Objektiv hjernerystelsesvurdering ved hjælp af MR og Metabolomics

Milde traumatiske hjerneskader (mTBI) er et stort sundhedsproblem på grund af risikoen for kort- og langsigtede komplikationer. For at forstå virkningerne af en TBI (også kaldet hjernerystelse) har undersøgelser undersøgt den fysiologiske og kognitive indvirkning af hjernerystelse på hjernen hos unge og kollegiale atleter. Baseret på atletisk eksponering (AE) forekommer de fleste hjernerystelser i National Collegiate Athletics Association (NCAA) i mænds wrestling, mænds og kvinders ishockey, mænds fodbold og kvinders fodbold (Zuckerman et al. 2015). Det er blevet anslået, at 300 000 sportsrelaterede hjernerystelser (SRC) forekommer årligt i USA blandt unge og kollegiale atleter (Coronado et al. 2015; Gessel et al. 2007; Langlois et al. 2006; Thurman et al. 1998) . Et SRC-estimat vil dog sandsynligvis blive kraftigt undervurderet på grund af underrapportering og manglende opsøgelse af medicinsk behandling (Karlin 2011; Kaut et al. 2003; Kerr et al. 2016; McCrea et al. 2004; Roozenbeek et al. 2013). I virkeligheden kan antallet af årlige SRC være så højt som 1,6 til 3,8 millioner forekomster (Langlois et al. 2006).

Hjerneskader klassificeres som milde, moderate eller svære baseret på patientrapporterede symptomer, kognitiv svækkelse og strukturel skade visualiseret ved hjælp af medicinsk billeddannelse (Bodin et al. 2012; DeCuypere og Kilmo 2012; DeMatteo et al. 2010; Roozenbeek et al. 2013). En stor udfordring for mTBI-diagnose har været at standardisere vurdering, forudsige prognoser og få folk til at vende tilbage til arbejde eller sport. For mere præcist at diagnosticere og behandle patienter kræver sundhedsudbydere en bedre forståelse af, hvordan hjernen påvirkes akut, og tidslinjen for, hvornår den vender tilbage til en tilstand før hjernerystelse. Nylige teknologiske innovationer viser løfte om at supplere de nuværende adfærdsmæssige og psykologiske vurderinger. Nuværende hjernerystelse og mTBI-diagnose er ofte baseret på tests, der vurderer en patients sensoriske feedback, mentale kognition, motoriske kontrol og symptomer efter hjernerystelse (Bodin et al. 2012; DeCuypere og Klimo 2012).

For at supplere symptomsporing har magnetisk resonansbilleddannelse (MRI) i forskning vist sig at være et uvurderligt hjernerystelsesværktøj. Sundheden af ​​hvidt stof i hjernen kan forudsiges baseret på den relativistiske form af myelin omkring axoner og diffusiviteten af ​​vand langs længden af ​​axonerne ved at bruge en MR-teknik kaldet diffusion tensor imaging (DTI) (Asken et al. 2018; Jonkman et al. 2015). Derudover kan funktionen af ​​hjernegrå stof vurderes ved hjælp af funktionel magnetisk resonansbilleddannelse (fMRI) ved at måle de paramagnetiske forskelle mellem iltet og deoxygeneret blod, baseret på Blood-Oxygen Level Dependent (BOLD) signalet (Horn et al. 2014; Liu et al. 2018; Ogawa et al. 1990). Aktiverede hjerneregioner har et større BOLD-signal på grund af magnetfeltinhomogeniteter forårsaget af ændringer i blodvolumen, blodgennemstrømning og lokal metabolisme (Ogawa et al. 1990). En fMRI kan bruges til at analysere hjernens hviletilstandsaktiveringsmønstre, et primært forbindelsessystem er Default Mode Network (DMN) (Mak et al. 2017). DMN har vist sig at have nedsat aktivitet efter en mTBI (Bonnelle et al. 2011; Zhou et al. 2012).

Et alvorligt problem omkring hovedskader er behovet for en metode til at diagnosticere atleter umiddelbart efter skaden. Den stigende interesse for at bruge metabolomics til opdagelsen af ​​klinisk relevante biomarkører forbundet med mild traumatisk hjerneskade (mTBI) kunne være en løsning. De fleste undersøgelser til dato har dog udelukkende baseret sig på blodprøver og/eller målrettede metabolitpaneler, der involverer små kohorter af patienter uden tilstrækkelig replikation, og validering af afvigende metaboliske ændringer i kredsløbet til uafhængig MRI-baseret hjernebilleddannelse (Fiandaca et al. 2018; Orešič). et al. 2016). Vi foreslår at inkludere en analyse af fastende spyt- og urinprøver fra mTBI-patienter med henblik på omfattende metabolitprofilering ved hjælp af højkapacitets multi-segment injektion-kapillær elektroforese-massespektrometriteknologi (DiBattista et al. 2019; Yamamoto et al. 2019), som giver mulighed for hurtig ikke-målrettet analyse af polære/hydrofile metabolitter, samt ikke-polære/ioniske lipider med stringent kvalitetskontrol (Azab et al. 2019).

Denne undersøgelse sigter mod at spore genopretning af hjernerystelse over 6 måneder ved hjælp af kliniske standarder for hjernerystelsessymptomer og objektive MR- og metabolomiske metrikker. Hjernerystelsesdeltagere vil gennemføre tre studiebesøg: akut inden for 2 uger efter en hjernerystelse, 3-måneders opfølgning og 6-måneders opfølgning. Deltagerne vil blive rekrutteret fra St. Joseph's Healthcare Hamilton og lokale atletiske organisationer. Studieprotokollen vil være identisk for alle tre studiebesøg. Deltagerne vil gennemføre Post-Concussion Symptom Scale (PCSS) og Depression Anxiety Stress Scale (DASS-42) for at måle tilstedeværelsen og selvrapporteret sværhedsgrad af almindelige post-hjernerystelse symptomer. MR-dataene vil blive brugt til at måle hjernefunktion (hviletilstand fMRI) og mikrostrukturelle egenskaber (diffusionstenorbilleddannelse), mens metabolomikken vil måle, om metabolitter har unormal tilstedeværelse eller koncentration efter hjernerystelse baseret på urin- og spytprøver. Disse kvantitative metoder vil blive sammenlignet med de subjektive hjernerystelsessymptomer for at identificere, om hjerne- og fysiologiske abnormiteter fortsætter efter symptomopløsning, og om visse hjerneregioner oftere påvirkes af hjernerystelse. Det antages, at på tværs af alle tre tidspunkter vil hjernefunktionen have nedsat BOLD-signal fraktal kompleksitet og netværksforbindelse (repræsentativt for hjernerystelse-relaterede skader), og skade på hvidt stof vil være til stede baseret på den primære DTI-metrik for fraktioneret anisotropi. Det er også en hypotese, at symptomer efter hjernerystelse vil blive selvrapporteret som løst eller næsten løst ved det 3-måneders opfølgende studiebesøg.