Objektive Beurteilung einer Gehirnerschütterung mittels MRT und Metabolomics

Leichte traumatische Hirnverletzungen (mTBI) stellen aufgrund des Risikos kurz- und langfristiger Komplikationen ein großes Gesundheitsrisiko dar. Um die Auswirkungen eines Schädel-Hirn-Traumas (auch als Gehirnerschütterung bezeichnet) zu verstehen, haben Studien die physiologischen und kognitiven Auswirkungen von Gehirnerschütterungen auf das Gehirn von Jugend- und Hochschulsportlern untersucht. Basierend auf der athletischen Exposition (AE) ereignen sich die meisten Gehirnerschütterungen in der National Collegiate Athletics Association (NCAA) im Männer-Wrestling, im Männer- und Frauen-Eishockey, im Männer-Fußball und im Frauen-Fußball (Zuckerman et al. 2015). Schätzungen zufolge ereignen sich in den Vereinigten Staaten jährlich 300.000 sportbedingte Gehirnerschütterungen (SRC) bei Jugend- und Hochschulsportlern (Coronado et al. 2015; Gessel et al. 2007; Langlois et al. 2006; Thurman et al. 1998). . Eine SRC-Schätzung würde jedoch wahrscheinlich stark unterschätzt werden, da zu wenig gemeldet wird und keine medizinische Behandlung in Anspruch genommen wird (Karlin 2011; Kaut et al. 2003; Kerr et al. 2016; McCrea et al. 2004; Roozenbeek et al. 2013). Tatsächlich könnte die Zahl der jährlichen SRC-Ereignisse 1,6 bis 3,8 Millionen betragen (Langlois et al. 2006).

Hirnverletzungen werden basierend auf den vom Patienten berichteten Symptomen, kognitiven Beeinträchtigungen und strukturellen Schäden, die mithilfe medizinischer Bildgebung sichtbar gemacht werden, als leicht, mittelschwer oder schwer klassifiziert (Bodin et al. 2012; DeCuypere und Kilmo 2012; DeMatteo et al. 2010; Roozenbeek et al. 2013). Eine große Herausforderung bei der mTBI-Diagnose bestand darin, die Beurteilung zu standardisieren, die Prognose vorherzusagen und den Menschen die Möglichkeit zu geben, zur Arbeit oder zum Sport zurückzukehren. Um Patienten genauer diagnostizieren und behandeln zu können, benötigen Gesundheitsdienstleister ein besseres Verständnis darüber, wie das Gehirn akut betroffen ist und wann es in den Zustand vor der Gehirnerschütterung zurückkehrt. Aktuelle technologische Innovationen versprechen, die aktuellen Verhaltens- und psychologischen Beurteilungen zu ergänzen. Aktuelle Gehirnerschütterungs- und mTBI-Diagnosen basieren häufig auf Tests, die das sensorische Feedback, die mentale Wahrnehmung, die motorische Kontrolle und die Symptome nach einer Gehirnerschütterung eines Patienten bewerten (Bodin et al. 2012; DeCuypere und Klimo 2012).

Als Ergänzung zur Symptomverfolgung hat sich in der Forschung gezeigt, dass die Magnetresonanztomographie (MRT) ein unschätzbares Hilfsmittel bei Gehirnerschütterungen ist. Die Gesundheit der weißen Substanz des Gehirns kann anhand der relativistischen Form des Myelins, das die Axone umgibt, und der Diffusionsfähigkeit von Wasser entlang der Länge der Axone mithilfe einer MRT-Technik namens Diffusion Tensor Imaging (DTI) vorhergesagt werden (Asken et al. 2018; Jonkman). et al. 2015). Darüber hinaus kann die Funktion der grauen Substanz des Gehirns mithilfe der funktionellen Magnetresonanztomographie (fMRT) beurteilt werden, indem die paramagnetischen Unterschiede zwischen sauerstoffhaltigem und sauerstofffreiem Blut auf der Grundlage des Blood-Oxygen Level Dependent (BOLD)-Signals gemessen werden (Horn et al. 2014; Liu et al. 2018; Ogawa et al. 1990). Aktivierte Gehirnregionen weisen aufgrund von Magnetfeldinhomogenitäten, die durch Veränderungen des Blutvolumens, des Blutflusses und des lokalen Stoffwechsels verursacht werden, ein größeres BOLD-Signal auf (Ogawa et al. 1990). Ein fMRT kann zur Analyse von Aktivierungsmustern im Ruhezustand des Gehirns verwendet werden. Ein primäres Verbindungssystem ist das Default Mode Network (DMN) (Mak et al. 2017). Es wurde gezeigt, dass das DMN nach einer mTBI eine verminderte Aktivität aufweist (Bonnelle et al. 2011; Zhou et al. 2012).

Ein ernstes Problem im Zusammenhang mit Kopfverletzungen ist die Notwendigkeit einer Methode zur Diagnose von Sportlern unmittelbar nach der Verletzung. Das wachsende Interesse an der Nutzung der Metabolomik zur Entdeckung klinisch relevanter Biomarker im Zusammenhang mit leichter traumatischer Hirnverletzung (mTBI) könnte eine Lösung sein. Bisher stützten sich die meisten Studien jedoch ausschließlich auf Blutproben und/oder gezielte Metaboliten-Panels mit kleinen Kohorten von Patienten ohne ausreichende Replikation und die Validierung abweichender Stoffwechselveränderungen im Kreislauf bis hin zur unabhängigen MRT-basierten Bildgebung des Gehirns (Fiandaca et al. 2018; Orešič et al. 2016). Wir schlagen vor, eine Analyse von Nüchternspeichel- und Urinproben von mTBI-Patienten für eine umfassende Metabolitenprofilierung unter Verwendung der Hochdurchsatz-Multisegment-Injektions-Kapillarelektrophorese-Massenspektrometrie-Technologie (DiBattista et al. 2019; Yamamoto et al. 2019) einzubeziehen, was Folgendes ermöglicht schnelle, nicht gezielte Analyse polarer/hydrophiler Metaboliten sowie unpolarer/ionischer Lipide mit strenger Qualitätskontrolle (Azab et al. 2019).

Ziel dieser Studie ist es, die Genesung nach einer Gehirnerschütterung über einen Zeitraum von 6 Monaten mithilfe klinischer Standards für Gehirnerschütterungssymptome und objektiver MRT- und Metabolomik-Metriken zu verfolgen. Teilnehmer an einer Gehirnerschütterung absolvieren drei Studienbesuche: akut innerhalb von 2 Wochen nach einer Gehirnerschütterung, 3-Monats-Follow-up und 6-Monats-Follow-up. Die Teilnehmer werden von St. Joseph's Healthcare Hamilton und lokalen Sportorganisationen rekrutiert. Das Studienprotokoll wird für alle drei Studienbesuche identisch sein. Die Teilnehmer füllen die Post-Concussion Symptom Scale (PCSS) und die Depression Anxiety Stress Scale (DASS-42) aus, um das Vorhandensein und die selbstberichtete Schwere häufiger Post-Concussion-Symptome zu messen. Die MRT-Daten werden zur Messung der Gehirnfunktion (Ruhezustand-fMRT) und der mikrostrukturellen Eigenschaften (Diffusions-Tenor-Bildgebung) verwendet, während die Metabolomik anhand von Urin- und Speichelproben messen wird, ob Metaboliten nach der Gehirnerschütterung eine abnormale Präsenz oder Konzentration aufweisen. Diese quantitativen Methoden werden mit den subjektiven Gehirnerschütterungssymptomwerten verglichen, um festzustellen, ob Gehirn- und physiologische Anomalien nach dem Abklingen der Symptome bestehen bleiben und ob bestimmte Gehirnregionen häufiger von einer Gehirnerschütterung betroffen sind. Es wird angenommen, dass die Gehirnfunktion zu allen drei Zeitpunkten eine verringerte fraktale BOLD-Signalkomplexität und Netzwerkkonnektivität aufweisen wird (repräsentativ für gehirnerschütterungsbedingte Verletzungen) und dass eine Schädigung der weißen Substanz basierend auf der primären DTI-Metrik der fraktionalen Anisotropie vorliegt. Es wird auch angenommen, dass die Symptome nach einer Gehirnerschütterung bis zum dreimonatigen Nachuntersuchungsbesuch nach eigenen Angaben als abgeklungen oder nahezu abgeklungen sind.