Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Beyin Agaroz Jel Modelleri içine görüntü eşliğinde Konveksiyon geliştirilmiş Teslim

10.8K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/51466

⸱

14 Mayıs 2014

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

Bu makalede

Özet

Konveksiyon geliştirilmiş teslim (CED) nörolojik hastalıkların geniş bir yelpazede için bir tedavi seçeneği olarak öne sürülmüştür. CED kabulü için sağlık uzmanları hazırlamak için, ulaşılabilir eğitim modellerine ihtiyaç vardır. Bu test, araştırma ve eğitim için insan beyninin bir model olarak agaroz jel kullanımını tarif etmektedir.

Özet

Konveksiyon geliştirilmiş teslim (CED) nörolojik hastalıkların geniş bir yelpazede için bir tedavi seçeneği olarak öne sürülmüştür. Neuroinfusion kateter CED geleneksel ilaç dağıtım yöntemlerine göre bir intrakranial hedef tedavilerin büyük miktarlarda sunmak için pozitif basınçlı toplu akışı sağlar. Gerçek zamanlı MRG klinik yarar CED (rCED) rehberliğinde doğru, hedef, monitör tedavisi ve komplikasyonları belirlemek için yeteneği yatıyor. Eğitim ile rCED etkilidir ve komplikasyonları en aza indirilebilir. Beynin agarozjel modeli CED test, araştırma ve eğitim için erişilebilir bir araç sağlar. Ayrıca infüzyon görsel geribildirim sağlarken benzetilmiş beyin rCED sahte cerrahi uygulama sağlar. Infüzyon Analizler, insan beyin dokusu ile karşılaştırıldığında, acemi modelin benzerlik doğrulamak için izin dağıtım fraksiyonu (Vd / Vi) hesaplanması için olanak sağlar. Bu makale bizim agarozjel beyin fantom açıklar ve önemli beni özetliyornörolojik hastalığın tedavisi için CED infüzyon sırasında karşılaştığı ortak tuzaklar hitap ederken bir CED infüzyon ve analiz protokolleri sırasında Trics.

Giriş

Konveksiyon geliştirilmiş dağıtım (CED) habis beyin tümörü, epilepsi, metabolik hastalıklar (örneğin, Parkinson hastalığı gibi) nörodejeneratif hastalıklar, 1, felç ve travma 2 de dahil olmak üzere nörolojik bozukluklar, geniş bir spektrum için bir tedavi seçeneği olarak önerilmiştir. CED bir ilaç veya başka infüzatı dağıtımı için pozitif basınçlı toplu akışını kullanır. CED klinik olarak önemli hacimlerde 3 at, düşük yüksek değişen, moleküler bileşiklerin, güvenli, güvenilir, ve homojen teslim sağlar. Beyin dokusu Geleneksel ilaç verme ciddi, kan-beyin bariyeri 4 ile sınırlıdır. Beyin parankimi girmesini kan-beyin bariyeri blok polar ve yüksek molekül ağırlıklı molekülleri, beyindeki kılcal oluşturan endotelyal hücreler arasındaki sıkı birleşme oluşturduğu. CED yoluyla doğrudan intraparenkimal beyin infüzyon önceki terapötik ilaç dağıtım yöntemlerinin sınırlarını aşabilirve kan-beyin bariyerinden olmaz terapötik maddelerin kullanımına izin verir ve bu nedenle, uygun bir tedavi seçenekleri 5, daha önce yok olmuştur.

Sağlık ABD Ulusal Sağlık Enstitüleri (NIH) Araştırmacılar yalnız difüzyon 6-8 daha fazla terapötik ilaç konsantrasyonlarının ulaşmanın bir aracı olarak 1990'ların başında CED nitelendirdi. CED ilk yöntemleri, beyin içine bir ya da daha yerleştirilmesi kateterler, kateterin bir enfüzyon pompası bağlayarak, ve hedef bölgeye doğrudan terapötik maddeleri pompalama içeriyordu. Artan kısım dağılımı ve nispeten kararlı konsantrasyonu infüzyon pompası ile oluşturulan pozitif basınç dokular genişletmek ve ilacın nüfuz 9 imkan vermek için neden olarak meydana geldiği bildirilmiştir.

CED için temel teknik, büyük ölçüde ilk tarif edildiği gibi aynı kalır. Kateter tasarımı 10, infüzyon teknik ilerlemeler 11, beyin vardiya 12, 13 düzeltmek birden doğrudaş İnfüzyonları 14 optimize ve infusate kaybı 15 izlemek için hat basıncı izleme 2, ve gerçek zamanlı MR izleme tedavinin 10 güvenliğini ve etkinliğini artırmıştır. Ek önem akış hızı dahil olmak üzere, kateter tasarımı ve infüzyon strateji yerleştirilmiştir. Başarılı CED, sınırlı kateter geri akış ve doku hasarı ile, kateter tasarımı ve infüzyon hızı ile korele edilmiştir. Dar bir çap ve kateter ucu 16 da beyin kateter arayüz boyunca geri akışını hem de sınır zararı en aza indirmek için düşük bir infüzyon oranı ile bir kateterin kullanılması. Ayrıca infüzyon reflü veya anormal teslim 17 düzeltilmesi için izin verirken MR görüntüleme, görsel infüzyon kateter yerleştirme için doğru konuma teyidini ve böylece ilaç teslim sağlar. MR görüntüleri de Vd (dağıtım hacimleri yaklaşık ve izlemek için kullanılabilir) Infüzyon ilacın. Vd segmentasyon 18 için bir eşik değeri olarak çevreleyen, infüzyon jelden ortalama yukarıdaki üç standart sapmadan daha büyük, bir MR sinyal yoğunluğunu değer kullanılarak hesaplanır. Beyindeki dağıtılan ilacın hacmini temsil ettiği Vd CED için yararlı bir ölçüdür. (Vi) infüzyon hacmi ile birlikte, bir ilaç infüzyon oranı kapsadığı hacim miktarının (Vd / Vi) oluşturulabilir.

Vd, jel-kateter etkileşimleri, poroelastic özellikleri ve infüzyon bulut morfolojisi 10: Agaroz jel hayaletler gibi CED anlamak için önemli bir insan beyninin birçok önemli mekanik özelliklerini taklit. % 0.2 agaroz jel karışımları nedeniyle CED jel dilatasyon neden olduğu lokal gözenek fraksiyonu in vivo değişiklikleri taklit ettiği gösterilmiştir. Insan beynine benzer bir gözenek fraksiyonu benzer etkileşimleri ve Vd'nin 19 doğru ölçümler teşvik etmektedir. A Ek olarak, benzer konsantrasyonlardagibi% 0.6 ve% 0.8 olarak garose jeller beyin 20 benzer infüzyon basınç profillerini göstermektedir. Bundan başka, saydam agaroz jelleri kateter ve infüzyon geri akış gerçek zamanlı görselleştirme avantaj sağlar. Agaroz jel hayalet üretmek için nispeten ucuzdur. Agarozjel fantomların maliyeti nörolojik ameliyat boyunca gelecek yaygın eğitime anahtar olabilir. Bu özelliklerinden dolayı, agaroz jeller beyin dokusunun kullanmadan insan beyni infüzyon en önemli özellikleri birçok kopyalayan, yararlı bir vekil sağlamaktadır.

Yukarıda belirtildiği gibi, agaroz jel modellerine CED görüntü kılavuzlu test, araştırma ve eğitim için bir in vitro yöntem yararlı sağlar. Bu makalenin amacı, agaroz jel hayaletleri yeniden nasıl açıklamak için uygun CED test ve analiz protokolleri anahat ve nörolojik hastalığın tedavisi için CED infüzyon sırasında karşılaştığı ortak hataları hitap etmektir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1.. Jel Hayaletleri hazırlanması ve Boya

  1. Iyonu giderilmiş su 1000 ml% 0.1 'lik agaroz tozun 2 g eritilerek% 0.2 agaroz jeli hazırlayın. Uygun karışmasını sağlamak için yaklaşık olarak 1 dakika boyunca çözelti karıştırılır; ve hemen aralarda karıştırarak, 9 dakika için 3 dakika aralıklarla veya temizlenene kadar çözelti mikrodalga.
  2. Agaroz jel, sıvı iken, 5 cm x 5 cm x 5 cm kaplara solüsyonu dökün. Su ekleyin ve agaroz jel serin ve yerleşmesine izin üzere kabın üst kısmında yer bırakın.
  3. Agaroz jel (yaklaşık 1-2 saat) bir kez katılaştınldıktan sonra jel ve buzdolabına üstüne suyun 1 cm ekleyin. Bu karışım 24-48 saat içinde jel kullanmak en iyisidir, ama bir hafta kadar buzdolabında 10 için saklanabilir.
  4. % 0.017 bromofenol mavisi boya (BPB), 50 ml ve gadoteridol radyo kontrast 2 mM oluşan bir 60 ml şırınga içinde bir radyo kontrastlı boya hazırlayın.
    1. 50 m BPB boyasının 8.5 mg birleştirinl Bir 0.017% BPB çözümü oluşturmak için deiyonize su.
    2. 2 mM gadoteridol çözüm oluşturmak için 50 ml% 0.017 BPB çözüm stokunun 0.2 ml 0.5 M gadoteridol ekleyin.

İnfüzyon 2 Sistemin. Hazırlanması

  1. Şırınga pompası infüzyon sistemi (tercih edilen yöntem): şırınga pompası hazırlanması için, infüzyon hattının ölü hacmini azaltır, basınç sensörü vasıtasıyla şırıngaya doğrudan enfüzyon kateterini ekleyin. Şırınga pompasının boşaltma işlevi, 10 ul / dk 'lık bir hızda, kateterin hazırlama hacminden daha büyük olan bir bolus ile bir hava hattını temizlemek için kullanılabilir.
  2. Boru pompa infüzyon sistemi (alternatif yöntem): infüzyon pompasına radyo-kontrast boya içeren şırınga bağlayın. IV monitöre bağlı transdüser ile pompa çıkışına basınç sensörü takın. Basınç sensörünün açık ucuna bir 16 G kateter infüzyon takın. Not: 16 G infüzyon kateterin ucu bir iç çapı vardır0.2 mm ve 0,35 mm arasında bir dış çapa sahip ölçer. Ucu erimiş silis yapılmış ve uç uzunluğu 3 mm olmasıdır. Bu, yaklaşık olarak 0.75 mm artar ve 15 mm boyunca devam eder, daha sonra kateter 1.6 mm ya da 16 G. konik bir şekilde artırdı
  3. Herhangi bir hava kabarcıklarını çıkarmak için 16,667 ul / dk 'da, yaklaşık 15 dakika boyunca temizleme sistemi ile infüzyon için hazırlayın. Nedeniyle makine yüksek hat basınç infüzyon sona erecek gibi, 16.667 ul / dk akış hızı aşmayın. Infüzyon pompası, infüzyon pompası "Bolus" fonksiyonunu kullanarak hava boşaltma hatları çıkmadan hattına infüzyon kateteri takılarak ardından.
  4. Infüzyon kateteri monte takın ve jel fantom kabın (5 cm x 5 cm x 5 cm) ve MRG yere yörünge çerçeve.

3.. CED Jel İnfüzyon ve MR Tarama

  1. Infüzyon başlamadan önce IV monitörü tarafından kaydedilen basınç değerini (mmHg) sıfır.
  2. Agaroz jel w içine enfüzyon kateterini kaydedinITH infüzyon pompası bu durumda 1.667 ul / dk, mümkün olan en düşük akış hızında çalışıyor.
  3. Tablo 1 'de listelenen parametreler kullanılarak, MR tarama başlayın ve 1.667 ul / dk' lık bir oranda infüzyonla devam etmektedir. Infüzyon toplam hacim 60 ul (yaklaşık 38 dakika) ulaşana kadar sabit bir hızda jel infüze.
  4. 3 dakika ve 50 saniye aralıklarla sürekli olarak jel tarama. Basınç okumalarında her 60 sn kaydedin. Infüzyon hacmi 60 ul ulaştığında, infüzyon pompa kapatın; ve tam MR tarama basıncı okumaları kayıt devam ederken.

4. MR Veri Analizi

  1. MR görüntüleri analiz için, ROI segmentasyon işlevselliği ile uygun bir DICOM görüntüleyici kullanın.
  2. Şekil 1 'de görüldüğü gibi, kateterin enine kesit ile işaretlenmiştir tarama doğru çerçeveyi seçin.
  3. "ROI - dikdörtgen" kullanarak aracı, herhangi bir içermez jelin büyük bölümünü seçininfüzyon sitenin bölümü. Yazılım irade çıktı standart sapma ile ortalama piksel yoğunluğu. Ortalama üç standart sapma karşılık gelen değeri bulun. Bu değer,% 99.7 bir kontrast bir güven ile mevcut olduğu zaman, belirlemek için bir eşik değeri olarak kullanılır.
  4. "ROI - daire" kullanarak aracı, yeterince büyük bir daire ile infüzyon bölgesini çevreleyen ve bu benzersiz bir ad verin.
  5. Daireyi seçin ve kullanarak "ROI - ayarlamak piksel değerleri için" aracı, içine adım 4.3 bulundu giriş eşik değer "Geçerli değer daha büyük ise:" kutusunda ve sadece bu satırı onay işareti. Sonra da "Bu yeni değer:" kutusunda, büyük bir değer (25.000) girin. Önceden tanımlanmış eşik kapsadığı alanı seçmek için piksel yoğunluğu sıfırlayın.
  6. Sonra, "ROI - bölgesini büyümek (2D/3D segmentasyon)" kullanarak aracı, 2D büyüyen bölge, = 2 başlangıç ​​yarıçapı parametre ile güven algoritması ve fırça ROI seçin. Toplam alanı hesaplamak için yazılım için infüzyon sitenin içine tıklayın of bu bölge.
  7. Küresel bir infüzyon bulut varsayarak, aşağıdaki denklem ile alanından yayılma hacmi hesaplanır: V = 4/3π (√ (Alanı / π)) 3

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Sözlü ve CED enfüzyonları analiz gibi dağıtım fraksiyonu ve infusate reflü gibi birçok önemli faktörler içerir. Dağıtım kesir hesaplama Vd'nin hesaplama üzerine büyük ölçüde bağlıdır. Bu nedenle MR görüntüleri doğru yorumlanması kritiktir. Biz yukarıda listelenen güvenilir bu ölçümleri üreyen için bir yarı-otomatik bir yöntem öneriyoruz. Bu yöntemler, objektif olarak infusate bulut enine kesit alanına ve yaklaşık bir yarıçapı belirler. Değişken, agaroz jeli içinde infüzyon bulut genellikle küresel kanıtlanmıştır ike...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Infüzyon başarısını sağlamak için kritik adımlar vardır: Havanın infüzyon hattını tasfiye agaroz jel karıştırma, MR verileri analiz, küçük iç kateter çapları kullanarak kullanarak akışını en aza indirmek için kateter tasarımlar çıktı ve tarafından hissedilen baskıyı minimize ilaç infüzyon edilmektedir jel ya da doku içine. Daha önce de belirtildiği gibi, infüzyon başarısı için en önemli zararlı infüzyon hattı havadır. Doğru ve iyice havanın infüzyon hattı temizleme hava infüzyon girer sağlamak için çok önemlidir. ...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar, hiçbir rakip mali çıkarlarını olmadığını beyan ederim.

Teşekkürler

Yazarlar Semmes-Murphey Kliniği, Memphis, Tennessee yanı sıra Memphis Tennessee Sağlık Bilimleri Merkezi Üniversitesi'nde, Tennessee Nöroşirürji bölümünde MR tesislerden personel teşekkür etmek istiyorum.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
ProhanceBraccoGadoteridol radyo kontrast madde
Bromofenol mavi boyaBiorad161-0404İnfüzyon görselleştirme için boya
Agaroz jel tozuBiorad161-3101EDUJel oluşturmak için agaroz tozu
Medrad Veris MR Yaşamsal Belirti MonitörüMedradMR güvenli infüzyon basıncı monitörü
16 G SmartFlow KateterSurgiVisionİnfüzyon kateteri
Medrad Continuum MR İnfüzyon SistemiMedradMR güvenli infüzyon pompası
SMART Frame MRI Kılavuzlu yörünge çerçevesiClearPointİnfüzyon kateter çerçevesi
Osirix görüntüleme yazılımı ve DICOM Viewer Osirix Görüntüleme YazılımıOsiriX 32-bit DICOM Görüntüleyici

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Agaroz Jel ModeliMRI G d ml nf zyonDa l m Fraksiyonu AnaliziKateter Haz rlamaBas n zlemeRefl nlemeRadyokontrast Boyanf zyon H z KontrolHacim Da l m Oran
Beyin Agaroz Jel Modelleri içine görüntü eşliğinde Konveksiyon geliştirilmiş Teslim
Bize ulaşın
Kütüphaneye tavsiye et

Gizlilik

Kullanım Şartları

İlkeler

Telif hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.