Uma caixa de ferramentas baseada em ressonância magnética para planejamento neurocirúrgico em primatas não humanos

Summary

O método descrito abaixo visa fornecer um protocolo abrangente para a preparação de neurocirurgia de primatas não humanos (NHP) utilizando uma nova combinação de métodos de impressão tridimensionais (3D) e extração de dados de ressonância magnética.

Abstract

Neste artigo, descrevemos um método de preparação cirúrgica que permite o planejamento prático de uma variedade de neurocirurgias em NHPs utilizando apenas dados extraídos de ressonância magnética (RM). Este protocolo permite a geração de modelos físicos impressos em 3D anatomicamente precisos do cérebro e do crânio, bem como um modelo de gel agarose do cérebro modelando algumas das propriedades mecânicas do cérebro. Esses modelos podem ser extraídos da ressonância magnética usando software de extração cerebral para o modelo do cérebro, e código personalizado para o modelo do crânio. O protocolo de preparação aproveita a tecnologia de impressão 3D de última geração para fazer cérebros, crânios e moldes interligados para modelos cerebrais em gel. Os modelos de crânio e cérebro podem ser usados para visualizar tecido cerebral dentro do crânio com a adição de uma craniotomia no código personalizado, permitindo uma melhor preparação para cirurgias diretamente envolvendo o cérebro. As aplicações desses métodos são projetadas para cirurgias envolvidas em estimulação e gravação neurológicas, bem como injeção, mas a versatilidade do sistema permite uma expansão futura do protocolo, técnicas de extração e modelos para um escopo mais amplo de cirurgias.

Introduction

A pesquisa de primatas tem sido um passo fundamental na progressão da pesquisa médica de modelos animais para ensaios em humanos^1,2. Isso é especialmente no estudo da neurociência e da engenharia neural, pois há uma grande discrepância fisiológica e anatômica entre cérebros de roedores e os de primatas não humanos (NHP)^1,2,3. Com tecnologias genéticas emergentes como quimiogenética, optogenética e imagem de cálcio que requerem modificação genética dos neurônios, a pesquisa de engenharia neural que estuda a função neural em NHP’s ganhou especial atenção como modelo pré-clínico para a compreensão da função cerebral^{2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16}. Na maioria dos experimentos de neurociência NHP, são necessárias medidas neurocirúrgicas para a implantação de diversos dispositivos, como postes de cabeça, câmaras de estimulação e gravação, matrizes de eletrodos e janelas ópticas^{4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18}.

Os laboratórios nhp atuais usam uma variedade de métodos que muitas vezes incluem práticas ineficazes, incluindo sedação do animal para caber as pernas de um poste da cabeça e aproximar a curvatura do crânio ao redor do local da craniotomia. Outros laboratórios encaixam o poste da cabeça no crânio em cirurgia ou empregam métodos mais avançados de obtenção das medidas necessárias para implantação, como a análise de um atlas cerebral nHP e ressonância magnética (MR) para tentar estimar curvaturas do crânio^2,10,11,16. Neurocirurgiões em NHPs também envolvem injeções de fluidos, e os laboratórios muitas vezes não têm como visualizar o local projetado de injeção dentro do cérebro^2,4,5,13,14, contando apenas com medidas estereoléxiis e comparação com exames de ressonância magnética. Esses métodos têm um grau de incerteza inevitável por não serem capazes de testar a compatibilidade física de todos os componentes complexos do implante.

Portanto, há a necessidade de um método não invasivo preciso para o planejamento neurocirúrgico em NHPs. Aqui, apresentamos um protocolo e metodologia para a preparação de cirurgias de implantação e injeção nesses animais. Todo o processo provém de ressonâncias magnéticas, onde o cérebro e o crânio são extraídos dos dados para criar modelos tridimensionais (3D) que podem então ser impressos em 3D. Os modelos de crânio e cérebro podem ser combinados para se preparar para cirurgias de craniotomia, bem como postes na cabeça com um nível aumentado de precisão. O modelo cerebral também pode ser usado para criar um molde para a fundição de um modelo de gel anatomicamente preciso do cérebro. O cérebro de gel sozinho e em combinação com um crânio extraído pode ser usado para se preparar para uma variedade de cirurgias de injeção. Abaixo descreveremos cada uma das etapas necessárias para a caixa de ferramentas baseada em ressonância magnética para preparação neurocirúrgica.

Protocol

Todos os procedimentos de animais foram aprovados pelo Comitê de Uso e Cuidados com Animais da Universidade de Washington. Foram utilizados dois macaques rhesus masculinos (macaco H: 14,9 kg e 7 anos, macaco L: 14,8 kg e 6 anos). 1. Aquisição de imagens Transporte o macaco para um scanner de ressonância magnética 3T e coloque o animal em um quadro estereotaxo compatível com MR(Tabela de Materiais). Registo o T1 padrão (ângulo de lançamento = 8°, t…

Representative Results

A manipulação e análise das Ressonâncias Magnéticas como medida de planejamento de craniotomia pré-operatória tem sido utilizada com sucesso nos últimos2,5,10,16. Este processo, no entanto, foi muito aprimorado pela adição da modelagem 3D do cérebro, crânio e craniotomia. Conseguimos criar com sucesso um modelo físico anatomicamente preciso do cérebro que refletisse a área de int…

Discussion

Este artigo descreve uma caixa de ferramentas para preparação para neurocirurgias em NHPs usando modelos físicos e CAD de anatomia do crânio e cérebro extraídos de ressonâncias magnéticas.

Enquanto os modelos de crânio e cérebro extraídos e impressos em 3D foram projetados especificamente para a preparação de cirurgias de craniotomia e implantes pós-cabeça, a metodologia se presta a várias outras aplicações. Como descrito anteriormente, o modelo físico do crânio permite a p…

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