Una cassetta degli attrezzi basata sulla risonanza testurtica per la pianificazione neurochirurgica in primati non umani
Summary
Il metodo descritto di seguito mira a fornire un protocollo completo per la preparazione della neurochirurgia dei primati non umani (NHP) utilizzando una nuova combinazione di metodi di stampa tridimensionali (3D) ed estrazione di dati MRI.
Abstract
In questo documento, delineamo un metodo per la preparazione chirurgica che consente la pianificazione pratica di una varietà di neurochirurgia negli NSP esclusivamente utilizzando dati estratti dalla risonanza magnetica (MRI). Questo protocollo consente la generazione di modelli fisici anatomicamente accurati stampati in 3D del cervello e del cranio, nonché un modello di gel di agarosio del cervello che modella alcune delle proprietà meccaniche del cervello. Questi modelli possono essere estratti dalla risonanza prima utilizzando il software di estrazione cerebrale per il modello del cervello e il codice personalizzato per il modello del cranio. Il protocollo di preparazione sfrutta la tecnologia di stampa 3D all’avanguardia per realizzare cervelli, teschi e stampi interfaccianti per modelli cerebrali in gel. I modelli del cranio e del cervello possono essere utilizzati per visualizzare il tessuto cerebrale all’interno del cranio con l’aggiunta di una craniotomia nel codice personalizzato, consentendo una migliore preparazione per gli interventi chirurgici che coinvolgono direttamente il cervello. Le applicazioni di questi metodi sono progettate per gli interventi chirurgici coinvolti nella stimolazione neurologica e nella registrazione, nonché nell’iniezione, ma la versatilità del sistema consente una futura espansione del protocollo, delle tecniche di estrazione e dei modelli a una più ampia gamma di interventi chirurgici.
Introduction
La ricerca sui primati è stata un passo fondamentale nella progressione della ricerca medica dai modelli animali alle sperimentazionisull’uomo 1,2. Ciò è particolarmente vero nello studio delle neuroscienze e dell’ingegneria neurale in quanto esiste una grande discrepanza fisiologica e anatomica tra il cervello dei roditori e quelli dei primati non umani (NHP)1,2,3. Con tecnologie genetiche emergenti come la chemiogenetica, l’optogenetica e l’imaging del calcio che richiedono la modificazione genetica dei neuroni, la ricerca sull’ingegneria neurale che studia la funzione neurale negli NHP ha acquisito particolare attenzione come modello preclinico per la comprensionedella funzione cerebrale 2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. Nella maggior parte degli esperimenti di neuroscienze NHP, sono necessarie misure neurochirurgiche per l’impianto di vari dispositivi come pali della testa, camere di stimolazione e registrazione, array di elettrodi e finestre ottiche4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Gli attuali laboratori NHP usano una varietà di metodi che spesso includono pratiche inefficaci tra cui sedare l’animale per adattarsi alle gambe di un palo della testa e approssimare la curvatura del cranio intorno al sito di craniotomia. Altri laboratori si adattano al palo della testa al cranio in chirurgia o impiegano metodi più avanzati per ottenere le misure necessarie per l’impianto come l’analisi di un atlante cerebrale NHP e scansioni di risonanza magnetica (MR) per cercare di stimare le curvature delcranio 2,10,11,16. Le neurochirurgia negli NSP coinvolgono anche iniezioni di liquidi e i laboratori spesso non hanno modo di visualizzare la posizione di iniezione proiettataall’interno del cervello 2,4,5,13,14 basandosi esclusivamente su misurazioni stereotassiche e confronto con le scansioni MR. Questi metodi hanno un grado di inevitabile incertezza dall’essere in grado di testare la compatibilità fisica di tutti i componenti complessi dell’impianto.
Pertanto, è necessario un metodo non invasivo accurato per la pianificazione neurochirurgica negli NSP. Qui, presentiamo un protocollo e una metodologia per la preparazione di interventi chirurgici di impianto e iniezione in questi animali. L’intero processo deriva dalle scansioni MRI, in cui il cervello e il cranio vengono estratti dai dati per creare modelli tridimensionali (3D) che possono quindi essere stampati in 3D. I modelli del cranio e del cervello possono essere combinati per prepararsi agli interventi di craniotomia e ai posti della testa con un maggiore livello di precisione. Il modello cerebrale può anche essere utilizzato per creare uno stampo per la fusione di un modello di gel anatomicamente accurato del cervello. Il cervello gel da solo e in combinazione con un cranio estratto può essere utilizzato per prepararsi per una varietà di interventi chirurgici di iniezione. Di seguito descriveremo ciascuno dei passaggi necessari per la cassetta degli attrezzi basata sulla risonanza prima per la preparazione neurochirurgica.
Protocol
Representative Results
Discussion
Questo articolo descrive una cassetta degli attrezzi per la preparazione per neurochirurgia in NSP utilizzando modelli fisici e CAD di anatomia del cranio e del cervello estratti dalle scansioni MR.
Mentre i modelli di cranio e cervello estratti e stampati in 3D sono stati progettati specificamente per la preparazione di interventi chirurgici craniotomici e post implantazioni della testa, la metodologia si presta a diverse altre applicazioni. Come descritto in precedenza, il modello fisico del…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Questo progetto è stato sostenuto dall’Eunice Kennedy Shiver National Institute of Child Health & Human Development dei National Institutes of Health con il numero di premio K12HD073945, dal Washington National Primate Research Center (WaNPCR, P51 OD010425), dal Center for Neurotechnology (CNT, un National Science Foundation Engineering Research Center sotto Grant EEC-1028725) e dai Fondi di ricerca sulla royalty dell’Università di Washington. I finanziamenti ai laboratori Macknik e Martinez-Conde per questo progetto provenivano da un BRAIN Initiative NSF-NCS Award 1734887, così come dai NSF Awards 1523614 & 1829474 e dalle borse di studio SUNY Empire Innovator per ogni professore. Ringraziamo Karam Khateeb per il suo aiuto nella preparazione dell’agarosio e Toni J Huan per l’aiuto tecnico.
Materials
| 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 |
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