Avaliação do Dano Térmico da Craniotomia Robotizada para Cirurgia de Janela de Crânio em Camundongos

As janelas cranianas tornaram-se utilizadas de forma ubíqua nos campos da neurociência, engenharia neural e biologia para permitir a visualização direta e a obtenção de imagens do córtex em animais vivos 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11 . A poderosa combinação de camundongos transgênicos e imagens de múltiplos fótons forneceu informações extremamente valiosas sobre a atividade do circuito e outros conhecimentos biológicos no cérebro in vivo 12,13,14,15,16,17,18. Microscópios em miniatura montados no crânio ampliaram ainda mais essas capacidades para permitir gravações em animais acordados e em movimento livre¹⁹. O processo de criação de uma janela craniana requer perfurações elétricas para afinar ou remover completamente o osso craniano para produzir craniotomias grandes o suficiente para fixar um pedaço de vidro transparente sobre o córtex²⁰. Polidimetilsiloxano (PDMS) e outros polímeros também têm sido testados como materiais de janela craniana ^9,21. Em última análise, a janela craniana ideal é aquela que não altera ou interfere com a atividade endógena normal por baixo. No entanto, é comumente aceito que a perfuração da janela craniana agrava o tecido subjacente, levando a danos ao cérebro, ruptura do ambiente e afetando meninges a ponto de ocluir a profundidade de imagens multifótons22. A neuroinflamação resultante tem uma ampla gama de efeitos que vão desde a permeabilidade da barreira hematoencefálica (BHE), até a ativação e recrutamento de células gliais ao redor do local do implante²³. Portanto, caracterizar métodos de perfuração de janela craniana mais seguros e reprodutíveis é crucial para uma qualidade de imagem consistente e redução dos fatores de confusão.

Enquanto se toma cuidado para minimizar o trauma no tecido subjacente, o ato de perfurar o osso tem o potencial de causar perturbações térmicas e mecânicas ao cérebro^24,25. O trauma mecânico decorrente da penetração acidental da broca na dura-máter pode induzir graus variados de lesão cortical²⁴. No estudo de Shoffstall et al.25, o calor da perfuração óssea resultou em aumento da permeabilidade à BHE, como indicado pela presença do corante Azul de Evans (EB) no parênquima cerebral ²⁵. O corante EB, injetado por via intravenosa, liga-se à albumina circulante na corrente sanguínea e, portanto, normalmente não atravessa um BBB saudável em concentrações apreciáveis. Como resultado, o corante EB é comumente usado como um marcador sensível da permeabilidade à BHE^26,27. Embora seu estudo não tenha medido diretamente o impacto da permeabilidade da BBB nas sequelas biológicas subsequentes em estudo, estudos anteriores correlacionaram a permeabilidade à BBB a uma resposta neuroinflamatória aumentada a microeletrodos implantados cronicamente e alterações na função motora²⁸.

Dependendo dos objetivos do estudo, a magnitude dos danos térmicos e mecânicos pode contribuir como fonte de erro experimental, afetando negativamente o rigor e a reprodutibilidade do estudo. Existem dezenas de métodos citados para a confecção de janelas cranianas, cada um utilizando diferentes equipamentos de perfuração, velocidades, técnicas e usuários 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11. Shoffstall et ^al.25 relataram que a variação observada nos resultados de aquecimento foi atribuída à variabilidade na força aplicada, taxa de alimentação e ângulo de aplicação da broca, entre outros aspectos que não podem ser controlados durante a perfuração^manual25. Acredita-se que sistemas de perfuração automatizados e outros equipamentos estereotáxicos possam melhorar a reprodutibilidade e a consistência dos resultados, mas estudos de métodos publicados não avaliaram rigorosamente a temperatura ou a permeabilidade à BHE como um dos desfechos. Portanto, há necessidade de métodos mais reprodutíveis e consistentemente aplicados para produzir janelas cranianas, bem como métodos rigorosamente aplicados para avaliar o impacto da perfuração da janela craniana no tecido neural subjacente.

O foco deste estudo é determinar e desenvolver métodos de perfuração consistentes e seguros para janelas cranianas. O tamanho da craniotomia para instalação da janela craniana é significativamente maior do que as craniotomias padrão para microeletrodos implantados no cérebro. Tais craniotomias não podem ser completadas com um único orifício de broca quando se utiliza equipamento padrão, introduzindo maior variabilidade da técnica intercirurgião quando realizadas^{manualmente20}. Robôs de perfuração cirúrgica têm sido introduzidos no campo, mas ainda não têm sido amplamente adotados ^1,6,29. A automação da perfuração oferece controle sobre as variáveis que contribuem para a variação experimental-a-experimental, sugerindo que o uso do equipamento pode reduzir os efeitos inter e intra-cirurgião. Isso é de particular interesse dada a dificuldade adicional da craniotomia maior necessária para a colocação da janela craniana. Embora se possa supor que haja benefícios claros para o controle proporcionado pela automação da perfuração, há pouca avaliação da implementação desses equipamentos. Embora lesões visíveis não tenham sido^observadas5, o teste de maior sensibilidade com o uso da EB é desejado.

Aqui, a permeabilidade BBB é medida usando um robô de perfuração cirúrgica disponível comercialmente com software correspondente, que permite a programação de coordenadas estereotáxicas, planejamento/mapeamento de craniotomia e uma seleção de estilos de perfuração (“ponto-a-ponto” vs “horizontal”), referindo-se ao caminho roteado da broca. Inicialmente, são perfurados oito pontos de “semente” (Figura 1A), delineando a janela craniana. A partir daqui, o espaço entre as sementes é recortado usando o método de broca “ponto a ponto” ou “horizontal”. “Ponto a ponto” realiza cortes de furo piloto verticais (semelhante a uma prensa de perfuração CNC), enquanto “horizontal” realiza cortes horizontais ao longo da circunferência da janela craniana que delineia o furo (semelhante a um roteador CNC). O resultado para ambos os métodos é um pedaço de crânio que pode ser removido para revelar a janela craniana. Para isolar os danos da perfuração, a janela craniana não é removida fisicamente, de modo a evitar qualquer dano adicional. Uma combinação de corante EB acoplado a imagens fluorescentes é usada para medir a permeabilidade à BHB após a realização de craniotomias em camundongos, e um termopar inserido é usado para medir diretamente a temperatura da superfície cerebral durante a perfuração (Figura 1B,C). Observações anteriores indicaram que a perfuração pulsada liga/desliga com intervalos de 2 s foi suficiente para mitigar o aquecimento da broca²⁵ e, portanto, está incorporada à abordagem experimental para o robô cirúrgico.

A intenção do trabalho apresentado é demonstrar métodos de avaliação de danos térmicos decorrentes da perfuração de craniotomias. Embora os métodos sejam apresentados no contexto da perfuração automatizada, tais métodos também podem ser aplicados a esquemas de perfuração manual. Esses métodos podem ser usados para validar o uso de equipamentos e/ou esquemas de perfuração antes de adotar como procedimento padrão.

Figura 1: Esquema de pipeline experimental. Esquema demonstrando o processo a que os animais foram submetidos para quantificação da EB pós-janela craniana. (A) Configuração esquemática do mouse com a armação estereotáxica e broca robótica cirúrgica. Um exemplo de janela craniana é mostrada sobre o córtex motor com pontos de semente (verde) e pontos de borda (azul). (B) A configuração de perfusão inclui a injeção de 1x solução salina tamponada com fosfato (PBS) em todo o animal para remover qualquer sangue, seguida de extração do cérebro. (C) O cérebro é então colocado na câmara do sistema de imagem fluorescente EB para conduzir imagens fluorescentes no corante azul de Evans. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.