение MR-наведения обеспечивает точку вставки для достижения желаемой траектории.

Стереотаксический кадр сканировался в программном обеспечении, и он был настроен для эффективного достижения желаемого местоположения (рисунок 3). В этой демонстрации было выбрано место в лобной коре. После того, как рама была установлена, программное обеспечение использовалось для оценки толщины черепа свиньи, расстояния до желаемого места от основания рамы и корректировки параметров рамы для достижения желаемого местоположения. В этом случае для выбранного местоположения и угла введения толщина черепа, который канюля будет пересекать, составляла 4,7 мм и 4,4 мм от внутренней поверхности черепа до поверхности мозга (рисунок 3А).

Наконец, итеративное интероперативное МРТ-сканирование после инфузии канюли показало, как инфузия доставлялась в ткань мозга (рисунок 4). Эти сканирования также обеспечили сравнение проекции канюли (синий прямоугольник) и прогнозируемой траектории канюли (желтый прямоугольник), которые показывают эффективность этого метода в достижении желаемого местоположения. МРТ-сканирование проводилось с регулярными интервалами в 4-6 минут и завершалось 10-30-минутным сканированием. Инфузия, усиленная гадолинием, была поддается обработке в этих сканированиях, что обеспечивало визуализацию объема распределения агента в режиме реального времени.

Рисунок 1: Положение субъекта на столе МРТ. Туловище приподнято, шея согнута, а голова наклонена вниз. (A) Перед входом в отверстие MR. (B) Предмет, расположенный через отверстие MR для оптимального доступа к верхней части черепа. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 2: Визуализация стереотаксии под управлением МР. (А) Визуализация планируемой траектории. Программа выводит точку входа в сетку, размещенную на скальпе. (B) Расположение точки входа на коже головы. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 3: Траектория вмешательства после того, как каркас закреплен на черепе. (А) Измерения глубины кости и расстояния до мозга. (B) Стереотаксическая рамка на черепе, с отверстием для заусенцев, созданным с помощью ручного сверла. (C) Стереотаксическая рамка и проекция 3D-реконструкции на программное обеспечение. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

Рисунок 4: Замедление инфузионного агента, усиленного гадолинием. Гиперинтенсивная область вокруг кончика канюли указывает на наличие гадолиния. Повторяющиеся МР-сканирования были получены во времени для отслеживания объема распределения агента во время инфузии: (A) t = 0, (B) t = 4 мин, (C) t = 8 мин, (D) t = 12 мин, (E) t = 20 мин, (F) t = 26 мин; и после окончания инфузии: (G) t = 36 мин, и (H) t = 60 мин. Визуализация коинфицированного средства происходит через 4 мин. Синий прямоугольник — это место расположения измеряемой канюли, в то время как желтый прямоугольник показывает проецируемую траекторию канюли. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этого рисунка.

SG, EAS, CJK имеют следующие раскрытия: Используется ClearPoint Neuro.

Все остальные авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.