O protocolo aqui apresentado demonstra estereotaxia para o cérebro de suíno usando infusões aprimoradas por convecção, com orientação de visualização por ressonância magnética (RM) em tempo real e visualização de distribuição de infusão em tempo real.
O objetivo geral deste procedimento é realizar estereotaxia no cérebro de porco com orientação de visualização de ressonância magnética (RM) em tempo real para fornecer infusões precisas. O sujeito foi posicionado de bruços no furo da RM para acesso ideal ao topo do crânio com o tronco levantado, o pescoço flexionado e a cabeça inclinada para baixo. Dois pinos de ancoragem ancorados no zigoma bilateral mantiveram a cabeça firme usando o suporte de cabeça. Uma bobina flexível de ressonância magnética (RM) foi colocada rostralmente em todo o suporte da cabeça para que o crânio estivesse acessível para o procedimento de intervenção. Uma grade de planejamento colocada no couro cabeludo foi usada para determinar o ponto de entrada apropriado da cânula. A estrutura estereotáxica foi fixada e alinhada iterativamente através de projeção de software até que o erro radial projetado fosse inferior a 0,5 mm. Uma broca manual foi utilizada para criar um furo de rebarba para inserção da cânula. Uma co-infusão reforçada com gadolínio foi usada para visualizar a infusão de uma suspensão celular. Repetidas ressonâncias magnéticas ponderadas em T1 foram registradas em tempo real durante o processo de administração do agente para visualizar o volume de distribuição de gadolínio. A estereotaxia guiada por RM permite uma infusão precisa e controlada no cérebro de suínos, com monitoramento simultâneo da precisão da inserção da cânula e determinação do volume de distribuição do agente.
Neste protocolo, descrevemos a aplicação de um sistema estereotáxico de ressonância magnética intervencionista (iMRI) para colocação de cânulas e visualização em tempo real de infusões no cérebro de suínos. O desenvolvimento de sistemas de iMRI permite a colocação precisa do cateter1. A iMRI permite a visualização da distribuição do agente de infusão no cérebro de pacientes sob anestesia geral 1,2 para avaliar a acurácia do procedimento em tempo real.
O sistema estereotáxico guiado por RM é uma plataforma direcionada que permite precisão de direcionamento submilimétrica1. Ele usa um dispositivo de mira montado no crânio em conjunto com um software dedicado que fornece imagens anatômicas do cérebro com trajetórias de inserção de chumbo projetadas e parâmetros de ajuste. A orientação por iMRI para intervenção cirúrgica estereotáxica no cérebro tem se mostrado eficaz em aplicações clínicas, como a estimulação cerebral profunda no tratamento da doença de Parkinson 2,3,4,5, a ablação focal para o tratamento da epilepsia 6,7 e a entrega por convecção aumentada (DCE) de drogas ao sistema nervoso central 8,9.
O método CED é usado para fornecer diretamente agentes terapêuticos ao sistema nervoso central usando convecção de fluidos. Isso é baseado em um pequeno gradiente de pressão hidrostática que permite o fluxo de um infestato da ponta da cânula de infusão para o espaço extracelular circundante10. Métodos estereotáxicos são usados para fornecer altas concentrações de macromoléculas, pequenas moléculas 11,12, transplante de células13,14,15 ou agentes terapêuticos no alvo do tecido cerebral escolhido, contornando a barreira hematoencefálica. Fatores como permeabilidade, coeficientes de difusão, contrapressão, captação e mecanismos de depuração afetam a difusão dos agentes terapêuticos16. Esta técnica utiliza um co-infusato1 à base de gadolínio para CED clínico, para monitorar o agente de infusão em tempo real no alvo parenquimatoso. Parâmetros como o volume de distribuição no tecido e cinética relacionada após a precisão direcionada são monitorados com iMRI.
Estudos de DCE de agentes de infusão através de um sistema de estereotaxia guiado por RM foram estudados em primatas não humanos, resultando em procedimentos precisos, previsíveis e seguros. Demonstrou-se que a precisão da colocação da cânula de infusão atinge o erro de colocação submilimétrica17. O sistema fornece uma distribuição previsível da infusão, com um aumento linear observado no volume de distribuição com o volume de infusão, levando a uma cânula resistente ao refluxo subsequentemente introduzida para infusões de CED18. Este procedimento de infusão de iMRI foi relatado para não incorrer em efeitos indesejáveis em primatas não humanos19.
Aqui, expandimos a aplicação de esterotaxia guiada por RM no cérebro de suínos, para fornecer e monitorar a distribuição de um agente de infusão que consiste em uma suspensão celular de 300 μL. O tamanho do cérebro do porco permite intervenções de imagem e neurocirúrgicas que podem ser aplicadas clinicamente em humanos, o que não é possível em modelos animais menores de doença20. Além disso, o sistema imunológico do porco produz respostas semelhantes às dos seres humanos em termos de respostas a agentes biológicos ou outros agentes terapêuticos21. Portanto, trabalhar com essa espécie animal para procedimentos estereotáxicos de entrega de medicamentos tem implicações clínicas translacionais diretas e pode ser logisticamente mais fácil do que com pesquisas com primatas não humanos.
Utilizou-se um modelo suíno (suínos domésticos, fêmeas, 25 kg, 14 semanas de idade) para estereotaxia guiada por RM. A implementação visual do procedimento estereotáxico em suínos é relatada neste estudo. Descrevemos as adaptações do espaço para acomodar uma cabeça de porco, a visualização do procedimento tanto em vídeo quanto em imagens e a RM concomitante para avaliar a distribuição de infestato no cérebro de porco. A estereotaxia guiada por RM foi realizada em um espaço de RM 3T.
Com este experimento, nosso grupo demonstra o desempenho da estereotaxia guiada por RM no cérebro de porcos e uma linha do tempo básica de imagem para rastrear infusões dentro do cérebro. A técnica geral de estereotaxia clínica realizada em humanos pode ser aplicada ao crânio e ao cérebro de suínos.
O objetivo geral deste procedimento é realizar a estereotaxia guiada por RM no cérebro do porco com orientação de visualização de ressonância magnética em tempo real. Isto é conseguido primeiro posicionando o sujeito propenso no furo da ressonância magnética para um acesso ideal ao topo do crânio. O segundo passo é planejar a inserção cirúrgica com orientação de visualização assistida por ressonância magnética, que envolve a colocação e varredura de uma grade fiducial para determinar o ponto de entrada apropriado para uma trajetória pré-planejada. Isto é conseguido com uma magnetização 3D ponderada em T1 de alta resolução (1 mm isotrópica) preparada para uma varredura de eco de gradiente rápido (MPRAGE) de alta resolução, em uma duração de 7 min e 44 s. Em seguida, fixamos a estrutura estereotáxica na cabeça e ajustamos o alinhamento iterativamente através da projeção de software até que o erro radial projetado seja inferior a 0,5 mm. Digitalizações rápidas de eco turbo spin 2D (duração de 13 s) em orientações oblíquas fornecem orientação de imagem. Em seguida, uma incisão é feita na pele, e uma broca manual é usada para criar um orifício de rebarba para inserção da cânula de infusão nas coordenadas predefinidas. O passo final é monitorar a infusão com repetidas ressonâncias magnéticas ponderadas em T1 (3D MPRAGE; 1 min 45 s) em tempo real com co-infusão de gladolínio. Os resultados mostram que a estereotaxia guiada por RM permite uma infusão precisa e controlada no cérebro de suínos, com base na orientação de RM em tempo real e subsequentes exames de RM 3D MPRAGE ponderados em T1 (resolução isotrópica de 1 mm) usados para visualizar o volume de distribuição.
Este protocolo apresenta a realização de estereotaxia guiada por RM para o cérebro de suínos dentro de uma máquina de RM 3T com a possibilidade de precisão de direcionamento submilimétrica, como alcançado em estudos anteriores 1,4,17,18,25. Experimentos prévios com estereotaxia guiada por RM mostraram um erro radial de 0,2 ± 0,1 mm1. Neste relato, o erro final de profundidade em relação à trajetória planejada foi de 1,4 mm devido à avaliação on-line e ajuste da trajetória pelos cirurgiões. O erro de profundidade final foi comparável aos achados de erro radial (abaixo de 2 mm) para implementações clínicas de procedimentos estereotáxicos de iMRI em humanos26.
Aqui, demonstramos a colocação do sujeito na mesa de RM, com o tronco levantado de tal forma que a cabeça possa cair ligeiramente para baixo e apontar para fora em direção ao final do furo da RM. Essa colocação da cabeça é fundamental para proporcionar ao cirurgião espaço para realizar o procedimento. A estrutura estereotáxica permite uma infusão precisa e controlada em modelos de cérebro de porco. Além disso, a ressonância magnética em tempo real permite a determinação precisa do volume de distribuição. Os porcos, como grandes modelos animais para infusões rastreadas em tempo real na ressonância magnética, apresentam a possibilidade do estudo da entrega de drogas ao cérebro, entrega celular e outros agentes de valor translacional.
O porco tem diferenças anatômicas distintas a serem consideradas, em comparação com humanos ou primatas não humanos. À medida que os porcos crescem, o tamanho do corpo no furo de RM torna-se um desafio. A forma da cabeça e do tronco são diferentes dos seres humanos, o que se mostra um desafio para acomodar o acesso ideal ao cérebro para o cirurgião, tanto para o procedimento cirúrgico quanto para a inserção de cânulas no espaço fora do furo da RM. Portanto, é fundamental posicionar o sujeito de forma que o cirurgião tenha acesso à cabeça a partir do final do furo da RM.
A diferença na espessura do crânio entre porcos e humanos é um fator a considerar. Neste protocolo, a visualização por iMRI permitiu estimar com precisão a espessura do crânio para um procedimento eficiente de furo de rebarba. Dado o uso dessas ferramentas neurocirúrgicas minimamente invasivas, a recuperação animal foi sem intercorrências.
A visualização guiada por RM fornece orientação em tempo real para acesso ao cérebro de porco, inserção de cânula e monitoramento do agente de infusão. O processo de perfuração, a deformação tecidual e/ou a ruptura dos tratos da substância branca têm sido relatados como contribuindo para dificuldades na entrega do agente ao cérebro25. Exames de RM iterativos durante o planejamento e a inserção da cânula fornecem a capacidade de pequenos ajustes. Além disso, parâmetros de infusão, como a taxa de infusão ou a precisão da inserção da cânula, podem ser alterados em tempo real ou pausados, conforme ditado pela imagem intraprocedimento. Finalmente, um equilíbrio adequado do co-infusato à base de gadolínio deve ser selecionado, para obter uma avaliação clara do volume de distribuição do agente.
A superconcentração do meio de contraste à base de gadolínio pode ter obscurecido sua distribuição na RM27, mostrando uma mancha preta ao redor da ponta da cânula, circundada por uma área hiperintensa que mostrava os limites externos do volume de infusão. As imagens disponíveis do procedimento são limitadas devido às restrições associadas à filmagem no espaço limitado de ressonância magnética ao redor da área de trabalho do cirurgião. A filmagem intraoperatória foi utilizada para orientar a descrição do protocolo.
Agentes de infusão via estereotaxia guiada por RM em suínos e outros modelos animais de grande porte resultaram em procedimentos precisos, previsíveis e seguros. Demonstrar a estereotaxia de iMRI em porcos fornece a base para a escalabilidade de tratamentos de pesquisa que possuem alto valor translacional para os seres humanos. Modelos suínos têm sido amplamente utilizados para estudar respostas imunológicas devido à sua semelhança com a resposta humana em comparação com outras espécies28. Os agentes terapêuticos entregues ao cérebro podem ser estudados no contexto de infusão precisa de alvo, com o benefício adicional da visualização em tempo real da ressonância magnética do local da infusão, ajustes necessários e avaliação intraoperatória de sua distribuição no tecido.
The authors have nothing to disclose.
Os autores declaram que este estudo recebeu financiamento filantrópico da John S. “Steve” Dunn, Jr. & Dagmar Dunn Pickens Gipe Chair in Brain Tumor Research na Houston Methodist. O financiador não esteve envolvido no desenho do estudo, coleta, análise, interpretação dos dados, redação deste artigo ou na decisão de submetê-lo à publicação.
Este trabalho foi financiado em parte pelo número de concessão RP190587 da Iniciativa de Pesquisa e Prevenção do Câncer (CPRIT) e da Fundação Metodista de Houston.
Os autores agradecem a Vi Phan e Lien My Phan, do Centro de Imagem Translacional do Houston Methodist Research Institute, por sua assistência com imagens de RM.
Os autores declaram que este estudo recebeu financiamento filantrópico de Paula e Rusty Walter e Walter Oil & Gas Corp Endowment na Houston Methodist. O financiador não esteve envolvido no desenho do estudo, coleta, análise, interpretação dos dados, redação deste artigo ou na decisão de submetê-lo à publicação.
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 |