Image-guided Konvektion-forstærket levering i Agarosegel modeller af hjernen

Summary

Konvektion forbedret levering (CED) er blevet foreslået som en behandlingsmulighed for en lang række af neurologiske sygdomme. For at forberede sundhedspersonale til vedtagelse af CED, er der behov for tilgængelige uddannelsesmodeller. Vi beskriver anvendelsen af ​​agarosegelen som en sådan model af den menneskelige hjerne til afprøvning, forskning og undervisning.

Abstract

Konvektion forbedret levering (CED) er blevet foreslået som en behandlingsmulighed for en lang række af neurologiske sygdomme. Neuroinfusion kateter CED giver mulighed for positivt tryk bulk-flow til at levere større mængder lægemidler til en intrakraniel mål end traditionelle drug delivery metoder. Den kliniske anvendelighed af realtid MRI guidede CED (rCED) ligger i evnen til præcist at målrette, overvåge terapi, og identificere komplikationer. Med uddannelse, rCED er effektiv og komplikationer kan minimeres. Agarosegelen model af hjernen giver et tilgængeligt værktøj til CED testning, forskning og uddannelse. Simuleret hjerne rCED tillader praksis mock kirurgi samtidig giver visuel feedback af infusionen. Analyse af infusion muliggør beregningen af ​​fordelingen fraktion (Vd / Vi) gør det muligt for praktikanten at kontrollere ligheden af ​​modellen i forhold til humant hjernevæv. Denne artikel beskriver vores agarosegel hjerne fantom og skitserer vigtige migtrics Under en CED infusions og analyse protokoller samtidig med almindelige faldgruber står over for i løbet af CED infusion til behandling af neurologiske sygdomme.

Introduction

Konvektion-forstærket levering (CED) er blevet foreslået som en behandlingsmulighed for et bredt spektrum af neurologiske lidelser, herunder maligne hjernetumorer, epilepsi, metaboliske forstyrrelser, neurodegenerative sygdomme (såsom Parkinsons sygdom) ^1, slagtilfælde og traumer ^2. CED beskæftiger positivt tryk totalflow til fordeling af et lægemiddel eller anden infusate. CED giver sikker, pålidelig og ensartet levering af molekylvægt, der spænder fra lav til høj, ved klinisk relevante mængder ^3. Traditionel drug delivery til hjernevæv er stærkt begrænset af blod-hjerne-barrieren ^4. Dannet af tight junctions mellem endotheliale celler, der udgør kapillærerne i hjernen, blod-hjerne-barriere blokerer polære og højmolekylære molekyler ind i parenkym af hjernen. Direkte intraparenchymal hjerne infusion via CED kan overvinde begrænsningerne af tidligere terapeutiske drug delivery modaliteterog tillader brug af terapeutiske midler, der ikke ville krydse blod-hjerne-barrieren, og derfor tidligere har været utilgængelige som levedygtige behandlingsmuligheder ^5.

Forskere fra det amerikanske National Institutes of Health (NIH) beskrev CED i begyndelsen af 1990'erne som et middel til at opnå større terapeutiske stofkoncentrationer end ved diffusion alene ^6-8. De første fremgangsmåder til CED involveret implantere et eller flere katetre ind i hjernen, der forbinder en infusionspumpe til kateteret, og pumpe de terapeutiske midler direkte ind i målområdet. Den øgede fordeling fraktion og relativt stabile koncentration er rapporteret at forekomme som den positive pres skabt af infusionspumpen forårsager væv til at spile og give mulighed for gennemtrængning af lægemidlet ^9.

Den grundlæggende teknik til CED er stort set den samme, som det først blev beskrevet. Fremskridt i kateter design ^10, infusion teknik 2, og real tid MRI overvågning for at korrigere for hjernens skift ^{12, 13,} optimere flere kolineære infusioner ^14, og overvåge for infusat tab ¹⁵ har øget sikkerheden og effekten af behandlingen ^10. Yderligere betydning er blevet placeret på kateteret design og infusion strategi, herunder flow. Vellykket CED med begrænset kateter reflux og vævsskader, er blevet korreleret med kateter design og infusionshastighed. Anvendelsen af et kateter med en lille diameter og en lav infusionshastighed at begrænse tilbagestrømning langs hjerne-kateter interface samt begrænse skaderne på kateterspidsen ^16. MR scanning giver visuel bekræftelse af den korrekte placering for infusionskatetret placering, og dermed drug delivery og samtidig give mulighed for korrektion af infusion reflux eller afvigende levering ^17.. MR-billeder kan også anvendes til at tilnærme og spore mængden af ​​distributionsvolumen (Vd) Af det infunderede lægemiddel. Den Vd er beregnet med en MR-scanning signalintensitet værdi større end tre standardafvigelser over middelværdien fra det omgivende ikke-infunderet gel som en tærskel for segmentering ^18. Den Vd er et nyttigt mål for CED, fordi det svarer til det volumen af ​​lægemidlet fordeles i hjernen. Sammen med den mængde infunderet (VI), kan et forhold blive genereret (Vd / Vi) kvantificere den mængde, der er omfattet af den infunderes stof.

Agarose gel fantomer efterligne flere vigtige mekaniske egenskaber af den menneskelige hjerne er vigtige for at forstå CED såsom: Vd, gel-kateter interaktioner, poroelastic egenskaber og infusion sky morfologi ^10. Blandinger af 0,2% agarosegel har vist sig at efterligne in vivo ændringer i den lokale pore fraktion forårsaget af gel dilatation grund CED. En lignende pore fraktion til menneskelige hjerne fremmer lignende interaktioner og nøjagtige målinger af Vd ^19. Derudover lignende koncentrationer af etgarose geler, såsom 0,6% og 0,8% har vist lignende infusion trykprofiler til hjernen ^20. Endvidere gennemskinnelige agarosegeler giver den fordel, at visualisering i realtid af kateter og infusion tilbagesvaling. Agarose gel fantomer er relativt billige at fremstille. Udgifterne til agarosegelen fantomer kan være nøglen til fremtidig udbredte uddannelse i neurokirurgi. På grund af disse egenskaber, agarosegeler give en nyttig surrogat, replikere mange af de vigtigste egenskaber af menneskelige hjerne infusioner uden brug af hjernevæv.

Som anført ovenfor, image-guided CED i agarosegel modeller giver en gavnlig in vitro metode til test, forskning og uddannelse. Formålet med denne artikel er at beskrive, hvordan man kan genskabe agarosegel fantomer, at skitsere relevante CED afprøvning og analyse protokoller, og at løse almindelige fejl opstod under CED infusioner til behandling af neurologiske sygdomme.

Protocol

1.. Udarbejdelse af Gel Phantoms og Dye

1. Forbered 0,2% agarosegel ved at opløse 2 g 0,1% agarose pulver i 1000 ml deioniseret vand. Løsningen i ca 1 min Stir at sikre korrekt blanding; og straks mikroovn løsningen i 3 min intervaller i 9 min eller indtil klar, omrøring mellem intervaller.
2. Mens agarosegel er flydende, opløsningen hældes 5 cm x 5 cm x 5 cm beholdere. Give plads på toppen af ​​beholderen for at tilsætte vand og lade agarosegel for at afkøle og sætte sig.
3. Når agarosegelen er størknet (ca. 1-2 timer), der tilsættes 1 cm vand til toppen af ​​gelen og opbevares i køleskab. Det er bedst at anvende gelen inden for 24-48 timer for at blande, men den kan opbevares i op til en uge nedkølet ^10.
4. Forbered en radio kontrast farvestof i en 60 ml sprøjte, der består af 50 ml 0,017% bromphenol blåt farvestof (BPB) og 2 mM gadoteridol radio-kontrastmidler.
   1. Kombiner 8,5 mg BPB farvestof til 50 ml deioniseret vand for at skabe en 0,017% BPB opløsning.
   2. Tilsæt 0,2 ml lager 0,5 M gadoteridol til 50 ml 0,017% BPB løsning til at skabe en 2 mM gadoteridol løsning.

2.. Udarbejdelse af Infusion System

1. Sprøjtepumpe infusionssystem (foretrukne metode): Til sprøjtepumpe forberedelse, vedhæfte infusionskatetret direkte til sprøjten gennem trykføleren reducere dødvolumen infusionsslange. Udrensningen funktion af sprøjtepumpe kan anvendes til at fjerne rækken af ​​luften ved hjælp af en bolus større end priming volumen af ​​kateteret ved en hastighed på 10 ul / min.
2. Tube pumpe infusionssystem (alternativ metode): Forbind sprøjten indeholder radioen kontrast farvestof til infusionspumpen. Fastgør trykføleren pumpeudløbet med transduceren fastgjort til IV skærmen. Monter en 16 G infusionskatetret til den åbne ende af trykføleren. Bemærk: Spidsen af ​​16 G infusionskatetret har en indre diameter på 0,2 mm og en ydre diameter på 0,35 mm. Spidsen er lavet af kvartsglas og spidsen længde er 3 mm. Det øger til ca 0,75 mm, og fortsætter til 15 mm, kateteret derefter trin op i en tilspidset måde til 1,6 mm eller 16 G.
3. Forbered infusion ved udrensning af systemet i ca 15 min ved 16.667 ul / min for at fjerne eventuelle luftbobler. Må ikke overstige 16.667 ul / min flow, da maskinen vil ophøre infusion på grund af høj linje pres. Efter fastgørelse af infusionskatetret til linjen forlader infusionspumpen purge linjer af luft ved hjælp af "bolus"-funktionen på infusionspumpen.
4. Fastgør infusionskatetret montere og bane stel til gelen fantom beholderen (5 cm x 5 cm x 5 cm) og plads i MRI.

3.. CED Gel Infusion og MR Scanning

1. Nul trykket værdi (mmHg), indspillet af IV monitor, før du begynder infusionen.
2. Sæt infusionskatetret i agarosegelen wed infusionspumpen kører på den laveste strømningshastighed muligt i dette tilfælde 1,667 gl / min.
3. Begynd MR-scanning, anvendelse af de parametre, der er anført i tabel 1, og fortsætte med infusion med en hastighed på 1,667 gl / min. Tilføre gelen ved en konstant hastighed, indtil den samlede mængde tilført når 60 pi (ca. 38 min).
4. Scan gelen kontinuerligt i 3 min og 50 sek intervaller. Optag trykaflæsningerne hver 60 sek. Når infunderet volumen når 60 ul, slukke infusionspumpe; og komplet MR-scanning, samtidig med at indspille trykaflæsninger.

4.. MR Dataanalyse

1. For at analysere MR-billeder, skal du bruge en passende DICOM seeren med segmentering ROI funktionalitet.
2. Vælg den korrekte ramme i hver scanning præget af tværsnittet af katetret, som det ses i figur 1.
3. Brug af "ROI - rektangel" værktøj, skal du vælge den største del af gelen, der ikke indeholder nogendel af infusionsstedet. Softwaren vil output en gennemsnitlig pixeltæthed med standardafvigelse. Find den værdi, der svarer til tre standardafvigelser fra middelværdien. Denne værdi bruges som grænsen for, hvornår kontrasten er til stede med en tillid på 99,7%.
4. Brug af "ROI - cirkel" værktøj, omringe infusionsstedet med en stor nok cirkel og give denne et unikt navn.
5. Vælg cirklen og ved hjælp af "ROI - sæt pixelværdier til" værktøj, input tærskelværdi fundet i trin 4.3 i ", hvis aktuelle værdi er større end:" feltet og afkrydser denne linje. Derefter i "til denne nye værdi:" skal du angive en stor værdi (25.000). Nulstil pixeltæthed at vælge det område omfattet af den tidligere definerede tærskel.
6. Dernæst ved hjælp af "ROI - vokse region (2D/3D segmentering)" værktøj, vælge 2D voksende region, tillid algoritme med initial radius parameter = 2, og børste ROI. Klik inde i infusionsstedet for softwaren til at beregne det samlede areal of denne region.
7. Antages en sfærisk infusion sky, beregne mængden af diffusion fra området via følgende ligning: V = 4/3π (√ (Area / π)) ^3.

Representative Results

Tolkning og analyse af CED infusioner involverer flere vigtige faktorer, såsom fordeling fraktion og infusat reflux. Beregningen Fordelingen fraktion afhænger i høj grad på beregninger af Vd. Derfor præcis fortolkning af MR-billeder er kritisk. Vi foreslår en semi-automatiseret metode til pålideligt gengive disse målinger som anført ovenfor. Disse metoder objektivt at bestemme tværsnitsarealet af infusionsvæsken sky og en omtrentlig radius. Mens variabel i agarosegel infusionen skyen ofte vist sig at være sfæriske. Antages en sfærisk infusat sky kan denne radius kan anvendes til at bestemme Vd til infusion CED. Vd / VI for agarose infusion gelen kan derefter beregnes med det målte volumen infunderet. Agarosegel på 0,2% koncentration har vist en rimelig repræsentation af hjernevæv med en Vd / Vi forholdet 5,0 ^10, falder i mellem målte Vd / Vi forhold for hjernevæv spænder fra 3,1 til 5,20; ^{21, 22.}

Trykmålingerne taget under infusionen CED er også vigtige for at sikre infusionen forbliver stabil og konstant. Fundne trykspidser kan indikere fejl i infusionen, såsom luftbobler eller blokeringer i kateteret. Forventes trykprofilen af infusionen i første omgang at toppe før faldet til et relativt stabilt plateau for varigheden af infusionen ^20.

Den vigtigste skade til succes for infusionen er luft i infusionsslange. Air ændrer målingen af ​​infusionen tryk samt mængden af ​​farvestoffet bliver infunderet. Det kan også forårsage lokal vævsødelæggelse og påvirker fordelingen af ​​infusionsvæsken. En vellykket undersøgelse blev udført ved hjælp af koaksiale katetre, der gav parametre at minimere eller eliminere effekten produceret af luft slippe ind i infusionsstedet ^23. Fra vores undersøgelse, vi identificerer et behov for fremtidig Investigtioner til egentlige metoder til CED infusioner bruger enkelte kanyle katetre såsom SmartFlow kateter til lige minimere eller eliminere forekomsten af ​​luft.

En vigtig parameter til at identificere tilstedeværelsen af ​​luft i infusionsslangen er infusion pres. Som det fremgår af infusion tryk (mm Hg) linie i figur 2, er der en stigning i infusionsslangen tryk på samme tid som luft indføres ind i kateter. Sammenligning af trykmålinger til MR-billedet tidsstempler, kan et tryk spike angive tilstedeværelsen af ​​en luftboble før MR billede bekræftelse. Dette tyder pres kan være en potentiel advarsel markør for at opdage og forhindre upassende levering af luft in vivo. Der var tiden mellem den første stigning i trykket, og når luften var faktisk leveres ind i gelen. Det er vigtigt at bemærke, da luften ikke skal infunderes i hjernen under en egentlig procedure. Hvis øget pres var obsered i et konkret tilfælde kan der være rigelig tid til at holde luft i at nå infusionsstedet i hjernen.

Når luften når kateterspidsen kan væksten af luftboblen ses i MR-billeder, som vist i figur 3, panel AF. Luftboblen forårsager udvidelse og uregelmæssigheder af farvestoffet agern og ændrer målingen af ​​Vd også. Derfor er det vigtigt at identificere og validere en metode til at forberede systemet, der konsekvent sikrer, at det er blottet for luft forud for at placere kateteret, gøre visse luft forringer ikke infusionen. En måde at forhindre luft ind i kateteret, kan være at begynde infusionen før indsættelse af kateteret i agarosegelen.

Tilbagestrømning af infusionsvæsken langs kateteret-gel-grænsefladen kan påvirke infusionen ved at tillade infusionsvæsken at forlade målet. Mens tilbagestrømning kan forekomme på ethvert tidspunkt under en infusion, der er en øget forekomst af tilbagestrømning ved t han begynde af infusionen, og når øge infusionshastigheden ^10. Tilbageløb er også blevet forbundet med tilstedeværelsen af luftbobler, kateterindsættelsesnål teknik og kateter design, selvom tilbagestrømning kan stadig forekomme på trods af at kontrollere for disse variabler ^23. For at minimere tilbagestrømning blev en forstærket, reflux resistent anvendte kateter og infusionshastigheden blev holdt konstant og så lavt som muligt (1,667 gl / min.) Man kan også undgå unødvendig tilbageløb ved at forhindre trykspidser. Sammen med kateter diameter, har indledende infusion trykspidser (IIP'er) (i forbindelse med udvisning af en ende-kateter okklusion) vist sig at øge sandsynligheden for, at tilbageløb vil forekomme. Derfor blev en "sive" teknik, der anvendes, når infusionen blev indledt på minimumssatsen lige før indsættelse. Porøs membran katetre, samt ventil spids kateter motiver er blevet foreslået til at afhjælpe ende port okklusioner og tilhørende IIP'er.

telt "fo: keep-together.within-side =" altid ">
Tabel 1.. Imaging parametre og værdier, der anvendes til MR-scanning af infusionen.

. Figur 1. Panel 1, der viser et billede af kateteret montere og agarosegel sideløbende panel 2, der indeholder en MR billede af agarosegelen viser et tværsnit af infusionskatetret Labels som følger:. MR synlig bane vejledning kan ses af etiketter A og B infusionskatetret efter etiket C, vandet på toppen af ​​agarosegelen ved Dmærket, samle kontrastmiddel på gelen vand-grænsefladen efter etiket E agarosegelen efter etiket F og infusionen sky af etiketten G.

Figur 2.. Graf viser effekten af luft på infusion CED. Air blev bemærket i infusionsslangen 15 min i infusionen. Ved 17 min en stigning i trykket blev registreret, som det fremgår af den grønne linje. Luftboblen har også en drastisk effekt på Vd og Vd / Vi forhold som set af de blå og brune stiplede linier henholdsvis. Ved luft ind i linjen, Vd spidse fra ca 5 til 9 pi; mens Vi forblev lineær. Klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 3.. Magnetisk resonans billeder viservækst af infusionen sky og indesluttet luftboble. Det første billede viser gelen før indsættelse af kateteret, det andet billede viser indføringen af kateteret efter starten af infusionen, og den efterfølgende tid bortfalder vist i cirka 4 minutters intervaller . Luftboblen fordrejer den sande volumen af ​​infusionsvæsken sky og forhindrer nøjagtig måling af Vd. Luft blev set ind infusionskatetret umiddelbart forud for MR-scanning. Paneler AF svarer til punkt AF i figur 2, der viser udviklingen af infusionen.

Discussion

De kritiske trin for at sikre succes infusionen er: udrensning infusionsslangen af ​​luft, blanding af agarosegel analysere MR data ved hjælp af små indvendige kateter diameter, ved hjælp af forskydninger kateterudformninger at minimere tilbagestrømning og minimere trykket mærkes af gel eller væv i hvilken lægemidlet bliver infunderet. Som tidligere nævnt er den vigtigste skade til succes for infusionen er infusionsslange luft. Korrekt og grundigt renser infusionsslangen af ​​luft er afgørende for at sikre, at ingen luft ind infusionen. Lige så vigtigt er det at blande agarosegelen. Forkert syntese af gelen kan føre til store variationer i koncentrationen og konsistens, hvilket vil forårsage udsving i infusat distribution. Konsekvent MR dataanalyse er nøglen til nøjagtige og objektive målinger af Vd og Vd / Vi nøgletal. Netop efter trinene i protokollen giver en ensartet metode til at analysere MR-data.

t "> Men disse teknikker er ikke uden begrænsninger. Når du indsætter kateteret kan agarosegelen fraktur eller lacerate uforudsigeligt ^10. Denne uforudsigelige agarosegelen kan forårsage ændringer i gel-kateter interface der gør det ulig fra humant hjernevæv og ubrugelige. Yderligere begrænsninger kan opstå fra at antage en sfærisk infusion sky til beregning af Vd. Mens sfæriske infusionsrelaterede skyer var fælles med infusioner i agarosegel, der forsøger at gengive infusionen in vivo kan give forskellige resultater. Hjernevæv er mere anisotropisk, mere heterogen og indeholder flere regionale anatomiske grænser end agarosegel og vil derfor forårsage varians i infusion sky morfologi ^10. Det er vigtigt at bemærke, at disse Vd blev tilnærmet groft, uden at tage hensyn til tilstedeværelsen af magnetiske modtagelighed artefakter, hvilket kan formindske signalet intensiteten af ​​infusionsvæsken skyen. Med henblik på dette manuscript vi gjort antagelsen af ​​anisotropisk diffusion, og vi forstår, at dette er et skøn. Kan eksistere yderligere ændringer i den nuværende teknik til at forbedre sammenhængen og nøjagtigheden af ​​resultaterne. Ændringer kan omfatte yderligere rensning af linjerne for yderligere at forhindre luft i infusionen eller ved hjælp af software til mere præcist at beregne en 3D-volumen for at undgå at antage en sfærisk infusate sky. Metoder til computermodellering som beskrevet af Linninger et al. Kan anvendes til mere præcist at forudsige og måle CED infusion sky volumen ^{24, 25.}

Sammenlignet med eksisterende metoder, der kræver afdød eller animalsk hjernevæv, agarose gel giver en mere let tilgængelig model for CED test. Det gennemskinnelige natur agarosegel tilbyder også visualisering i realtid af infusionen. Denne real-time visualisering giver praktikanten mulighed for at se reflux eller luftbobler i infusion, før det opdages af MR, allegrund til hurtig korrektion og modifikation. For fremtidige applikationer, agarose gel giver de tilgængelige modeller, der er nødvendige for fremtidig testning, forskning og uddannelse i CED.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Prohance	Bracco		Gadoteridol radio contrast media
Bromophenol blue dye	Biorad	161-0404	Dye for infusate visualization
Agarose gel powder	Biorad	161-3101EDU	Agarose powder for creating gels
Medrad Veris MR Vital Signs Monitor	Medrad		MR safe infusion pressure monitor
16 G SmartFlow Catheter	SurgiVision		Infusion catheter
Medrad Continuum MR Infusion System	Medrad		MR safe infusion pump
SMART Frame MRI Guided trajectory frame	ClearPoint		Infusion catheter frame
Osirix imaging software and DICOM Viewer	Osirix Imaging Software		OsiriX 32-bit DICOM Viewer