Kombination von multiparametrischer MRT und Elektrophysiologie zur Entwicklung neuer Biomarker bei Rückenmarkserkrankungen (SPINE2)

Das Rückenmark ist ein häufiger Ort für die Entwicklung mehrerer neurodegenerativer neurologischer Erkrankungen (spinale Muskelatrophie oder SMA, amyotrophe Lateralsklerose oder ALS, X-chromosomale spinale bulbäre Muskelatrophie oder SBMA). In unterschiedlichen Anteilen beinhalten diese Erkrankungen den Verlust von Axonen in großen Funiculi der weißen Substanz der Wirbelsäule, ihre Demyelinisierung und den Verlust von motorischen Neuronen oder Motoneuronen des ventralen Horns der grauen Substanz der Wirbelsäule. Das Fehlen spezifischer Biomarker dieser makro- und mikroskopischen Wirbelsäulenschäden erschwert die Differentialdiagnose und Überwachung dieser Erkrankungen.

Techniken zur nicht-invasiven Erforschung des menschlichen Zentralnervensystems, wie Magnetresonanztomographie (MRT) und Elektrophysiologie, sind potenzielle Werkzeuge, um spezifische Biomarker von Wirbelsäulenschäden zu extrahieren. Aus technischen (spezielle Antennen), anatomischen (Größe des Rückenmarks, Wirbel) und physiologischen Gründen (kardio-respiratorische Bewegungen) sind bildgebende Verfahren auf spinaler Ebene jedoch noch wenig entwickelt. Die jüngsten Fortschritte auf dem Gebiet der Bildgebung des Rückenmarks ermöglichten es jedoch, quantitative Daten zu Neuronenverlust, axonaler Degeneration und Demyelinisierung bei verschiedenen Wirbelsäulenpathologien zu extrahieren, ob degenerativ (ALS oder SMA) oder traumatisch (SCI). Es wurden Korrelationen mit klinischen Daten gefunden, und bei ALS-Patienten verliefen die Änderungen der MRT-Metriken im Laufe der Zeit parallel zur funktionellen Verschlechterung. Die elektrophysiologischen Techniken werden seit langem verwendet und führen zu einer guten Kenntnis der Neurophysiologie des menschlichen Rückenmarks. Darüber hinaus liefert die Elektrophysiologie indirekt Daten im mikroskopischen Maßstab, die Informationen über die Erregbarkeit spinaler neuronaler Netzwerke liefern und eine Schätzung der Anzahl funktionsfähiger Neuronen liefern.

Durch die Kombination dieser Techniken zur Untersuchung des menschlichen Rückenmarks in vivo ist das Ziel, neue Biomarker zu extrahieren, die als Studienmodelle Rückenmarkserkrankungen verwenden, die die weiße und die graue Substanz unterschiedlich betreffen (SMA, SBMA und ALS).

Zunächst werden neue Methoden der Diffusions-MRT und Modellierung an gesunden Probanden durchgeführt, um die axonale Dichte und den Durchmesser der Fasern in der weißen Substanz zu beurteilen. Die anatomische Bildgebung T2 misst die geometrischen Parameter des Rückenmarks, wie z. B. seine Oberfläche und/oder sein Volumen auf einer gegebenen Wirbelhöhe. Dank der Bildgebung werden wir über Methoden der Segmentierung und Bildverarbeitung einen Atlas des Rückenmarks erstellen, der es ermöglicht, die Spinalatrophie bei Patienten räumlich zu lokalisieren. Nach dieser Validierungsphase wird eine Studie an Patienten durchgeführt, bei der diese neuen MRT-Techniken zusätzlich zu den bereits im Labor entwickelten Verfahren eingesetzt werden. Der Beitrag der Elektrophysiologie wird darin bestehen, die mikroskopischen Schäden genauer zu beurteilen. Quantitative Daten aus Bildgebung und Elektrophysiologie werden mit klinischen Daten korreliert, um die relevantesten Biomarker zu extrahieren.

Dieses Projekt hat daher ein methodologisches Interesse, indem es die Entwicklung neuer Methoden zur Beurteilung des menschlichen Rückenmarks sowohl auf makroskopischer als auch auf mikroskopischer Ebene vorschlägt. Diese Methoden basieren auf der Entwicklung von Techniken, die auf Wirbelsäulenebene entwickelt wurden und die bereits auf menschliche Pathologien anwendbar sind. Die originelle Kombination von Bildgebung und Elektrophysiologie wird es uns auch ermöglichen, das menschliche Rückenmark sowohl anatomisch als auch funktionell weiter zu analysieren. Dieses Projekt hat einen wichtigen klinischen Wert für die Extraktion von Biomarkern bei Krankheiten, bei denen ein ungedeckter Bedarf an Diagnose, Überwachung, Prognose und Bewertung neuer Therapien besteht.