Summary
Das hier vorgestellte Protokoll demonstriert die Stereotaxie des Schweinegehirns unter Verwendung von konvektionsverstärkten Infusionen mit Echtzeit-Magnetresonanztomographie (MRT) und Echtzeit-Visualisierung der Infusionsverteilung.
Abstract
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Durchführung einer Stereotaxie im Schweinegehirn mit Echtzeit-Magnetresonanz (MR) -Visualisierung, um präzise Infusionen zu ermöglichen. Das Subjekt wurde in der MR-Bohrung liegend positioniert, um einen optimalen Zugang zur Oberseite des Schädels zu erhalten, wobei der Oberkörper angehoben, der Hals gebeugt und der Kopf nach unten geneigt war. Zwei Ankerstifte, die auf dem beidseitigen Jochbein verankert waren, hielten den Kopf mit dem Kopfhalter stabil. Eine Magnetresonanztomographie (MRT) Flex-Spule wurde rostral über den Kopfhalter gelegt, so dass der Schädel für den Eingriff zugänglich war. Ein Planungsraster, das auf der Kopfhaut platziert wurde, wurde verwendet, um den geeigneten Eintrittspunkt der Kanüle zu bestimmen. Der stereotaktische Rahmen wurde durch Softwareprojektion iterativ gesichert und ausgerichtet, bis der projizierte radiale Fehler weniger als 0,5 mm betrug. Mit einem Handbohrer wurde ein Bohrloch zum Einführen der Kanüle geschaffen. Eine Gadolinium-angereicherte Co-Infusion wurde verwendet, um die Infusion einer Zellsuspension zu visualisieren. Wiederholte T1-gewichtete MRT-Scans wurden während des Agentenabgabeprozesses in Echtzeit registriert, um das Volumen der Gadoliniumverteilung zu visualisieren. Die MRT-gesteuerte Stereotaxie ermöglicht eine präzise und kontrollierte Infusion in das Schweinegehirn bei gleichzeitiger Überwachung der Kanüleneinführungsgenauigkeit und der Bestimmung des Verteilungsvolumens des Wirkstoffs.
Introduction
In diesem Protokoll beschreiben wir die Anwendung eines stereotaktischen Systems der interventionellen Magnetresonanztomographie (iMRT) zur Kanülenplatzierung und Echtzeitvisualisierung von Infusionen in das Schweinegehirn. Die Entwicklung von iMRT-Systemen ermöglicht eine genaue Katheterplatzierung1. iMRT ermöglicht die Visualisierung der Verteilung des Infusionsmittels im Gehirn von Patienten unter Vollnarkose 1,2, um die Genauigkeit des Verfahrens in Echtzeit zu bewerten.
Das MR-gesteuerte stereotaktische System ist eine zielgerichtete Plattform, die eine Zielgenauigkeit im Submillimeterbereichermöglicht 1. Es verwendet ein am Schädel befestigtes Zielgerät in Verbindung mit einer speziellen Software, die eine anatomische Bildgebung des Gehirns mit projizierten Bleieinführungsbahnen und Anpassungsparametern ermöglicht. Die iMRT-Leitlinien für stereotaktische chirurgische Eingriffe am Gehirn haben sich in klinischen Anwendungen als wirksam erwiesen, wie z. B. bei der Tiefenhirnstimulation bei der Behandlung der Parkinson-Krankheit 2,3,4,5, der fokalen Ablation zur Behandlung von Epilepsie 6,7 und der konvektionsverstärkten Verabreichung (CED) von Arzneimitteln an das zentrale Nervensystem 8,9.
Die CED-Methode wird verwendet, um Therapeutika direkt an das zentrale Nervensystem unter Verwendung von Flüssigkeitskonvektion abzugeben. Dies beruht auf einem kleinen hydrostatischen Druckgradienten, der den Fluss eines Infusats von der Spitze der Infusionskanüle in den umgebenden extrazellulären Raum10 ermöglicht. Stereotaktische Methoden werden verwendet, um hohe Konzentrationen von Makromolekülen, kleinen Molekülen 11,12, Zelltransplantation13,14,15 oder therapeutischen Wirkstoffen in das gewählte Hirngewebeziel zu bringen, wobei die Blut-Hirn-Schranke umgangen wird. Faktoren wie Permeabilität, Diffusionskoeffizienten, Gegendruck, Aufnahme- und Clearance-Mechanismen beeinflussen die Diffusion der therapeutischen Wirkstoffe16. Bei dieser Technik wird ein Gadolinium-basiertes Co-Infusat-1 für die klinische CED verwendet, um das Infusionsmittel in Echtzeit in das parenchymale Ziel zu überwachen. Parameter wie das Verteilungsvolumen im Gewebe und die damit verbundene Kinetik nach gezielter Genauigkeit werden mit iMRT überwacht.
CED-Studien mit Infusionsmitteln über ein MR-gesteuertes Stereotaxiesystem wurden an nicht-menschlichen Primaten untersucht, was zu genauen, vorhersagbaren und sicheren Verfahren führte. Es hat sich gezeigt, dass die Genauigkeit der Platzierung der Infusionskanüle einen Submillimeter-Platzierungsfehlervon 17 erreicht. Das System bietet eine vorhersagbare Infusionsverteilung mit einem beobachteten linearen Anstieg des Verteilungsvolumens mit dem Infusionsvolumen, was zu einer nachträglich eingeführten refluxresistenten Kanüle für CED-Infusionenführt 18. Es wurde berichtet, dass dieses iMRT-Infusionsverfahren bei nicht-menschlichen Primaten keine unerwünschten Wirkungen hervorrief19.
Hier erweitern wir die Anwendung der MR-gesteuerten Sterotaxie auf das Schweinegehirn, um die Verteilung eines Infusionsmittels, das aus einer 300 μL Zellsuspension besteht, zu verabreichen und zu überwachen. Die Größe des Schweinegehirns ermöglicht bildgebende und neurochirurgische Eingriffe, die klinisch am Menschen angewendet werden können, was in kleineren Tiermodellen der Krankheit nicht möglich ist20. Darüber hinaus erzeugt das Immunsystem des Schweins ähnliche Reaktionen wie das des Menschen in Bezug auf Reaktionen auf biologische oder andere therapeutische Wirkstoffe21. Daher hat die Arbeit mit dieser Tierart für stereotaktische Verfahren zur Medikamentenabgabe direkte translationale klinische Implikationen und kann logistisch einfacher sein als mit der Forschung an nicht-menschlichen Primaten.
Wir verwendeten ein Schweinemodell (Hausschwein, weiblich, 25 kg, 14 Wochen alt) für die MR-gesteuerte Stereotaxie. In dieser Studie wird über die visuelle Umsetzung des stereotaktischen Verfahrens bei Schweinen berichtet. Wir beschreiben die Anpassung des Raumes an einen Schweinekopf, die Visualisierung des Verfahrens sowohl in Video als auch in Bildern und die gleichzeitige MRT-Bildgebung zur Beurteilung der Infusatverteilung im Schweinegehirn. Die MRT-gesteuerte Stereotaxie wurde in einem 3T-MRT-Raum durchgeführt.
Mit diesem Experiment demonstriert unsere Gruppe die Leistung der MR-gesteuerten Stereotaxie im Schweinegehirn und eine grundlegende Bildgebungszeitleiste, um Infusionen im Gehirn zu verfolgen. Die allgemeine Technik der klinischen Stereotaxie, die beim Menschen durchgeführt wird, kann auf den Schweineschädel und das Gehirn angewendet werden.
Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist die Durchführung einer MRT-gesteuerten Stereotaxie im Schweinegehirn mit Echtzeit-MRT-Visualisierung. Dies wird erreicht, indem der Proband zunächst in der MRT-Bohrung positioniert wird, um einen optimalen Zugang zur Schädeloberseite zu erhalten. Der zweite Schritt besteht darin, das chirurgische Einführen mit MRT-gestützter Visualisierungsführung zu planen, was die Platzierung und das Scannen eines Passergitters beinhaltet, um den geeigneten Eintrittspunkt für eine vorgeplante Trajektorie zu bestimmen. Dies wird mit einem hochauflösenden (1 mm isotropen) T1-gewichteten 3D-Magnetisierungs-präparierten Rapid Gradient Echo (MPRAGE) Scan in einer Dauer von 7 Minuten und 44 s erreicht. Als nächstes befestigen wir den stereotaktischen Rahmen auf dem Kopf und passen die Ausrichtung iterativ durch Softwareprojektion an, bis der projizierte radiale Fehler weniger als 0,5 mm beträgt. Schnelle 2D-Turbo-Spin-Echo-Scans (Dauer von 13 s) in schräger Ausrichtung dienen der Bildführung. Dann wird ein Schnitt auf der Haut gemacht, und ein Handbohrer wird verwendet, um ein Bohrloch für das Einführen der Infusionskanüle an den vordefinierten Koordinaten zu erzeugen. Der letzte Schritt besteht darin, die Infusion mit wiederholten T1-gewichteten MRT-Scans (3D-MPRAGE; 1 min 45 s) in Echtzeit mit Gladolinium-Co-Infusion zu überwachen. Die Ergebnisse zeigen, dass die MR-gesteuerte Stereotaxie eine präzise und kontrollierte Infusion in das Schweinegehirn ermöglicht, basierend auf Echtzeit-MRT-Führung und anschließenden T1-gewichteten 3D-MPRAGE-MRT-Scans (1 mm isotrope Auflösung), die zur Visualisierung des Verteilungsvolumens verwendet werden.
Protocol
Die Studie wurde vom Institutional Animal Care and Use Committee des Houston Methodist Research Institute unter der IACUC-Zulassungsnummer IS00006378 genehmigt. Alle experimentellen Methoden wurden in Übereinstimmung mit den einschlägigen nationalen und institutionellen Richtlinien und Vorschriften durchgeführt.
1. Positionierung der Tiere
- Positionieren Sie das Subjekt für einen optimalen Zugang zur Oberseite des Schädels: Legen Sie das Subjekt auf den MRT-Tisch, um sich auf die MRT-Untersuchung vorzubereiten.
HINWEIS: Thematische Informationen: Hausschwein, weiblich, 25 kg, 14 Wochen alt.- Betäuben Sie den Probanden mit Ketamin (600 mg intramuskulär [IM]) und Midazolam (5 mg IM). Verabreichen Sie die Analgetika Hydromorphon (4 mg IM), Carprofen (100 mg pro os) und Fentanyl (25 μg topisch), das Antibiotikum Ceftriaxon (550 mg intravenös [IV]) und NaCl (0,9% IV).
- Intubieren Sie das Subjekt. Halten Sie die Anästhesie mit 2% -3% Isofluran aufrecht.
- Überwachen Sie die Vitalfunktionen des Probanden während des gesamten Eingriffs.
- Mechanisches Lüften bei 16-19 Atemfrequenzen/min mit einem Beatmungsgerät.
- Legen Sie das Subjekt auf den MRT-Tisch, um sich auf die MRT-Scans vorzubereiten.
- Legen Sie das Subjekt in eine Bauchlage, wobei der Kopf der MRT-Bohrung zugewandt ist.
- Setzen Sie eine Standard-MRT-Vierkanal-Flexspule auf den Kopfhalter.
- Stabilisieren Sie den Kopf des Probanden mit dem Kopfhalter.
- Heben Sie den Oberkörper mit Handtüchern und Schaumstoffpolstern an. Ziel ist es, dass der Kopf leicht nach unten fällt, wobei der Hals gebeugt ist und die Schnauze fast den Tisch berührt. Dadurch wird sichergestellt, dass der stereotaktische Rahmen und die Infusionskanüle in die Bohrung des MRT-Scanners passen. Verankern Sie die MRT-Kopfhalterstifte auf dem beidseitigen Jochbein, um den Kopf am MRT-Tisch zu befestigen.
- Vergewissern Sie sich, dass die Oberseite des Schädels mit gebeugtem Hals zur Rückseite des Scanners geneigt ist. Diese Position ermöglicht es dem Chirurgen, Zugang zur Oberseite der Kopfhaut zu haben, wenn das Subjekt in die MRT eintritt.
- Nach dem Einstellen wird der MRT-Tisch in die Bohrung des Scanners geschoben, bis der Kopf des Probanden das Ende der Bohrung erreicht.
2. Planung des chirurgischen Einsetzens mit MRT-gestützter Visualisierungsführung
- Bereiten Sie den Bereich steril vor und achten Sie darauf, dass das vorbereitete Material nicht in die Augen des Probanden gelangt. Legen Sie sterile Handtücher um den Operationsbereich herum. Legen Sie einen sterilen Vorhang mit einer Öffnung zur Oberseite des Schädels hin, auf die der Chirurg zugreifen kann.
- Platzieren Sie das Passerplanungsgitter auf der Kopfhaut des Probanden, indem Sie die Klebeseite des Gitters über dem Kopf des Patienten befestigen, zentriert um die Stelle, an der sich das Bohrloch befindet.
- Ziehen Sie die obere, flüssigkeitsgefüllte Schicht des Gitters ab und halten Sie die untere Schicht fest in Position.
- Führen Sie den MRT-Scout-Scan mit dem eingestellten Raster durch. Der Scan erfordert oft die intravenöse Verabreichung von MR-Kontrastmittel, um das Gefäßsystem sichtbar zu machen: Verwenden Sie eine Konzentration von 1 mmol / ml des Kontrastmittels Gadolinium für ein Infusionsvolumen von 2,5 ml.
HINWEIS: Der Scout-Scan ist ein vorläufiges Bild, das vor der endgültigen Bildgebungsstudie aufgenommen wurde. Der Zweck besteht darin, dass der Chirurg sicherstellt, dass die Bildgebung in der Nähe des interessierenden Bereichs durchgeführt wird, und die Grenzen der Bildgebung definiert. Die empfohlene Dosis bei der Konzentration von 1 mmol / ml beträgt laut Hersteller für das Kontrastmittel 0,1 ml pro Kilogramm, das das Tier wiegt. - Wählen Sie in der MR-Leitsoftware die genaue Position des Gehirns für das Einführen der Kanüle aus.
- Stellen Sie sicher, dass die Software die Visualisierung der geplanten Flugbahn des Chirurgen für die Kanülenplatzierung basierend auf dem ausgewählten Ziel ermöglicht. Stellen Sie sicher, dass die Software die Trajektorienvisualisierung und den entsprechenden Einstiegspunkt ausgibt.
HINWEIS: Für diese Studie wurde eine Stelle im frontalen Kortex ausgewählt, um auf die weiße Substanz abzuzielen. Dies ist ein Ort, an dem viele menschliche Gliome entstehen undwachsen 22. Es ist auch ein bevorzugter Ort für die Verbreitung entlang der Bahnen der weißen Substanz23.
HINWEIS: Berücksichtigen Sie die Entscheidung des Chirurgen für einen Eintrittspunkt, ein Ziel und eine gewünschte Flugbahn, um Pial- und Sulkaltransgressionen zu minimieren und Blutgefäße zu vermeiden. - Passen Sie die vorgeschlagene Trajektorie, einschließlich der gewünschten Einstiegs- und Zielpunkte, an, indem Sie die projizierten Eintritts- und Zielpunkte in der Software manuell ziehen, um Blutgefäße zu vermeiden und Pial- und Sulcal-Überschreitungen zu minimieren. Die Trajektorie kann verändert und dreidimensional betrachtet werden.
- Sobald die gewünschte Trajektorie basierend auf der Präferenz des Chirurgen identifiziert wurde, führen Sie die MR-Leitsoftware aus, um den Eintrittspunkt im Raster zu finden.
- Scrollen Sie durch die geplante Trajektorie auf dem Scan, um den Eintrittspunkt auf der Kopfhaut zu finden. Die Software spezifiziert die Gitterkoordinaten basierend auf der Projektion der geplanten Trajektorie auf das Gitter.
3. Sicherung des stereotaktischen Rahmens und iterative Anpassung der Ausrichtung durch Softwareprojektion
- Montieren Sie den stereotaktischen Rahmen um die gewünschten Einstiegspunktkoordinaten auf dem Gitter, indem Sie zuerst die Basis mit sechs knochenverankerten Schrauben und vier versetzten Schrauben sichern.
- Befestigen Sie die sechs knochenverankerten Schrauben am Schädel über dem Gitter durch die Kopfhaut. Die sechs Ankerschrauben dienen der Stabilisierung des stereotaktischen Rahmens und der Vermeidung von Bewegungen beim Bohren.
- Befestigen Sie die vier versetzten Schrauben, die sich an der Basis des Turms befinden, durch die Haut, die am Schädel verankert ist. Sie wirken als Gegenkraft, um die mittleren Knochenschrauben anzuziehen, indem sie die Rahmenbasis an die Mittelschrauben anheben und die Basis stabilisieren.
- Sobald die stereotaktische Rahmenbasis gesichert ist, fahren Sie mit der Rahmenmontage fort.
- Führen Sie den hochauflösenden T1-gewichteten MPRAGE-MRT-Scan durch, eine Option in der MRT-Software, wobei der Rahmen eingestellt ist, um die Rahmenpasserdaten zu erfassen und die Flugbahn zu bestätigen.
- Bestätigen Sie die gewünschte projizierte Kanüleneinführungsbahn mit der Software und visualisieren Sie den MRT-Scan und die geplante Flugbahn.
- Nachfolgende 2D-Turbo-Spin-Echo-MRT-Scans werden durchgeführt, um die Ausrichtung des Rahmens auf das Motiv zu bestätigen, sobald der Rahmen an Ort und Stelle ist. Kommt es zu einer Fehlausrichtung zwischen der aktuellen Bildposition und der gewünschten Trajektorie, gibt die Software Einstellparameter aus.
HINWEIS: Die Software berechnet die radiale Differenz zwischen der Projektion der aktuellen Position des stereotaktischen Rahmens und dem definierten Zielpunkt. Dieser Fehler wird verwendet, um den projizierten Fehler zu berechnen, der wiederum verwendet wird, um die erforderlichen Anpassungen am Rahmen zu berechnen, um ihn zu minimieren.
- Nachfolgende 2D-Turbo-Spin-Echo-MRT-Scans werden durchgeführt, um die Ausrichtung des Rahmens auf das Motiv zu bestätigen, sobald der Rahmen an Ort und Stelle ist. Kommt es zu einer Fehlausrichtung zwischen der aktuellen Bildposition und der gewünschten Trajektorie, gibt die Software Einstellparameter aus.
- Führen Sie die Pitch-Roll- und X-Y-Einstellungen durch, indem Sie die Rändelräder drehen, wie in den Ausgangseinstellungsparametern in der Software angegeben.
- Wiederholen Sie die softwaregestützte MRT-Visualisierung der Flugbahn und führen Sie bei Bedarf Rotations- und Translationsanpassungen (mit den Daumenrädern) der Zielkanüle durch.
- Messen Sie mit der MR-Leitsoftware die Dicke des Schädels auf der gewünschten Trajektorie und den Gesamtabstand zum Gehirn.
HINWEIS: Die Software berechnet den Abstand von der Oberseite des Rahmens (mit dem Schädel verschraubt) zum Zielpunkt, um die Gesamtlänge zu schätzen.
4. Bohren und Einführen der Infusionskanüle
- Verwenden Sie ein Jodpeeling, bevor Sie den Schnitt durchführen, um eine Infektion zu verhindern.
- Machen Sie einen 3 cm langen Schnitt auf der Kopfhaut mit einem Skalpell unter dem stereotaktischen Rahmen.
- Richten Sie den Rahmen für das Einsetzen des Bohrers ein, indem Sie die Anpassungen vor dem Erzeugen der Zugangsbohrung vornehmen.
- Entfernen Sie das mittlere Führungsrohr und ersetzen Sie es durch eines, in das ein 3,4-mm-Bohrer zum Bohren passt.
- Stellen Sie sicher, dass ein Assistent anwesend ist, um den Rahmen an Ort und Stelle zu halten, während der Chirurg mit einem manuellen Bohrer bohrt, um dem Rahmen zusätzliche Stabilität zu verleihen.
- Lassen Sie den Chirurgen mit einem manuellen Spiralbohrer bohren, um ein Bohrloch mit einem Durchmesser von 3,4 mm zu erzeugen.
- Richten Sie den Rahmen für das zweite Bohrereinsetzen ein, um das Bohrloch zu verbreitern und knöcherne Kollisionen zu vermeiden, die die Flugbahn verändern können.
- Stellen Sie den Bohrer mit dem 4,5-mm-Bohrer ein. Ersetzen Sie das mittlere Führungsrohr durch eines, das zu diesem größeren Bohrer passt.
- Erzeugen Sie ein 4,5-mm-Bohrloch.
- Führen Sie eine MRT-Untersuchung durch, um sicherzustellen, dass die Zielkanüle wieder auf die geplante Flugbahn zurückgekehrt ist, da das Bohren durch den Rahmen die Kanüle manchmal verschieben kann.
- Durchstechen Sie die Dura mit einem scharfen Stilett.
- Setzen Sie die vorpräparierte, rahmenkompatible Infusionskanüle ein. Stellen Sie sicher, dass die Kanüle einen konstanten neutralen oder positiven Gegendruck aufweist, um das Eindringen von Luftblasen zu begrenzen.
HINWEIS: Die Software bietet eine bestimmte Tiefe für das geplante Ziel. - Messen Sie die Tiefe auf der stereotaktischen rahmenkompatiblen Infusionskanüle und verwenden Sie den kanülenassoziierten Tiefenanschlag. Dieser Tiefenstopp sorgt dafür, dass die Kanüle die gewünschte Stelle erreicht und nicht darüber hinausgeht. Es gibt auch eine Verriegelungs- und Dock-Baugruppe mit einer zusätzlichen Schraube, um sicherzustellen, dass die Kanüle in der gewünschten Tiefe bleibt.
5. Überwachung der Infusion mit wiederholten MRT-Scans
- Führen Sie eine MRT-Untersuchung durch, um das Einführen der Kanüle an der richtigen Zielstelle im Gehirn zu beurteilen.
- Beginnen Sie die Infusion des gewünschten Mittels als Co-Infusion mit einem Kontrastmittel auf Gadoliniumbasis.
HINWEIS: In diesem Experiment wurde eine Konzentration von 1 mM Kontrastmittel auf Gadoliniumbasis verwendet, die jedoch je nach Anwendung angepasst werden muss. Insgesamt wurden 300 μL Infusionsvolumen mit einer Geschwindigkeit von 10 μl/min verabreicht, obwohl dies auch variiert werden kann. - Führen Sie in regelmäßigen Zeitabständen eine MRT-Untersuchung durch, um die Infusion und das Verteilungsvolumen des in die Kanüle eingeführten Mittels im Gehirn zu überwachen, was aufgrund der gleichzeitigen Infusion von Gadolinium abgeleitet werden kann.
HINWEIS: Ein hyperintensiver Bereich um die Kanülenspitze zeigt das Vorhandensein des Gadolinium-basierten Kontrastmittels an. - Sobald die Infusion beendet ist, stoppen Sie die Pumpe.
ANMERKUNG: Die in dieser Studie verwendete Infusionsrate betrug 30 μl/min, bis das Volumen von 300 μl der Zellsuspension vollständig infundiert war. - Lassen Sie die Kanüle nach Beendigung der Infusion 5 Minuten im Gehirn verbleiben, bevor Sie die Kanüle entfernen.
HINWEIS: Die Infusionskanüle wird in der Regel 5 Minuten nach Beendigung der Infusion an Ort und Stelle gelassen, um den Rückflusszu reduzieren 21,24. - Entfernen Sie die Kanüle manuell durch den Rahmen.
- Entfernen Sie den Rahmen vom Kopf, indem Sie ihn in umgekehrter Reihenfolge zerlegen.
- Schließen Sie den Schnitt mit einer laufenden 3-0 oder 4-0 Monocryl-Naht.
- Schalten Sie das Isofluran aus, um sich auf die Genesung vorzubereiten.
- Extubieren Sie das Subjekt und lassen Sie es das Subjekt unter Beobachtung des Veterinärteams genesen.
Representative Results
Die Position des Schweins im MRT-Scanner bietet dem Chirurgen einen optimalen Zugang zur Operation und die Freigabe für den stereotaktischen Rahmen und die Infusionskanüle (Abbildung 1). Der Oberkörper des Probanden wurde mit Handtüchern und Schaumstoffpolstern angehoben. Dadurch konnte der Kopf am Ende der MR-Bohrung leicht nach unten fallen und somit sichergestellt werden, dass der stereotaktische Rahmen und die Einführungsstelle der Infusionskanüle für den Chirurgen optimal zugänglich waren.
Die MRT-gestützte Visualisierung ermöglicht eine präzise Planung und das Einführen einer Kanüle in das Gehirn (Abbildung 2). Die MR-Führungssoftware liefert den Einfügepunkt, um die gewünschte Trajektorie zu erreichen.
Der stereotaktische Rahmen wurde in der Software gescannt und so eingestellt, dass er die gewünschte Position erreichte (Abbildung 3). In dieser Demonstration wurde eine Lokalisation im frontalen Kortex gewählt. Sobald der Rahmen eingestellt war, wurde die Software verwendet, um die Dicke des Schweineschädels, den Abstand zur gewünschten Position von der Rahmenbasis und die Rahmenparameteranpassungen zu schätzen, um die gewünschte Position zu erreichen. In diesem Fall betrug die Dicke des Schädels, den die Kanüle durchqueren würde, 4,7 mm und 4,4 mm von der Innenseite des Schädels bis zur Oberfläche des Gehirns (Abbildung 3A).
Schließlich zeigten iterative interoperative MRT-Scans nach der Kanüleninfusion, wie die Infusion an das Hirngewebe abgegeben wurde (Abbildung 4). Diese Scans lieferten auch einen Vergleich der Kanülenprojektion (blaues Rechteck) und der projizierten Kanülentrajektorie (gelbes Rechteck), die die Wirksamkeit dieser Technik beim Erreichen der gewünschten Stelle zeigen. MRT-Scans wurden in regelmäßigen Abständen von 4-6 Minuten durchgeführt und mit 10- und 30-Minuten-Scans abgeschlossen. Die Gadolinium-verstärkte Infusion war in diesen Scans beherrschbar, was eine Echtzeit-Visualisierung des Verteilungsvolumens des Wirkstoffs ermöglichte.
Abbildung 1: Position des Probanden auf dem MRT-Tisch. Der Oberkörper ist angehoben, der Hals gebeugt und der Kopf nach unten geneigt. (A) Vor dem Betreten der MR-Bohrung. (B) Das Subjekt wird durch die MR-Bohrung positioniert, um einen optimalen Zugang zur Oberseite des Schädels zu gewährleisten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 2: MR-gesteuerte Stereotaxie-Visualisierung . (A) Visualisierung der geplanten Trajektorie. Die Software gibt die Position des Eintrittspunkts im Raster aus, die auf der Kopfhaut platziert wird. (B) Eintrittspunkt auf der Kopfhaut. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 3: Interventionsbahn nach der Befestigung des Rahmens am Schädel . (A) Messungen der Knochentiefe und des Abstands zum Gehirn. (B) Stereotaktischer Rahmen auf dem Schädel, mit einem Bohrloch, das mit einem Handbohrer erzeugt wurde. (C) Stereotaktischer Rahmen und 3D-Rekonstruktionsprojektion auf der Software. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Abbildung 4: Zeitraffer des Gadolinium-verstärkten Infusionsmittels. Der hyperintensive Bereich um die Kanülenspitze zeigt das Vorhandensein von Gadolinium an. Wiederholte MR-Scans wurden über einen längeren Zeitraum durchgeführt, um das Verteilungsvolumen des Wirkstoffs während der Infusion zu verfolgen: (A) t = 0, (B) t = 4 min, (C) t = 8 min, (D) t = 12 min, (E) t = 20 min, (F) t = 26 min; und nach Beendigung der Infusion: (G) t = 36 min und (H) t = 60 min. Die Visualisierung des co-infundierten Mittels erfolgt nach 4 Minuten. Das blaue Rechteck ist die Platzierung der gemessenen Kanüle, während das gelbe Rechteck die projizierte Kanülenbahn zeigt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.
Discussion
Dieses Protokoll stellt die Leistung der MR-gesteuerten Stereotaxie für das Schweinegehirn in einem 3T-MR-Gerät mit der Möglichkeit einer Submillimeter-Zielgenauigkeit dar, wie sie in früheren Studien 1,4,17,18,25 erreicht wurde. Bisherige Kadaverexperimente mit MR-gesteuerter Stereotaxie zeigten einen radialen Fehler von 0,2 ± 0,1mm1. In diesem Bericht betrug der endgültige Tiefenfehler in Bezug auf die geplante Flugbahn 1,4 mm aufgrund der Online-Auswertung und Anpassung der Flugbahn durch die Chirurgen. Der endgültige Tiefenfehler war vergleichbar mit radialen Fehlerbefunden (unter 2 mm) für klinische Implementierungen von stereotaktischen iMRT-Verfahren beim Menschen26.
Hier demonstrieren wir die Platzierung des Probanden auf dem MRT-Tisch, wobei der Rumpf so angehoben wird, dass der Kopf leicht nach unten fallen und nach außen zum Ende der MR-Bohrung zeigen kann. Diese Kopfplatzierung ist entscheidend, um dem Chirurgen Platz für die Durchführung des Eingriffs zu geben. Der stereotaktische Rahmen ermöglicht eine präzise und kontrollierte Infusion in Schweinegehirnmodelle. Darüber hinaus ermöglicht die Echtzeit-MRT-Bildgebung eine genaue Bestimmung des Verteilungsvolumens. Schweine als große Tiermodelle für Infusionen, die in Echtzeit in der MRT verfolgt werden, bieten die Möglichkeit, die Medikamentenabgabe an das Gehirn, die Zellabgabe und andere Wirkstoffe von translationalem Wert zu untersuchen.
Das Schwein hat im Vergleich zu Menschen oder nicht-menschlichen Primaten deutliche anatomische Unterschiede. Wenn Schweine wachsen, wird die Größe des Körpers in der MR-Bohrung zu einer Herausforderung. Die Form des Kopfes und des Rumpfes unterscheidet sich von der des Menschen, was sich als schwierig erweist, einen optimalen Zugang zum Gehirn für den Chirurgen zu gewährleisten, sowohl für den chirurgischen Eingriff als auch für das Einführen der Kanüle in den Raum außerhalb der MR-Bohrung. Daher ist es wichtig, das Subjekt so zu positionieren, dass der Chirurg vom Ende der MR-Bohrung aus Zugang zum Kopf hat.
Der Unterschied in der Schädeldicke zwischen Schweinen und Menschen ist ein zu berücksichtigender Faktor. In diesem Protokoll ermöglichte die iMRT-Visualisierung eine präzise Schätzung der Schädeldicke für ein effizientes Bohrlochverfahren. Durch den Einsatz dieser minimal-invasiven neurochirurgischen Instrumente verlief die Genesung der Tiere ereignislos.
Die MR-gestützte Visualisierung bietet Echtzeit-Anleitungen für den Zugriff auf das Schweinegehirn, das Einführen der Kanüle und die Überwachung des Infusionsmittels. Es wurde berichtet, dass der Bohrprozess, die Verformung des Gewebes und/oder die Störung der Bahnen der weißen Substanz zu Schwierigkeiten bei der Wirkstoffabgabe an das Gehirn beitragen25. Iterative MR-Scans während der Planung und des Einführens der Kanüle ermöglichen kleine Anpassungen. Darüber hinaus können Infusionsparameter wie die Infusionsgeschwindigkeit oder die Genauigkeit der Kanüleneinführung in Echtzeit geändert oder pausiert werden, wie es die intraprozedurale Bildgebung vorgibt. Schließlich muss ein geeignetes Gleichgewicht des Gadolinium-basierten Co-Infusats ausgewählt werden, um eine eindeutige Bewertung des Verteilungsvolumens des Wirkstoffs zu erhalten.
Die Überkonzentration des Gadolinium-basierten Kontrastmittels könnte seine Verteilung in den MRT-Scans27 verdeckt haben, der einen schwarzen Fleck um die Kanülenspitze zeigte, der von einem hyperintensiven Bereich umgeben war, der die äußeren Grenzen des Infusionsvolumens zeigte. Das verfügbare Filmmaterial des Eingriffs ist aufgrund der Einschränkungen, die mit dem Filmen im begrenzten MRT-Raum um den Arbeitsbereich des Chirurgen verbunden sind, begrenzt. Das intraoperative Videomaterial wurde verwendet, um die Protokollbeschreibung zu leiten.
Die Verabreichung von Infusionsmitteln mittels MR-gesteuerter Stereotaxie bei Schweinen und anderen großen Tiermodellen hat zu genauen, vorhersagbaren und sicheren Verfahren geführt. Der Nachweis der iMRT-Stereotaxie bei Schweinen bildet die Grundlage für die Skalierbarkeit von Forschungsbehandlungen, die einen hohen translationalen Wert für den Menschen haben. Schweinemodelle wurden aufgrund ihrer Ähnlichkeit mit der menschlichen Reaktion im Vergleich zu anderen Spezies häufig zur Untersuchung immunologischer Reaktionen verwendet28. Therapeutika, die an das Gehirn abgegeben werden, können im Zusammenhang mit einer präzisen Zielinfusion untersucht werden, mit dem zusätzlichen Vorteil der Echtzeit-MRT-Visualisierung des Infusionsorts, notwendiger Anpassungen und intraoperativer Bewertung seiner Verteilung im Gewebe.
Disclosures
SG, EAS, CJK haben die folgenden Offenlegungen: Beschäftigt bei ClearPoint Neuro.
Alle anderen Autoren erklären, dass keine Interessenkonflikte bestehen.
Acknowledgments
Die Autoren erklären, dass diese Studie philanthropische Mittel vom John S. "Steve" Dunn, Jr. & Dagmar Dunn Pickens Gipe Lehrstuhl für Hirntumorforschung am Houston Methodist erhalten hat. Der Geldgeber war nicht am Studiendesign, der Sammlung, der Analyse, der Interpretation der Daten, dem Schreiben dieses Artikels oder der Entscheidung, ihn zur Veröffentlichung einzureichen, beteiligt.
Diese Arbeit wurde zum Teil durch die Fördernummer RP190587 von der Cancer Prevention and Research Initiative (CPRIT) und der Houston Methodist Foundation finanziert.
Die Autoren danken Vi Phan und Lien My Phan vom Translational Imaging Center des Houston Methodist Research Institute für ihre Unterstützung bei der MRT-Bildgebung.
Die Autoren erklären, dass diese Studie von Paula und Rusty Walter und Walter Oil & Gas Corp Endowment in Houston Methodist philanthropisch finanziert wurde. Der Geldgeber war nicht am Studiendesign, der Sammlung, der Analyse, der Interpretation der Daten, dem Schreiben dieses Artikels oder der Entscheidung, ihn zur Veröffentlichung einzureichen, beteiligt.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 3 Tesla Siemens MAGNETOM Vida | Siemens Healthineers | 70 cm wide-bore 3 Tesla whole body MRI scanner | |
| Four channel flex coil | Siemens Healthineers | Placed ventrally to allow access to the skull | |
| MR Neuro Patient Drape | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-05 | MR Neuro Patient Drape, Marker Pen, Track Ball Cover, Cable Cover |
| MR Neuro Procedure Drape Tapered - Long | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-02-L | MR Neuro Procedure Drape Tapered, Marker Pen, Track Ball Cover |
| MR Neuro Procedure Drape Tapered w/Extension - Long | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-03-L | MR Neuro Procedure Drape Tapered w/Extension, Marker Pen, Track Ball Cover |
| MR Neuro Scanner Bore Drape w/Extension | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-PD-04 | MR Neuro Scanner Bore Drape w/Extension |
| Scalp Mount Base | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SM-01 | Scalp Mount Base and centering too |
| Skull Mount Base | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SK-01 | Skull Mount Base |
| SMARTFrame Accessory Kit | ClearPoint Neuro, Inc | NGS -AK-01-11 | Stylet, Lancet, Peel-Away Sheath (2), Ruler, Depth Stop (2) |
| SMARTFrame Guide Tubes | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-01 | 15 GA Guide Tube, 18 GA Guide Tube and 16GA Guide Tube |
| SMARTFrame Guide Tubes .052” / 18 ga | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-02 | .052” Guide Tubes that fit 18 ga devices (5) |
| SMARTFrame Guide Tubes .060” / 17 ga | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-03 | .060” Guide Tubes that fit 17 ga devices (5) |
| SMARTFrame Guide Tubes .064” / CP Stylet | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-04 | .064” Guide Tubes that fit ClearPoint Stylets (5) |
| SMARTFrame Guide Tubes .068” / 16 ga | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-05 | .068” Guide Tubes that fit 16 ga devices (5) |
| SMARTFrame Guide Tubes .074” / 15 ga | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-GT-06 | .074” Guide Tubes that fit 15 ga devices (5) |
| SMARTFrame MR Fiducial | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-BM-05 | MR Fiducials (5) |
| SMARTFrame Scalp Mount Rescue Screw – Long | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-RS-02 | Short Scalp Mount Rescue Bone Screws (3) |
| SMARTFrame Scalp Mount Rescue Screw – Short | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-RS-03 | Long Scalp Mount Rescue Bone Screws (3) |
| SMARTFrame Skull Mount Rescue Screw | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-RS-01 | Skull Mount Rescue Bone Screws (3) |
| SMARTFrame Thumb Wheel Extension Set. | ClearPoint Neuro, Inc | NGS -TE-01 | Light Hand Controller |
| SmartFrame XG Device Guide, 2.5 mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-03 | 2.5-mm Device Guide |
| SmartFrame XG Device Guide, 3.2 mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-04 | 3.2-mm Device Guide |
| SMARTFrame XG Drill Guide, 4.5 mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-02 | 4.5-mm Drill Guide |
| SMARTFrame XG Drill Guide, 6.0 mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-05 | 6.0-mm Drill Guide |
| SMARTFrame XG Exchangeable Device Guides | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-XG-01 | Device Guide, 3.4-mm, Device Guide, 14 GA |
| SMARTFrame XG MRI-Guided Trajectory Frame | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SF-02-11 | Stereotactic Frame, Skull Mount Base, Centering Ring, Dock, Standard Device Lock, Large Device Lock, Screwdriver, Roll Lock Screw w/washer |
| SMARTFrame XG MRI-Guided Trajectory Frame, 5 Fr | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SF-02-11-5 | Stereotactic Frame, Centering Ring, Dock, 5 Fr Device Lock, Large Device Lock, Screwdriver, Roll Lock Screw w/washer |
| SMARTFrame XG MRI-Guided Trajectory Frame, 7 Fr | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-SF-02-11-7 | Stereotactic Frame, Centering Ring, Dock, 7 Fr Device Lock, Large Device Lock, Screwdriver, Roll Lock Screw w/washer |
| SMARTGrid MR Planning Grid | ClearPoint Neuro, Inc | NGS -SG-01-11 | Marking Grid and Marking Tool |
| SMARTTip MR Drill Kit, 4.5-mm | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-DB-45 | 4.5-mm Drill Bit, 3.2-mm Drill Bit, Lancet, Depth Stop, Ruler |
| SMARTTwist MR Hand Drill | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-HD-01 | Hand Drill |
| VentiPAC | SurgiVet | V727000 | Mechanical ventilator |
| Wharen Centering Guide | ClearPoint Neuro, Inc | NGS-CG-01 | Wharen Centering Guide |
References
- 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.
- 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).
