Veränderungen der Desoxyhämoglobinkonzentration und Bildgebung der zerebralen Perfusion

Die Durchblutung des Gehirngewebes kann durch die Verfolgung eines Tracers durch das Gehirngefäßsystem untersucht werden. Derzeit ist hierfür eine Infusion des Kontrastmittels erforderlich. Bei der Entwicklung nicht-invasiver bildgebender Verfahren zur Beurteilung der Gewebeperfusion wurden jedoch Fortschritte erzielt. Die Magnetresonanztomographie (MRT) ist ein äußerst attraktiver bildgebender Ansatz, da sie nicht auf ionisierender Strahlung beruht und eine hohe räumliche Auflösung aufweist. Das übliche Kontrastmittel zur Untersuchung der Hirngewebeperfusion im MRT sind Kontrastmittel auf Gadoliniumbasis. Allerdings weisen diese Kontrastmittel tendenziell mehrere Nachteile auf, darunter Invasivität, Nierentoxizität, Gewebeansammlung und allergische Reaktionen. Wenn sie intravenös injiziert werden, verteilen sie sich stark in den Arterien, was eine komplexe Berechnung der arteriellen Eingangsfunktion erfordert. Obwohl sie überwiegend intravaskulär bleiben, neigen sie außerdem dazu, bei neurovaskulären Erkrankungen, bei denen die Blut-Hirn-Schranke zusammenbricht, was zu Messungenauigkeiten führt, extravasal zu diffundieren.

Kürzlich haben wir einen Weg gefunden, eine abrupte Änderung der Desoxyhämoglobinkonzentration [dHb] zu erzeugen, wenn das Blut die Lunge passiert, was zu einer präzisen und schnellen gezielten Änderung von [dHb] im arteriellen Blut führt. Wir gehen davon aus, dass solche Veränderungen des [dHb] als geeignetes MRT-Kontrastmittel zur Messung des zerebralen Blutflusses, des zerebralen Blutvolumens und der mittleren Transitzeit (CBF, CBV bzw. MTT) im Vergleich zu Gadolinium verwendet werden können. Falls geeignet, würde dOHb eine nicht-invasive, kostengünstige und sichere Alternative zur Perfusionsbildgebung darstellen.

Insgesamt werden 25 Patienten mit neurovaskulären Erkrankungen rekrutiert, die zur Gadolinium-Perfusionsbildgebung klinisch an die TWH Joint Department of Medical Imaging überwiesen werden. Vor der Bildgebungsstudie wird jeder Proband mit dem Versuchsaufbau zur Atemgaskontrolle vertraut gemacht. Eine Kunststoff-Gesichtsmaske und ein Atemschlauchsystem werden auf das Gesicht des Probanden aufgesetzt und mit medizinischem Klebeband luftdicht verschlossen. Die Gasversorgung der Maske und des Atemkreislaufs erfolgt über ein programmierbares computergesteuertes Gaszufuhrsystem (RespirAct™ RA-MR System, Thornhill Research Inc., Toronto, Kanada). Die Abfolge der Gasabgabe und der Veränderungen von PCO2 und PO2 wird angewendet, um die Versuchsperson mit den Empfindungen im Zusammenhang mit Veränderungen der Gase vertraut zu machen. Die Probanden werden dann auf dem Rücken in den MRT-Scanner gelegt. Zusätzlich zu den vorgeschriebenen klinischen Scans werden zwei zusätzliche Scans durchgeführt. Die zusätzlichen MRT-Scans umfassen: 1) eine strukturelle (anatomische) Sequenz (4.30 Minuten), gefolgt von 2) einer BOLD-EPI-Sequenz, während PO2-Änderungen induziert werden. Der PO2 wird 60 Sekunden lang auf einem Basiswert von 45–50 mmHg (Hämoglobin-O2-Sättigung, SaO2 ~75 %) gehalten. Für 10 s wird der Lungen-PO2 innerhalb eines Übergangs von 2 s vorübergehend auf einen PO2-Spitzenwert von 90–120 mmHg (Normoxie) angehoben, wobei ein SaO2 von ~100 % erreicht wird, und kehrt dann zum Ausgangswert zurück. Alternativ kann der Ausgangswert bei Normoxie liegen und die Gasprovokationen zielen auf einen PO2 von 45–50 mmHg ab. Insgesamt 4 solcher Beatmungsherausforderungen werden über einen Zeitraum von 6 Minuten unter Aufrechterhaltung der Normokapnie durchgeführt.

Während jedes PO2-Stimulus ändert sich das BOLD-Signal synchron und umgekehrt proportional zu [dOHb]. Eine arterielle Eingangsfunktion wird gemessen, indem arterielle, Gewebe- und venöse Voxel auf der Grundlage von Unterschieden in den [dOHb]-Bolusankunftszeiten, der Amplitude der Änderung und der Korrelation zu Änderungen in [dOHb] gemessen von [Hb] und der Berechnung von SaO2 vom Ende getrennt werden -Gezeiten-PO2. Arterielle Voxel, die ersten in der Sequenz von Strukturen, die den Bolus empfangen, werden gemittelt, um eine arterielle Eingangsfunktion zu erhalten, die mit dem Gewebesignal entfaltet wird. Es werden Gesamthirnkarten der relativen CBF, CBV und MTT erstellt. Die Durchschnittswerte der segmentierten grauen und weißen Substanz des gesamten Gehirns für diese Metriken werden berechnet und mit denselben Metrikwerten verglichen, die mithilfe der Gadolinium-Perfusionsbildgebung erhalten wurden.