Medicine

脳のアガロースゲルモデルに画像誘導対流増加送達

Published: May 14, 2014 doi: 10.3791/51466

Karl A. Sillay^1,2, S. Gray McClatchy³, Brandon A. Shepherd¹, Garrett T. Venable¹, Tyler S. Fuehrer⁴

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

Summary

対流増加送達（CED）は、神経疾患の広い範囲の治療選択肢として提案されている。 CEDの適用のためのヘルスケアの専門家を調製するために、アクセス可能なトレーニングモデルが必要とされている。私たちは、試験、研究、訓練のための人間の脳のようなモデルとして、アガロースゲルの使用を記載している。

Abstract

対流増加送達（CED）は、神経疾患の広い範囲の治療選択肢として提案されている。 NeuroinfusionカテーテルCEDは、従来の薬物送達方法より頭蓋内のターゲットに治療薬のより大量に配信するために正圧バルク流れを可能にします。 CED（RCED）をガイド付きリアルタイムMRIの臨床的有用性を正確に、ターゲット療法を監視し、合併症を識別するための能力にある。トレーニング、RCEDは効率的であり、合併症を最小限に抑えることができる。脳のアガロースゲルモデルはCED試験、研究、訓練のためのアクセス可能なツールを提供しています。また、注入の視覚的なフィードバックを提供しながら、シミュレートされた脳RCEDモック手術の練習が可能になります。注入の分析は、ヒト脳組織と比較して、被訓練者は、モデルの類似性を検証することを可能に分配画分（Vdを/ Viの）の計算を可能にする。この記事では、我々のアガロースゲル脳ファントムを説明し、重要な私を概説神経疾患の治療のためにCED注入中直面する共通の落とし穴に対処しながら、CED注入および分析プロトコルの間trics。

Introduction

対流増加送達（CED）は、悪性脳腫瘍、てんかん、代謝障害（例えば、パーキンソン病など）、神経変性疾患^1、脳卒中、外傷²を含む神経疾患の広域スペクトルに対する治療選択肢として提案されている。 CEDは、薬物または他の注入剤の配布のための正圧バルクフローを採用しています。 CEDは、臨床的に関連するボリュームが³で、ローからハイまで、高分子量化合物の、安全で信頼性が高く、均質な配信を提供します。脳組織への伝統的な薬物送達が厳しく、血液脳関門⁴によって制限される。脳実質に進入する血液脳関門ブロックが極性および高分子量分子、脳内の毛細血管を構成する内皮細胞間の密着結合によって形成されている。 CEDを介して直接的実質内脳注入は、以前の治療用薬剤送達モダリティの限界を克服することができるおよび血液脳関門を通過しないであろう治療剤の使用が可能になり、したがって生存可能な治療の選択肢⁵として以前は利用できていた。

米国国立衛生研究所（NIH）の研究者らは、拡散のみによる^6-8よりも高い治療薬物濃度を達成する手段として、1990年代初頭に、CEDを説明した。 CEDの第一の方法は、脳内に一つまたは複数のカテーテルを移植カテーテルに注入ポンプを接続し、標的領域に直接治療剤をポンプ関与する。増加した分配画分と比較的安定濃度は、注入ポンプにより正圧が組織を拡張⁹および薬物の浸透を可能にさせるように起こることが報告されている。

CEDのための基本的な技術は、主に、最初に説明したのと同じままです。カテーテルの設計^10、注入技術の進歩12,13を補正する複数の同一線上の注入^14を最適化し、注入液の損失¹⁵を監視するライン圧モニタリング^2、およびリアルタイムMRIモニタリングは、治療¹⁰の安全性および有効性を増加している。付加的な重要性は、流量を含むカテーテルのデザインおよび輸液戦略に配置されている。成功したCEDは、限られたカテーテル還流し、組織損傷に、カテーテルの設計および注入速度と相関している。細径カテーテル先端¹⁶で脳カテーテル界面に沿って逆流だけでなく、制限の被害を最小限に抑えるため、低注入速度を備えたカテーテルを使用すること。また、輸液逆流または異常な配達¹⁷の補正を可能にしながらMRイメージングは、視覚的な注入カテーテルの配置のための正しい位置を確認し、このような薬物送達を提供しています。 MR画像は、分布の容積を近似し、追跡するためにも使用することができる（Vdを）注入された薬物の。 Vdを¹⁸分割するための閾値として、周囲の非注入されたゲルからの平均を上回る標準偏差の3倍を超えるMRイメージング信号強度値を用いて算出される。それは脳内に分布した薬物の量を表すため、Vdは、CEDのための有用な測定である。（Viに）注入容積と共に、比率が注入された薬物によって覆わ体積を定量する（Vdを/ Viに）生成することができる。

Vdは、ゲルカテーテルの相互作用、多孔質弾性特性、および注入クラウド形態^10：アガロースゲルファントムのようなCEDを理解する上で重要なヒトの脳のいくつかの重要な機械的特性を模倣する。 0.2％アガロースゲルの混合物は、CEDにゲル膨張に起因する局所細孔画分における生体内変化を模倣することが示されている。人間の脳に似気孔分率は、同様の相互作用とVdの¹⁹の正確な測定を促進する。のさらに、同様の濃度例えば、0.6％、0.8％などgaroseゲルは、脳²⁰と同様に、注入圧力のプロファイルを示している。また、半透明のアガロースゲルはカテーテル留置および注入還流のリアルタイム可視化の利点を提供する。アガロースゲルファントムは製造が比較的安価である。アガロースゲルファントムのコストは、神経学的な手術を通して将来広範な訓練の鍵となることがあります。ため、これらのプロパティに、アガロースゲルは、脳組織を使用することなく、人間の脳注入の重要な属性の多くを複製、有用な代理を提供する。

画像誘導CEDがアガロースゲルモデルに、前述したように、試験、研究、訓練のためのin vitro法で有益を提供しています。この記事の目的は、アガロースゲルファントムを再作成する方法を説明するために、適切なCEDのテストと分析のプロトコルの概要を説明し、神経疾患の治療のためのCED注入の間に直面する一般的なエラーに対処することである。

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Protocol

1。ゲルファントムの作製と色素

脱イオン水1000ml中の0.1％アガロース粉末2gを溶解させて、0.2％アガロースゲルを調製する。適切な混合を確実にするために約1分間溶液を撹拌し;とすぐにインターバルの間、攪拌、9分間または透明になるまで3分間隔でソリューションを電子レンジ
アガロースゲルは液体であるが、5センチメートル×5センチ×5cmの容器にソリューションを注ぐ。水を追加し、アガロースゲルを冷却し、沈降させるために、容器の上部にあるスペースを確保してください。
アガロースゲルが固化したら（約1〜2時間）、ゲルと冷蔵の上に水を1cmの追加。それは、混合の24〜48時間以内にゲルを使用するのが最適ですが^、10を冷蔵週まで保存することができます。
0.017パーセントブロモフェノールブルー色素（BPB）の50ミリリットル、およびガドテリドール放射性造影剤の2 Mmからなる60ミリリットル注射器で放射性造影剤を準備します。
1. 50メートルにBPB色素の8.5 mgの組み合わせLは0.017パーセントBPBソリューションを作成するために脱イオン水。
2. 2mMのガドテリドールソリューションを作成するために50ミリリットル0.017パーセントBPB溶液に株式の0.2ミリリットルの0.5Mガドテリドールを追加します。

注入システムの2。準備

シリンジポンプ注入システム（好ましい方法）：シリンジポンプ調製のために、輸液ラインのデッドボリュームを低減すること、圧力センサを介して注射器に直接注入カテーテルを取り付ける。シリンジポンプのパージ機能は、10μL/分の速度で、カテーテルのプライミング体積よりも大きなボーラスを用いて空気のラインをクリアするために使用されてもよい。
チューブポンプ注入システム（代替法）：注入ポンプに放射性造影剤を含む注射器を接続します。 IVのモニターに接続トランスデューサとポンプ出口に圧力センサーを取り付けます。圧力センサの開口端部に16gの注入カテーテルを取り付けます。注：16のG注入カテーテルの先端が内径を持っている0.2ミリメートルと0.35ミリメートルの外径測定器。先端は、溶融シリカで形成され、先端の長さは3mmである。約0.75ミリメートルに増加し、15ミリメートル継続、カテーテルはその後、1.6ミリメートルまたは16 Gにテーパー形でステップアップ
任意の気泡を除去するために16.667μL/分で約15分間システムをパージすることによって注入の準備をします。マシンは、高いライン圧に注入を中止するように、16.667μL/分の流量を超えないようにしてください。輸液ポンプ、輸液ポンプの「ボーラス」機能を使用することにより、空気のパージラインを出るラインに注入カテーテルを取り付ける以下。
ゲルファントムコンテナ（5センチメートル×5センチ×5cm）に及びMRIにおける場所に注入カテーテルマウント取り付け、軌道フレーム。

3。CEDジェル注入およびMRスキャン

注入を開始する前に、IVモニターによって記録された圧力値（mmHgのを）ゼロ。
アガロースゲルWに注入カテーテルを挿入しますi番目の輸液ポンプは、このケース1.667μL/分で、可能な限り低い流速で実行されている。
表1に示すパラメータを用いて、MRスキャンを開始し、1.667μL/分の速度で注入し続ける。注入された全量を60μl（約38分）に達するまで一定の速度でゲルを注入する。
3分50秒間隔で連続的にゲルをスキャンします。圧力値ごとに60秒を記録します。注入されたボリュームが60μLに達すると、注入ポンプをオフにする。完全なMRスキャンは、圧力測定値を記録し続けている。

4。磁気データ解析

MR画像を解析するために、ROIセグメンテーション機能を備えた適切なDICOMビューアを使用しています。
図1に示すように、カテーテルの断面積によってマークされ、各スキャンで正しいフレームを選択します。
ツール、いずれも含まれていないゲルの最大部分を選択 - 「四角形のROI」を使用した注入部位の一部分。ソフトウェアが出力されます標準偏差の平均画素密度。平均から3標準偏差に対応する値を見つけます。この値は、コントラストは99.7％の信頼度で存在するときに判定するための閾値として使用される。
「ROI - サークル」を使用してツールを、十分な大きさの円で注入部位を囲み、この一意の名前を付けます。
円を選択し、使用して - "現在の値よりも大きい場合：「ツール、ステップ4.3で見つかった入力された閾値に「ROIに設定した画素値を「これだけの行ボックスとチェックマーク。そして、「この新しい値に「箱、大きな値（25000）を入力します。以前に定義されたしきい値に包含される範囲を選択するために画素密度をリセットします。
" - 成長領域（2D/3Dセグメンテーション）、ROI」ツール、初期半径パラメータ= 2、ブラシの投資収益率と2D産地、信頼アルゴリズムを選択次に、使用して。 O総面積を計算するためのソフトウェアのための注入部位の内側をクリックこの領域F。
球状注入雲を仮定すると、以下の式を介した地域からの拡散の体積を計算する：V =4/3π（√（面積^/π））3

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Representative Results

CED注入を解釈し、分析することは、流通画分とした注入液の還流のようないくつかの重要な要因を含んでいる。分配割合の計算は、VDの計算に大きく依存している。そのため、MR画像の正確な解釈は非常に重要です。我々は、上記のように、確実にこれらの測定値を再生するための半自動化方法を提案する。これらのメソッドは、客観的に注入剤雲とおおよそ半径の断面積を決定する。変数が、アガロースゲルに注入クラウドは、多くの場合、球状証明した。球状の注入剤の雲を仮定すると、この半径は、CED注入のための電圧Vdを決定するために使用することができる。 Vdは/ Viはアガロースゲル注入のために注入した後、測定された体積を算出することができる。 0.2％の濃度のアガロースゲルは、3.1から5.2の範囲の脳組織の測定された電圧Vd / Viの比との間に立ち下がり、5.0mmol ¹⁰の電圧（Vd）/ Viの比を有する脳組織の合理的な表現を証明している^{0、21、22。}

CED注入の間に取ら圧力測定値も安定しており、一定のまま輸液を確保するために重要である。検出された圧力スパイクは、カテーテル内の気泡や閉塞などの輸液中のエラーを示してもよい。注入の圧力プロファイルは、最初に、注入²⁰の期間中、比較的安定したプラトーに減少する前にピークを迎えることが予想される。

注入の成功への主な不利益は、輸液ライン内の空気である。空気が注入圧力の測定だけでなく、注入される染料の量を変化させる。また、局所的な組織破壊を引き起こし、注入液の分布に影響を与えることができる。成功した研究は、注入部位²³への空気の脱出によって生じる効果を最小化または排除するためのパラメータを得た同軸カテーテルを用いて行った。我々の研究から、我々は将来のinvestigの必要性を識別均等に空気の存在を最小化または排除するためにこのようなSmartFlowのカテーテルのような単一のカニューレカテーテルを用いCED注入の適切なメソッドに管理ポイント。

輸液ライン内の空気の存在を同定するための重要なパラメータは、注入圧力である。図2の注入圧（mmHgで）線で示すように、空気がカテーテルラインに導入されると同時に、注入ライン圧力のスパイクがある。 MR画像のタイムスタンプに圧力測定値を比較すると、圧力スパイクは、従来のMR画像確認に気泡の存在を示すことができる。これは、圧力が生体内での空気の不適切な配信を検出し、防止するための潜在的な警告マーカーとなり得ることを示唆する。初期圧力の急上昇とするとき空気が実際にゲル中に配信された間の時間がありました。つまり、空気が実際の手術中の脳に注入してはならないので、注意することが重要です。上昇した圧力はobservだった場合実際の場合には、編脳内注入部位に到達する空気を保つために十分な時間があるかもしれません。

空気がカテーテル先端に達すると、図3、パネルAFに示すように、気泡の成長は、MR画像において見ることができる。気泡が拡大し、色素ドングリのムラを引き起こし、また、Vdとの測定値を変化させる。このように、一貫して、それが一定の空気が注入を損なわないこと、前にカテーテルを配置する空気を欠いて確実にシステムを準備するためのメソッドを識別し、検証することが重要です。カテーテルに入る空気を防止する一つの方法は、アガロースゲルに先立ってカテーテルの挿入に輸液を開始することであってもよい。

カテーテル - ゲル界面に沿って、注入液の逆流に悪影響を注入物がターゲットを終了できるようにすることで、注入に影響を与えることができる。逆流点滴中の任意の時点で発生する可能性がありますが、tでの逆流の発生率の増加があります彼は、注入の開始及び注入速度^10を上げるとき。逆流が依然としてこれらの変数の制御にもかかわらず^、23起こるかもしれないが、逆流はまた、気泡、カテーテル挿入技術、およびカテーテルのデザインの存在と関連している。逆流を最小限に抑えるために、段階的、逆流耐性のカテーテルを使用し、注入速度を一定にして（1.667μL/分）をできるだけ低く開催されました。 Oneはまた、圧力スパイクを防止することによって、不要な逆流を避けることができる。（エンドカテーテル閉塞の放出に関連する）、カテーテル直径、初期の注入圧力スパイク（IIPS）と共に逆流が発生する確率を増加させることが示されている。注入は、挿入の直前に最小速度で開始した場合、したがって、「トリクル」技術を使用した。多孔質膜カテーテル、並びに弁先端カテーテル設計は、エンドポート閉塞及び関連IIPSを軽減するために提案されている。

常に ">：「キープtogether.withinページ= FO」10トン

表1。撮像パラメータおよび注入のMRスキャンに使用される値。

図1のパネル1は、カテーテルマウントの写真を示すと注入カテーテルの断面を示すアガロースゲルのMR画像を含むパネル2と一緒にアガロースゲルラベル次のように：MR可視軌道ガイドは、ラベルAで見ることができ、 A、B、Cのラベル、ラベルDだけアガロースゲルの上に水による注入カテーテル、ラベルEでゲル水界面で造影剤をプールすると、ラベルのFによるアガロースゲル、およびラベルG.の輸液雲

図2。グラフCED注入に対する空気の影響を実証する。空気を注入し、注入ライン15分で認められた。緑の線で示すように、17分に圧力のスパイクは、記録した。気泡は、それぞれ青色および茶色の破線で示すようにVdとVdと/ Viの比に劇的な効果を有する。空気がラインに入ると、Vdは約5から9μLからスパイク; Viは線形まま。この図の拡大版を表示するには、こちらをクリックしてください。

図3磁気共鳴画像を示す輸液雲と封入気泡の成長。最初の画像は、従来のカテーテルの挿入にゲルを示す、第2の画像は、注入開始後のカテーテルの挿入を示しており、経過を示し、その後の時間は約4分間隔である。気泡が注入剤クラウドの真のボリュームを歪め、VDの正確な測定を防ぐことができます。空気は直前のMRスキャンに注入カテーテルに入る見られた。パネルAFは、注入の進行を示す、 図2の AF点に対応する。

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Discussion

注入の成功を確保するための重要なステップは次のとおり、空気の注入ラインをパージするアガロースゲルを混合し、MRデータを解析し、小さな内側カテーテル直径を使用して、使用して逆流を最小限にするためにカテーテル設計段とが感じる圧力を最小化する薬剤が注入されてその中にゲルまたは組織。先に述べたように、注入の成功への主な不利益は、輸液ラインの空気である。正しく、徹底的に空気の注入ラインをパージしても、空気が注入に入らないことを確認することが重要です。同様に重要なことは、アガロースゲルの混合されている。ゲルの不適切な合成は、順番に注入物分布の変動の原因となる濃度との整合性に大きな変動につながる可能性があります。一貫したMRデータ分析は、VdとVdと/ Viの比率を正確かつ客観的測定のためのキーである。正確プロトコルで説明されている手順に従うと、MRデータを分析するための一貫した方法を提供する。

tは">しかし、これらの技術には限界がないわけではない。カテーテルを挿入すると、アガロースゲルは¹⁰予測不能骨折または引き裂くことができる。アガロースゲルのこの予測不可能な性質は、ヒト脳組織からは、異なる製造するゲルカテーテルインタフェースの変化を引き起こす可能性球状注入雲が生体内で輸液を再現しようとすると、アガロースゲルに点滴と共通であったが、使用できなくます。その他の制限は、異なる結果をもたらす可能性があります。VDの計算のための球状注入雲を仮定してから発生することがあります。脳組織は、より異方性、よりです異種の、アガロースゲルよりも多くの地域解剖学的な境界が含まれているため、注入クラウドの形態¹⁰の分散の原因となります。これは、これらのVDは信号を減少させる可能性がある、考慮に磁化率アーチファクトの存在を考慮せず、肉眼的に近似していることに注意することが重要である注入剤雲の強度。この男のためにanuscript我々は異方性拡散の仮定を作り、我々は、これは推定値であることを理解しています。現在の技術に関する追加の改変は、結果の一貫性と正確性を向上させるために存在してもよい。修飾は、さらに、注入またはより正確に球状の注入剤の雲を仮定して回避する3D体積を計算するソフトウェアを使用して空気を防ぐために、ラインの追加のパージを含んでもよい。 Linninger らによって記載されるようにコンピュータモデリングの方法は、より正確に予測し、CED注入クラウドボリューム^24、25を測定するために使用されてもよい。

死体や動物の脳組織を必要とする既存の方法に比べて、アガロースゲルは、CEDのテストのために、より簡単にアクセスできるモデルを提供します。アガロースゲルの半透明の性質は、注入のリアルタイム可視化を提供しています。このリアルタイムの可視化は、すべて、訓練生にそれがMRによって検出される前に、注入中、還流や気泡を見る能力を与える迅速な修正や変更のために起因し。将来のアプリケーションのために、アガロースゲルは、今後の試験、研究、およびCEDの訓練のために必要なアクセス可能なモデルを提供しています。

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Disclosures

著者は、彼らが競合する経済的利益を持っていないことを宣言します。

Acknowledgments

著者は、セムズ - マーフィークリニック、メンフィス、テネシー州だけでなく、メンフィス、テネシー州のテネシー大学健康科学センターの脳神経外科部門でのMRI施設のスタッフに感謝したいと思います。

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