Monitorování mozkových metabolitů pomocí technik MR protonu a deuteria (SIGNATURES2023)

Úvod – Stárnutí světové populace je stále více uznáváno jako zásadní společenská výzva. Nástroje k provádění vysoce kvalitního metabolického výzkumu stárnutí mozku jsou však velmi omezené.

Navrhovaná studie se zaměří na metody hodnocení metabolických změn mozku, ke kterým dochází během stárnutí a také u 10 pacientů s Alzheimerovou chorobou (AD). Kromě AD bude vyšetřeno také 10 pacientů s minimální kognitivní poruchou (MCI), 10 pacientů s diabetes mellitus 2. typu (DM) a 10 pacientů s vysokým stupněm stenózy karotidy.

V současnosti nejvýznamnější klinickou metodou pro studium metabolismu mozku in vivo je pozitronová emisní tomografie (PET) využívající 18F-fluordeoxyglukózu (FDG). Velkou nevýhodou této metody je ionizující záření. Metoda založená na magnetické rezonanční spektroskopii (MRSI), nazývaná deuterium metabolic imaging (DMI), rozšiřuje možnosti MRSI nabízené technikami na bázi protonů a umožňuje zobrazování metabolismu glukózy in vivo bez ionizujícího záření. Jedinečnou vlastností DMI je, že na rozdíl od PET nemapuje pouze příjem glukózy, ale také následné produkty, jako je laktát, glutamát a glutamin, čímž nabízí možnost detekovat metabolické poruchy spojené se stárnutím a neurodegenerací.

Vzhledem k relativně nízké citlivosti DMI jsou nutná silná magnetická pole pro zvýšení poměru signálu k šumu (SNR) a umožnění DMI. Nedávno byl pro klinické použití schválen první komerčně dostupný MR-skener Ultra High Field (UHF) 7T, který je nyní k dispozici v Bernu, což zpřístupňuje DMI. Motivací výzkumníků je poskytnout neinvazivní, bez radiace, deuteriové a protonové MRSI metody umožňující metabolické studie mozku a položit základy pro dlouhodobé longitudinální pozorovací studie stárnutí; něco, co lze s PET jen stěží udělat kvůli radiační zátěži pro zdravé kontroly.

Cíle - Primárním cílem navrhovaného projektu je vytvořit 3D prostorově rozlišenou metodologii MRSI založenou na deuteriu (2H) a protonu (1H) pro studium metabolismu mozku a aplikovat tuto metodologii ve studii proveditelnosti in vivo. Pro doplnění DMI vědci zavedou UHF 3D-rozlišené spektrálně upravené mapování 1H-MRSI pro glukózu, kyselinu gama-aminomáselnou (GABA) a glutamát pomocí nedávno vyvinuté techniky výzkumníků nazvané SLOW.

Sekundárním cílem je vytvoření 3D prostorově rozlišeného referenčního atlasu metabolických informací mozku pro zdravé jedince. Atlas umožní prostorově rozlišenou analýzu metabolických informací jednotlivých pacientů s neurologickými poruchami jejich porovnáním s normativními daty pomocí abnormality odvozené od z-skóre. mapy.

Hypotézy - (a.) 3D-MRSI založené na mapování glukózy/glutamátu/laktátu pomocí DMI usnadňuje prostorově rozlišená kvantitativní srovnání mezi pacienty s AD a zdravými kontrolami pomocí map z-skóre; (b.) 1H-SLOW-editovaná MRSI glukózy/GABA a glutamátu usnadňuje prostorově rozlišená kvantitativní srovnání mezi pacienty s AD a zdravými kontrolami pomocí map z-skóre.

Metody – vyšetřovatelé budou (i.) přizpůsobit jejich UHF 1H-EPSI MRSI sekvenci pro DMI; (ii.) optimalizovat jejich 1H-SLOW-editovanou EPSI sekvenci zaměřenou na měření GABA, glutamátu a glukózy v celém mozku, spolu s metabolity N-acetyl-aspartát (NAA), cholin, kreatin a aspartát; (iii.) rozšířit svůj analytický nástroj spectrIm-QMRS o kvantifikaci a analýzu 3D-2H-metabolických datových souborů, (iv.) vypočítat všechny 3D-rozlišené 1H- a 2H-MRSI metabolické mapy a společně registrovat s 3D-anatomickými snímky s vysokým rozlišením; (v.) vyvinout metodologii pro generování metabolického atlasu normativních dat a provádět srovnání založená na z-skóre pomocí atlasu.

Význam – Je pravděpodobné, že trend k vyšší intenzitě pole v MRI bude i nadále zpřístupňovat DMI pro výzkum a klinické aplikace. UHF DMI a 1H-EPSI MRSI poskytnou neinvazivní způsob, jak kvantifikovat metabolismus mozku. DMI nabízí informace o metabolismu glukózy, zatímco 1H-SLOW o koncentracích glukózy, GABA a glutamátu. Navrhovaný přístup k analýze dat MRSI se zásadně liší od toho, který se v současnosti používá v klinické MRSI a umožnil by detekovat a zobrazit i jemné odchylky od normativní metabolické charakteristiky. Pokud by bylo úspěšné, UHF metabolické zobrazování by nabídlo modalitu bez radiace, kterou by bylo možné opakovaně použít u mladých a zdravých subjektů ke studiu stárnutí. Důležité je, že navrhované metody poskytnou hlubší vhled do bioenergetiky, konkrétně funkce mitochondrií, oxidativní fosforylace a využití alternativních paliv pro zásobování mozku energií, což jsou informace, které FDG-PET nemůže poskytnout. Kromě toho by srovnávací analýzy využívající normativní soubory dat usnadnily studium širokého spektra poruch s narušenou bioenergetikou mozku, například neurodegenerace, neurozánět, ale také nemoci nespecifické pro centrální nervový systém, jako je obezita a diabetes, všechny mající vysoký socioekonomický dopad.