Protokollet som presenteras här visar stereotaxi för grishjärnan med hjälp av konvektionsförbättrade infusioner, med visualiseringsvägledning för magnetisk resonanstomografi (MRI) i realtid och visualisering av infusionsdistribution i realtid.
Det övergripande målet med denna procedur är att utföra stereotaxi i grishjärnan med visualiseringsvägledning i realtid för magnetisk resonans (MR) för att ge exakta infusioner. Motivet placerades benäget i MR-borrningen för optimal åtkomst till toppen av skallen med bålen upphöjd, nacken böjd och huvudet lutat nedåt. Två ankarstift förankrade på den bilaterala zygomen höll huvudet stadigt med hjälp av huvudhållaren. En magnetisk resonanstomografi (MRI) flexspole placerades rostralt över huvudhållaren så att skallen var tillgänglig för ingreppsproceduren. Ett planeringsnät placerat i hårbotten användes för att bestämma lämplig ingångspunkt för kanylen. Den stereotaktiska ramen säkrades och justerades iterativt genom programvaruprojektion tills det projicerade radiella felet var mindre än 0,5 mm. En handborr användes för att skapa ett burrhål för införande av kanylen. En gadoliniumförstärkt saminfusion användes för att visualisera infusionen av en cellsuspension. Upprepade T1-viktade MR-skanningar registrerades i realtid under agentleveransprocessen för att visualisera volymen av gadoliniumfördelning. MR-styrd stereotaxi möjliggör exakt och kontrollerad infusion i grishjärnan, med samtidig övervakning av kanylinsättningsnoggrannhet och bestämning av distributionsvolymen för medlet.
I detta protokoll beskriver vi tillämpningen av ett stereotaktiskt system för interventionell magnetisk resonanstomografi (iMRI) för kanylplacering och visualisering i realtid av infusioner i grishjärnan. Utvecklingen av iMRI-system möjliggör exakt kateterplacering1. iMRI möjliggör visualisering av fördelningen av infusionsmedlet i hjärnan hos patienter under generell anestesi 1,2 för att utvärdera procedurens noggrannhet i realtid.
Det MR-styrda stereotaktiska systemet är en riktad plattform som möjliggör målnoggrannhetunder millimeter 1. Den använder en skallmonterad siktanordning i kombination med dedikerad programvara som ger anatomisk avbildning av hjärnan med projicerade blyinsättningsbanor och justeringsparametrar. iMRI-vägledning för stereotaktisk kirurgisk ingrepp i hjärnan har visat sig vara effektiv i kliniska tillämpningar, såsom djup hjärnstimulering vid behandling av Parkinsons sjukdom 2,3,4,5, fokal ablation för behandling av epilepsi 6,7 och konvektionsförbättrad leverans (CED) av läkemedel till centrala nervsystemet 8,9.
CED-metoden används för att direkt leverera terapeutiska medel till centrala nervsystemet med användning av vätskekonvektion. Detta är baserat på en liten hydrostatisk tryckgradient som möjliggör flödet av ett infusat från spetsen av infusionskanuvan till det omgivande extracellulära utrymmet10. Stereotaktiska metoder används för att leverera höga koncentrationer av makromolekyler, små molekyler 11,12, celltransplantation13,14,15 eller terapeutiska medel till det valda hjärnvävnadsmålet, vilket kringgår blod-hjärnbarriären. Faktorer som permeabilitet, diffusionskoefficienter, mottryck, upptag och clearancemekanismer påverkar diffusionen av de terapeutiska medlen16. Denna teknik använder en gadoliniumbaserad co-infusat1 för klinisk CED, för att övervaka infusionsmedlet i realtid in i det parenkymala målet. Parametrar som distributionsvolymen i vävnaden och relaterad kinetik efter riktad noggrannhet övervakas med iMRI.
CED-studier av infusionsmedel via ett MR-styrt stereotaxisystem har studerats hos icke-mänskliga primater, vilket resulterar i exakta, förutsägbara och säkra procedurer. Noggrannheten för placering av infusionskanill har visat sig nå submillimeterplaceringsfel17. Systemet ger en förutsägbar infusionsfördelning, med en observerad linjär ökning av distributionsvolymen med infusionsvolymen, vilket leder till en därefter införd refluxresistent kanyl för CED-infusioner18. Detta iMRI-infusionsförfarande rapporterades inte medföra några negativa effekter hos icke-humana primater19.
Här utökar vi tillämpningen av MR-styrd sterotaxi på grishjärnan för att leverera och övervaka distributionen av ett infusionsmedel bestående av en 300 μL cellsuspension. Storleken på grishjärnan möjliggör avbildning och neurokirurgiska ingrepp som kan tillämpas kliniskt på människor, vilket inte är möjligt i mindre djurmodeller av sjukdom20. Dessutom producerar grisens immunsystem liknande svar som hos människor när det gäller svar på biologiska eller andra terapeutiska medel21. Därför har arbetet med denna djurart för stereotaktiska läkemedelsleveransprocedurer direkta translationella kliniska konsekvenser och kan vara logistiskt enklare än med icke-mänsklig primatforskning.
Vi använde en grismodell (tamsvin, hona, 25 kg, 14 veckors ålder) för MR-styrd stereotaxi. Den visuella implementeringen av det stereotaktiska förfarandet hos grisar rapporteras i denna studie. Vi beskriver anpassningarna av utrymmet för att rymma ett grishuvud, visualisering av proceduren både i video och bilder och samtidig MR-avbildning för att utvärdera infusatfördelningen i grishjärnan. MR-styrd stereotaxi utfördes i ett 3T MR-utrymme.
Med detta experiment demonstrerar vår grupp prestanda för MR-styrd stereotaxi i grishjärnan och en grundläggande bildtidslinje för att spåra infusioner i hjärnan. Den allmänna tekniken för klinisk stereotaxi som utförs på människor kan tillämpas på svinskallen och hjärnan.
Det övergripande målet med denna procedur är att utföra MR-styrd stereotaxi i grishjärnan med MR-visualiseringsvägledning i realtid. Detta uppnås genom att först placera motivet benäget i MR-borrningen för optimal åtkomst till toppen av skallen. Det andra steget är att planera den kirurgiska insättningen med MR-assisterad visualiseringsvägledning, vilket innebär placering och skanning av ett fiducialt rutnät för att bestämma lämplig startpunkt för en förplanerad bana. Detta uppnås med en högupplöst (1 mm isotrop) T1-viktad 3D-magnetisering förberedd snabb gradienteko (MPRAGE) skanning, i en varaktighet av 7 min och 44 s. Därefter säkrar vi den stereotaktiska ramen på huvudet och justerar justeringen iterativt genom programvaruprojektion tills det projicerade radiella felet är mindre än 0,5 mm. Snabba 2D-turbospinnekoskanningar (varaktighet på 13 s) i sneda riktningar ger bildvägledning. Därefter görs ett snitt på huden och en handborr används för att skapa ett burrhål för införande av infusionskaniman vid de fördefinierade koordinaterna. Det sista steget är att övervaka infusionen med upprepade T1-viktade MR-skanningar (3D MPRAGE; 1 min 45 s) i realtid med gladolinium-saminfusion. Resultaten visar att MR-styrd stereotaxi möjliggör exakt och kontrollerad infusion i grishjärnan, baserat på MR-vägledning i realtid och efterföljande T1-viktade 3D MPRAGE MRI-skanningar (1 mm isotrop upplösning) som används för att visualisera distributionsvolymen.
Detta protokoll presenterar prestandan hos MR-styrd stereotaxi för grishjärnan inuti en 3T MR-maskin med möjlighet till submillimeter inriktningsnoggrannhet, vilket uppnåtts i tidigare studier 1,4,17,18,25. Tidigare kadaverexperiment med MR-styrd stereotaxi visade ett radiellt fel på 0,2 ± 0,1 mm1. I denna rapport var det slutliga djupfelet med avseende på den planerade banan 1,4 mm på grund av online-utvärdering och justering av banan av kirurgerna. Det slutliga djupfelet var jämförbart med radiella felfynd (under 2 mm) för kliniska implementeringar av iMRI stereotaktiska procedurer hos människa26.
Här demonstrerar vi motivets placering på MR-bordet, med stammen lyft så att huvudet kan falla något nedåt och peka utåt mot slutet av MR-borrningen. Denna huvudplacering är avgörande för att ge kirurgen utrymme att utföra proceduren. Den stereotaktiska ramen möjliggör exakt och kontrollerad infusion i grishjärnmodeller. Dessutom möjliggör MR-avbildning i realtid noggrann bestämning av distributionsvolymen. Grisar, som stora djurmodeller för infusioner spårade i realtid i MR, presenterar möjligheten att studera läkemedelsleverans till hjärnan, cellleverans och andra medel av translationellt värde.
Grisen har tydliga anatomiska skillnader att ta hänsyn till, jämfört med människor eller icke-mänskliga primater. När grisar växer blir storleken på kroppen i MR-borrningen en utmaning. Formen på huvudet och bålen skiljer sig från människor, vilket visar sig vara utmanande att rymma för optimal tillgång till hjärnan för kirurgen, både för det kirurgiska ingreppet och kanylinsättning i utrymmet utanför MR-borrningen. Därför är det viktigt att placera ämnet på ett sätt så att kirurgen har tillgång till huvudet från slutet av MR-borrningen.
Skillnaden i skalltjocklek mellan grisar och människor är en faktor att tänka på. I detta protokoll möjliggjorde iMRI-visualiseringen exakt uppskattning av skalltjockleken för en effektiv burrhålprocedur. Med tanke på användningen av dessa minimalt invasiva neurokirurgiska verktyg var djuråtervinning händelselös.
Den MR-styrda visualiseringen ger vägledning i realtid för åtkomst till grishjärnan, kanylinsättning och övervakning av infusionsmedlet. Borrningsprocessen, vävnadsdeformation och/eller störningar i vita substanskanaler har rapporterats bidra till svårigheter vid agentleverans till hjärnan25. Iterativa MR-skanningar under planeringen och kanylinsättningen ger möjlighet till små justeringar. Dessutom kan infusionsparametrar som infusionshastigheten eller noggrannheten hos kanylinsättningen ändras i realtid eller pausas, vilket dikteras av den intraprocessuella avbildningen. Slutligen måste en lämplig balans mellan det gadoliniumbaserade saminfusatet väljas för att få en tydlig utvärdering av distributionsvolymen för medlet.
Överkoncentrationen av det gadoliniumbaserade kontrastmedlet kan ha dolt dess fördelning i MR-skanningarna27, som visar en svart fläck runt kanylspetsen, omgiven av ett hyperintentområde som visade de yttre gränserna för infusionsvolymen. Tillgängliga bilder av proceduren är begränsade på grund av de begränsningar som är förknippade med filmning i det begränsade MR-utrymmet runt kirurgens arbetsområde. De intraoperativa videofilmerna användes för att styra protokollbeskrivningen.
Infusionsmedel via MR-styrd stereotaxi hos grisar och andra stora djurmodeller har resulterat i exakta, förutsägbara och säkra procedurer. Att demonstrera iMRI-stereotaxi hos grisar ger grunden för skalbarheten av forskningsbehandlingar som har högt translationellt värde för människor. Grismodeller har använts i stor utsträckning för att studera immunologiska svar på grund av deras likhet med det mänskliga svaret jämfört med andra arter28. Terapeutiska medel som levereras till hjärnan kan studeras i samband med exakt målinfusion, med den extra fördelen med MR-visualisering i realtid av infusionsplatsen, nödvändiga justeringar och intraoperativ utvärdering av dess fördelning i vävnaden.
The authors have nothing to disclose.
Författarna förklarar att denna studie fick filantropisk finansiering från John S. “Steve” Dunn, Jr. & Dagmar Dunn Pickens Gipe Chair in Brain Tumor Research vid Houston Methodist. Finansiären var inte inblandad i studiedesign, insamling, analys, tolkning av data, skrivandet av denna artikel eller beslutet att skicka in den för publicering.
Detta arbete finansierades delvis av bidragsnummer RP190587 från Cancer Prevention and Research Initiative (CPRIT) och Houston Methodist Foundation.
Författarna tackar Vi Phan och Lien My Phan, från Translational Imaging Center vid Houston Methodist Research Institute, för deras hjälp med MR-avbildning.
Författarna förklarar att denna studie fick filantropisk finansiering från Paula och Rusty Walter och Walter Oil & Gas Corp Endowment vid Houston Methodist. Finansiären var inte inblandad i studiedesign, insamling, analys, tolkning av data, skrivandet av denna artikel eller beslutet att skicka in den för publicering.
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 |