Una caja de herramientas basada en RMN para la planificación neuroquirúrgica en primates no humanos
Summary
El método descrito a continuación tiene como objetivo proporcionar un protocolo completo para la preparación de neurocirugía de primates no humanos (NHP) utilizando una novedosa combinación de métodos de impresión tridimensionales (3D) y extracción de datos por resonancia magnética.
Abstract
En este documento, delineamos un método para la preparación quirúrgica que permite la planificación práctica de una variedad de neurocirugías en los PNA utilizando únicamente datos extraídos de imágenes por resonancia magnética (RM). Este protocolo permite la generación de modelos físicos anatómicamente precisos impresos en 3D del cerebro y el cráneo, así como un modelo de gel de agarosa del cerebro modelando algunas de las propiedades mecánicas del cerebro. Estos modelos se pueden extraer de la RMN utilizando software de extracción cerebral para el modelo del cerebro, y código personalizado para el modelo del cráneo. El protocolo de preparación aprovecha la tecnología de impresión 3D de última generación para hacer que los cerebros, cráneos y moldes que interconectan para modelos de cerebro de gel. Los modelos de cráneo y cerebro se pueden utilizar para visualizar el tejido cerebral dentro del cráneo con la adición de una craneotomía en el código personalizado, lo que permite una mejor preparación para las cirugías que involucran directamente el cerebro. Las aplicaciones de estos métodos están diseñadas para cirugías involucradas en la estimulación neurológica y el registro, así como la inyección, pero la versatilidad del sistema permite la futura expansión del protocolo, técnicas de extracción y modelos a un alcance más amplio de cirugías.
Introduction
La investigación de primates ha sido un paso fundamental en la progresión de la investigación médica de modelos animales a ensayos en humanos1,2. Esto es especialmente así en el estudio de la neurociencia y la ingeniería neuronal, ya que hay una gran discrepancia fisiológica y anatómica entre los cerebros de roedores y los de los primates no humanos (NHP)1,2,3. Con tecnologías genéticas emergentes como la quimiogenética, la optogenética y las imágenes de calcio que requieren la modificación genética de las neuronas, la investigación de ingeniería neuronal que estudia la función neuronal en los NHP ha ganado especial atención como modelo preclínico para entender la función cerebral2,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16. En la mayoría de los experimentos de neurociencia nhP, se requieren medidas neuroquirúrgicas para la implantación de diversos dispositivos tales como postes de cabeza, cámaras de estimulación y grabación, matrices de electrodos y ventanas ópticas4,5,6,7,10,11,13,14,15,17,18.
Los laboratorios actuales de NHP utilizan una variedad de métodos que a menudo incluyen prácticas ineficaces, incluyendo sedar al animal para que se ajuste a las piernas de un poste de la cabeza y aproximar la curvatura del cráneo alrededor del sitio de craneotomía. Otros laboratorios ajustan el poste de la cabeza al cráneo en la cirugía o emplean métodos más avanzados para obtener las mediciones necesarias para la implantación como el análisis de un atlas cerebral NHP y resonancia magnética (MR) para tratar de estimar las curvaturas del cráneo2,10,11,16. Las neurocirugías en los PNA también implican inyecciones de fluidos, y los laboratorios a menudo no tienen manera de visualizar la ubicación de inyección proyectada dentro del cerebro2,4,5,13,14 que dependen únicamente de las mediciones estereotaxicas y la comparación con las exploraciones por RMN. Estos métodos tienen un grado de incertidumbre inevitable al no poder probar la compatibilidad física de todos los componentes complejos del implante.
Por lo tanto, hay una necesidad de un método no invasivo preciso para la planificación neuroquirúrgica en los PNA. Aquí, presentamos un protocolo y metodología para la preparación de cirugías de implantación e inyección en estos animales. Todo el proceso proviene de las resonancias magnéticas, donde el cerebro y el cráneo se extraen de los datos para crear modelos tridimensionales (3D) que luego se pueden imprimir en 3D. Los modelos de cráneo y cerebro se pueden combinar para prepararse para cirugías de craneotomía, así como postes de cabeza con un mayor nivel de precisión. El modelo cerebral también se puede utilizar para crear un molde para la fundición de un modelo de gel anatómicamente preciso del cerebro. El cerebro de gel solo y en combinación con un cráneo extraído se puede utilizar para prepararse para una variedad de cirugías de inyección. A continuación describiremos cada uno de los pasos necesarios para la caja de herramientas basada en RMN para la preparación neuroquirúrgica.
Protocol
Representative Results
Discussion
Este artículo describe una caja de herramientas para la preparación de neurocirugías en LOS PCN utilizando modelos físicos y CAD de cráneo y anatomía cerebral extraídos de las exploraciones por RMN.
Mientras que los modelos de cráneo y cerebro extraídos e impresos en 3D fueron diseñados específicamente para la preparación de cirugías de craneotomía y la cabeza postimplantaciones, la metodología se presta a varias otras aplicaciones. Como se describió anteriormente, el modelo f?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Este proyecto fue apoyado por el Instituto Nacional de Salud Infantil y Desarrollo Humano Eunice Kennedy Shiver de los Institutos Nacionales de Salud bajo el Premio Número K12HD073945, el Centro Nacional de Investigación de Primates de Washington (WaNPCR, P51 OD010425), el Centro de Neurotecnología (CNT, un Centro Nacional de Investigación de Ingeniería de la Fundación Científica bajo la Beca CEE-1028725) y la Universidad de Washington Royalty. La financiación de los laboratorios Macknik y Martinez-Conde para este proyecto vino de un PREMIO BRAIN Initiative NSF-NCS 1734887, así como de los Premios NSF 1523614 y 1829474, y de las Becas SUNY Empire Innovator a cada profesor. Agradecemos a Karam Khateeb por su ayuda con la preparación de la agarosa, y a Toni J Huan por su ayuda técnica.
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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