השיטה המתוארת להלן נועדה לספק פרוטוקול מקיף להכנת נוירוכירורגיה יונקים לא אנושיים (NHP) באמצעות שילוב חדשני של שיטות הדפסה תלת מימדיות (תלת מימד) וחילוץ נתוני MRI.
בנייר זה, אנו מתארים שיטה להכנה כירורגית המאפשרת תכנון מעשי של מגוון נוירוכירורגיות ב NHPs אך ורק באמצעות נתונים המופקים הדמיית תהודה מגנטית (MRI). פרוטוקול זה מאפשר לדור של מודלים פיזיים מדויקים אנטומית מודפסים בתלת-ממד של המוח והגולגולת, כמו גם מודל ג’ל agarose של המוח מידול חלק מהמאפיינים המכניים של המוח. מודלים אלה ניתן לחלץ MRI באמצעות תוכנת מיצוי המוח עבור המודל של המוח, קוד מותאם אישית עבור המודל של הגולגולת. פרוטוקול ההכנה מנצל את טכנולוגיית ההדפסה בתלת-ממד העדכנית ביותר כדי ליצור התבכות במוח, גולגולות ותבניות למודלים של מוח ג’ל. מודלים הגולגולת והמוח יכול לשמש כדי לדמיין את רקמת המוח בתוך הגולגולת עם תוספת של פתיחת גולגולת בקוד המותאם אישית, המאפשר הכנה טובה יותר לניתוחים ישירות מעורבים במוח. היישומים של שיטות אלה מיועדים לניתוחים המעורבים גירוי נוירולוגי והקלטה, כמו גם הזרקה, אבל הרב-תכליתיות של המערכת מאפשרת הרחבה עתידית של הפרוטוקול, טכניקות החילוץ, ומודלים להיקף רחב יותר של ניתוחים.
מחקר יונקים היה צעד מרכזי בהתקדמות המחקר הרפואי ממודלים של בעלי חיים לניסויים בבניאדם 1,2. זה במיוחד במחקר של מדעי המוח והנדסה עצבית כפי שיש פער פיזיולוגי ואנטומי גדול בין מוח מכרסמים ואלה של פרימטים לא אנושיים (NHP)1,2,3. עם טכנולוגיות גנטיות מתפתחות כגון כימותרפיה, אופטוגנטיקה, והדמיית סידן הדורשים שינוי גנטי של נוירונים, מחקר הנדסה עצבית החוקר תפקוד עצבי ב NHP זכה לתשומת לב מיוחדת כמודל פרה-קליני להבנת תפקוד המוח2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. ברוב ניסויי מדעי המוח של NHP נדרשים אמצעים נוירוכירורגיים להשתלה של מכשירים שונים כגון עמדות ראש, תאי גירוי והקלטה, מערכי אלקטרודהוחלונות אופטיים 4,5,6,7,10,13,14,15,17,18.
מעבדות NHP הנוכחיות להשתמש במגוון שיטות הכוללות לעתים קרובות שיטות לא יעילות כולל להסתם את החיה כדי להתאים את הרגליים של ראש לעמוד וערך עקמומיות של הגולגולת סביב אתר פתיחת הגולגולת. מעבדות אחרות מתאימות את העמדה הראשית לגולגולת בניתוח או משתמשות בשיטות מתקדמות יותר להשגת המדידות הדרושות להשתלה כמו ניתוח אטלס מוחי NHP ותהודה מגנטית (MR) סריקות כדי לנסות להעריך עקמומיותגולגולת 2,10,11,16. נוירוכירורגיות ב NHPs כרוכים גם זריקות נוזלים, מעבדות לעתים קרובות איןדרך לדמיין את מיקום ההזרקה הצפוי בתוך המוח 2,4,5,13,14 להסתמך אך ורק על מדידות סטריאוטיפיות והשוואה סריקות MR. שיטות אלה יש מידה של אי ודאות בלתי נמנעת מלהיות מסוגל לבדוק את התאימות הפיזית של כל הרכיבים המורכבים של השתל.
לכן, יש צורך בשיטה מדויקת לא פולשנית לתכנון נוירוכירורגי בNPS. כאן אנו מציגים פרוטוקול ומתודולוגיה להכנת השתלות וניתוחי הזרקה בבעלי חיים אלה. התהליך כולו נובע מסריקות MRI, שבהן המוח והגולגולת מופקים מהנתונים כדי ליצור מודלים תלת מימדיים (תלת-ממדיים) שניתן להדפיס בתלת-ממד. ניתן לשלב את מודלי הגולגולת והמוח כדי להתכונן לניתוחי פתיחת גולגולת, כמו גם לעמדות ראש ברמת דיוק מוגברת. מודל המוח יכול לשמש גם כדי ליצור עובש לליהוק של מודל ג’ל מדויק אנטומית של המוח. מוח הג’ל לבד ובשילוב עם גולגולת מופקת יכול לשמש כדי להתכונן למגוון רחב של ניתוחי הזרקה. להלן נותאר כל אחד מהצעדים הנדרשים עבור ארגז הכלים מבוסס MRI להכנת נוירוכירורגית.
מאמר זה מתאר ארגז כלים להכנת נוירוכירורגיה ב NHPs באמצעות מודלים פיזיים CAD של אנטומיה של הגולגולת והמוח שחולצו מסריקות MR.
בעוד מודלים גולגולת מודפס 3D 3D ומודלים המוח תוכננו במיוחד להכנת ניתוחי פתיחת גולגולת והשתלות פוסט ראש, המתודולוגיה משאילה את עצמה למספר יישומים אחרים. כפי …
The authors have nothing to disclose.
פרויקט זה נתמך על ידי המכון הלאומי לבריאות הילד ע”ש יוניס קנדי פיתוח אנושי של המכונים הלאומיים לבריאות תחת מספר פרס K12HD073945, וושינגטון הלאומי יונקים מחקר מרכז (WaNPCR, P51 OD010425), המרכז לנוירוטכנולוגיה (CNT, מרכז מחקר הנדסה קרן לאומית למדע תחת גרנט EEC-1028725) ואוניברסיטת וושינגטון רויאלטי קרנות מחקר. המימון למעבדות מקניק ומרטינז-קונדה לפרויקט זה הגיע מ-NSF-NCS Award 1734887, כמו גם פרסי NSF 1523614 ו-1829474, ומלגות SUNY Empire Innovator לכל פרופסור. אנו מודים לכראם ח’תיב על עזרתו בהכנת אגרוז, ולטוני ג’יי הואן על העזרה הטכנית.
3D Printing Software (GrabCAD Print) | Stratasys | Version 1.36 | Used for High quality 3D printing |
3D Printing Software (Simplify 3D) | Simplify3D | Version 4.1 | Used for PLA 3D printing |
Agarose | Benchmark Scientific | A1700 | Used for making gel brains |
Black Nail Polish | L.A. Colors | CNP637 | Used for gel molding |
Cannula (ID 320 um, OD 432 um) | Polymicro Technologies | 1068150627 | Used to inject dye into gel brain |
Cannula (ID 450 um, OD 666 um) | Polymicro Technologies | 1068150625 | Used to inject dye into gel brain |
Catheter Connector | B Braun | PCC2000 | Perifix for 20-24 Gage epidural catheters; Units per Cs 50 |
Dremel 3D Digilab 3D45 printer | Dremel | F0133D45AA | Used for prototyping in PLA |
ECOWORKS | Stratasys | 300-00104 | Used to dissolve QSR support structures |
Erlymeyer flask | Pyrex | 4980 | Used for gel molding |
Ethyl cyanoacrylate | The Original Super Glue Corp. | 15187 | Used to make combined cannula |
Graduated cylinder | 3023 | Used for gel molding | |
HATCHBOX PLA 3D Printer Filament | HATCHBOX | 3DPLA-1KG1.75-RED/3DPLA-1KG1.75-BLACK | 1kg Spool, 1.75mm, Red/Black |
Locust Bean Gum | Modernist Pantry | 1018 | Gumming agent for gel brain mixtures |
MATLAB | MathWorks | R2019b | Used for skull extraction |
McCormick Yellow Food Color | McCormick | Used for dye injection | |
Microwave | Panasonic | NN-SD975S | Used for agarose curing |
MR Imaging Software (3D Slicer) | 3D Slicer | Version 4.10.2 | Used for 3D model generation |
MR Imaging Software (Mango with BET plugin) | Reasearch Imaging Institute | Version 4.1 | Used for brain extraction |
Philips Acheiva MRI System | Philips | 4522 991 19391 | Used to image non-human primates |
Phosphate Buffered Solution | Gibco | 70011-044 | 10X diluted with DI water to 1X |
Pump | WPI | UMP3T-1 | Used for dye injection |
Pump driver | WPI | UMP3T-1 | Used for dye injection |
Refrigerator | General Electric | Used to preserve agarose gel | |
Scientific Spatula | VWR | 82027-494 | Used to extract gel molds |
SolidWorks | Dassault Systemes | 2019 | |
Stratasys ABS-M30 filament | Stratasys | 333-60304 | Used for high quality 3D printing |
Stratasys F170 3D printer | Stratasys | 123-10000 | Used for high quality 3D printing |
Stratasys QSR support | Stratasys | 333-63500 | Used to create supports with ABS model |
Syringe | SGE | SGE250TLL | Used for dye injection |