Understanding the mechanism of drug perfusion through brain tissue : hydraulic permeability study

Glioblastoma multiforme (GBM) is one of the most frequent and malignant human brain tumours, remaining incurable in most cases, leaving patients a median overall survival rate ranging from 12 to 18 months. Conventional treatment involves, as a first approach, surgery, with which it is very challenging to remove all the tumour, and then radiation and/or chemotherapy that, overall, damage the tissue promoting systemic toxicity. In particular for chemotherapy, a major obstacle is represented by the blood-brain barrier (BBB) that significantly hinders the drug distribution thus preventing the drug from reaching the tumour. From 1994, a new technique has been introduced in order to bypass the BBB, namely convection-enhanced delivery (CED), with promising results. With this method, intratumoural chemotherapies are administered by direct injection under positive pressure directly into the parenchyma. However, the efficiency of this innovative technique is related to the ability to ensure the sufficient concentration of the drug in the targeted region. Its distribution depends on the region where it is infused, in fact homogeneous structure or structure containing fibres show different bulk flow pathways. Different factors contribute to the good success of this treatment and, actually, rigorous computational models represent important support. However, realistic values are necessary to implement an accurate and reliable numerical model that includes the orientation of the white matter (WM) fibres tracts and the correct permeability and diffusion tensors. The determination of reliable hydraulic permeability values is still a subject of current research but it is a topic of deep interest in biological materials because of its important role in a range of drug delivery-based therapies. In the present study, the authors measure the permeability of WM tract of fresh ovine brain tissue considering the localised heterogeneities using an infusion based experimental set-up, the iPerfusion. The flow across different parts of the WM in response to applied pressures for a sample of specific dimensions was measured and the permeability from directly measured parameters was calculated. Furthermore, the effect of anisotropy of the tissue on permeability was directly investigated, by considering the directionality of tissue on the obtained values. Additionally, it has been also probed if the hydraulic permeability of WM changes with post-mortem time. In fact, very few studies were aimed at investigating the hydraulic permeability of the brain, and practically none have also experimentally investigated the anisotropic behaviour of the WM and grey matter (GM). Cylindrical specimens (5 mm/7 mm initial diameter/height) of ovine corona radiata were harvested from brains within 24 hours post-mortem. The samples were obtained from sagittal or coronal cut slices, using surgical scalpels and blades, and placed in a plastic tube (pipette), avoiding deformations of the tissue. The sagittal and coronal cuts allowed obtaining samples with parallel and perpendicular fibres with respect to the cross-section area of the small tube. After acclimatisation of the samples, an eight-step perfusion protocol was carried out, consisting of applied pressures of 10, 12.5, 15, 17.5, 20, 22.5 and 25 mmHg. The analysis of the data was conducted considering different parameters: the effect of the directionality of axons on the flow across the tissue, the effect of pressure on flow rate and k, and finally, the effect of post-mortem time on k. The emerging differences between the samples are due to the fact that the flow across the tissue is strongly dependent on the porous media structure which offers a very different resistance depending on the flow direction. Moreover, in case of samples with axons aligned to the injection direction, k is higher, while in case of samples with axons perpendicular to the fluid, k is lower. Finally, an analysis of the effect of post-mortem on k was conducted considering four different groups, divided by the direction of the fibres inside the tube (Parallel or Perpendicular) and by the time post-mortem, choosing as critical time 6 h post-mortem, as reported in the literature. However, from the results obtained from this study, the authors concluded the permeability of the samples does not change within the 9 h post-mortem, but 24 h post-mortem resulted in the important threshold time, after which a significant difference in k is visible. These results demonstrated that hydraulic permeability is significantly higher when the axons in WM are parallel to the flow direction in comparison to that when they are perpendicular to the flow direction. The tissue with axons parallel to flow is more vulnerable to sustain high pressures in contrast to the perpendicular axons which firmly sustain high pressures. Furthermore, the post-mortem time up to 9 h does not change the hydraulic permeability, however, 24 h post-mortem time makes the tissue more permeable. These experimental results not only provide a valuable addition to address the issues in technologies like CED but also provide solid information which can be used to develop a detailed mechanical model for brain tissue.

Il glioblastoma multiforme (GBM) è uno dei tumori cerebrali umani più frequenti e maligni, rimanendo nella maggior parte dei casi incurabile, con un tasso di sopravvivenza che va dai 12 ai 18 mesi. Il trattamento convenzionale prevede, come primo approccio, la chirurgia, con la quale è molto difficile rimuovere tutto il tumore, e poi la radioterapia e/o la chemioterapia che, nel complesso, danneggiano il tessuto favorendo la tossicità sistemica. In particolare per la chemioterapia, un ostacolo è rappresentato dalla barriera emato-encefalica che blocca significativamente la distribuzione del farmaco impedendogli così di raggiungere il tumore. Dal 1994 è stata introdotta una nuova tecnica per bypassare la barriera emato-encefalica, nota come convection-enhanced delivery (CED), con risultati promettenti. Con questo metodo, le chemioterapie intratumorali vengono somministrate per iniezione diretta sotto pressione positiva direttamente nel parenchima. Tuttavia, l'efficacia di questa tecnica innovativa è legata alla capacità di garantire una concentrazione sufficiente del farmaco nella regione target. La sua distribuzione dipende dalla zona in cui viene infuso: infatti, una struttura omogenea o una struttura contenente fibre presentano diverse vie di flusso. Molti fattori contribuiscono alla buona riuscita di questo trattamento e, di fatto, rigorosi modelli computazionali rappresentano un importante supporto. Tuttavia, valori realistici sono necessari per implementare un modello numerico accurato e affidabile, che includa l'orientamento dei tratti di fibre di materia bianca e la corretta permeabilità e diffusione dei tensori. La determinazione di valori affidabili di permeabilità idraulica (k) è ancora oggetto di ricerca attuale, ma è un argomento di profondo interesse per i materiali biologici a causa del suo ruolo importante in una serie di terapie farmacologiche. Nel presente studio, gli autori misurano la permeabilità di una zona della materia bianca del tessuto cerebrale ovino fresco considerando le eterogeneità localizzate, utilizzando un impianto sperimentale basato sull'infusione, iPerfusion. È stato misurato il flusso attraverso diverse parti della materia bianca, in risposta alle pressioni applicate per un campione di dimensioni specifiche ed è stata calcolata la permeabilità a partire da parametri misurati direttamente. Inoltre, è stato studiato in modo diretto l'effetto dell'anisotropia del tessuto sulla permeabilità. E' stato anche studiato se la permeabilità idraulica della materia bianca cambia con il tempo post-mortem. Infatti, pochissimi studi sono stati finalizzati all'analisi della permeabilità idraulica del cervello, e praticamente nessuno ha anche studiato sperimentalmente il comportamento anisotropo della materia bianca e della materia grigia. Campioni cilindrici (5 mm/7 mm di diametro/altezza iniziale) di corona radiata ovina sono stati prelevati dal cervello entro le 24 ore post-mortem. I campioni sono stati ottenuti da tagli sagittale o coronale, utilizzando bisturi e lame chirurgiche, e inseriti in un tubo di plastica (pipetta), evitando deformazioni del tessuto. I tagli sagittali e coronali hanno permesso di ottenere campioni con fibre parallele e perpendicolari rispetto all'area della sezione trasversale del tubicino. E' stato eseguito un protocollo di perfusione in otto step, costituito da pressioni applicate di 10, 12.5, 15, 17.5, 20, 22.5 e 25 mmHg. L'analisi dei dati è stata condotta considerando diversi parametri: l'effetto della direzionalità degli assoni sul flusso attraverso il tessuto, l'effetto della pressione sulla velocità del flusso e su k e, infine, l'effetto del tempo post-mortem su k. Le differenze emergenti tra i campioni sono dovute al fatto che il flusso attraverso il tessuto è fortemente dipendente dalla struttura del mezzo poroso che offre una resistenza molto diversa a seconda della direzione del flusso. Inoltre, nel caso di campioni con assoni allineati alla direzione di iniezione, k è maggiore, mentre nel caso di campioni con assoni perpendicolari alla direzione del fluido, k è minore. Infine, è stata condotta un'analisi dell'effetto del tempo post-mortem su k considerando quattro diversi gruppi, divisi per la direzione delle fibre all'interno del tubo (Parallelo o Perpendicolare) e per il tempo post-mortem, scegliendo come tempo critico 6 h post-mortem, come riportato in letteratura. Tuttavia, dai risultati ottenuti da questo studio, gli autori hanno concluso che la permeabilità dei campioni non cambia entro le 9 h post-mortem, ma le 24 h post-mortem sono risultate un tempo limite, dopo il quale è visibile una differenza significativa in k. Questi risultati hanno dimostrato che la permeabilità idraulica è significativamente maggiore quando gli assoni nella materia bianca sono paralleli alla direzione del flusso. Il tessuto con gli assoni paralleli al flusso è più vulnerabile per sostenere pressioni elevate rispetto agli assoni perpendicolari, che, invece, sostengono saldamente pressioni elevate. Inoltre, il tempo post-mortem fino a 9 ore non cambia la permeabilità idraulica, tuttavia, il tempo post-mortem di 24 ore rende il tessuto più permeabile. Questi risultati sperimentali non solo rappresentano un valore aggiunto per affrontare i problemi delle nuove tecniche come la CED, ma forniscono anche informazioni solide che possono essere utilizzate per sviluppare un modello meccanico dettagliato per il tessuto cerebrale.