Objektiivinen aivotärähdyksen arviointi MRI:n ja aineenvaihdunnan avulla

Lievät traumaattiset aivovammat (mTBI) ovat suuri terveysongelma lyhyt- ja pitkäaikaisten komplikaatioiden riskin vuoksi. Ymmärtääkseen TBI:n (kutsutaan myös aivotärähdyksenä) vaikutuksia tutkimuksissa on tutkittu aivotärähdyksen fysiologista ja kognitiivista vaikutusta nuorten ja korkeakouluurheilijoiden aivoihin. Athletic-altistukseen (AE) perustuen eniten aivotärähdyksiä National Collegiate Athletics Associationissa (NCAA) tapahtuu miesten painissa, miesten ja naisten jääkiekossa, miesten jalkapallossa ja naisten jalkapallossa (Zuckerman et al. 2015). On arvioitu, että Yhdysvalloissa tapahtuu vuosittain 300 000 urheiluun liittyvää aivotärähdystä (SRC) nuorten ja korkeakouluikäisten urheilijoiden keskuudessa (Coronado ym. 2015; Gessel ym. 2007; Langlois ym. 2006; Thurman ym. 1998). . SRC-arvio olisi kuitenkin todennäköisesti aliarvioitu aliraportoinnin ja lääkinnälliseen hoitoon hakeutumatta jättämisen vuoksi (Karlin 2011; Kaut ym. 2003; Kerr ym. 2016; McCrea ym. 2004; Roozenbeek ym. 2013). Todellisuudessa vuotuisten SRC-tapausten määrä voi olla jopa 1,6–3,8 miljoonaa (Langlois et al. 2006).

Aivovammat luokitellaan lieviksi, keskivaikeiksi tai vakaviksi potilaan raportoimien oireiden, kognitiivisten heikentymien ja lääketieteellisellä kuvantamisella visualisoitujen rakenteellisten vaurioiden perusteella (Bodin ym. 2012; DeCuypere ja Kilmo 2012; DeMatteo ym. 2010; Roozenbeek ym. 2013). MTBI-diagnoosin suuri haaste on ollut arvioinnin standardoiminen, ennusteen ennustaminen ja ihmisten palauttaminen työhön tai urheiluun. Potilaiden tarkempaa diagnosointia ja hoitoa varten terveydenhuollon tarjoajat tarvitsevat parempaa ymmärrystä siitä, miten aivot vaikuttavat akuutisti, ja aikajanan, jolloin se palaa aivotärähdystä edeltävään tilaan. Viimeaikaiset teknologiset innovaatiot lupaavat täydentää nykyisiä käyttäytymis- ja psykologisia arvioita. Nykyinen aivotärähdys ja mTBI-diagnoosi perustuvat usein testeihin, jotka arvioivat potilaan sensorista palautetta, henkistä kognitiota, motorista hallintaa ja aivotärähdyksen jälkeisiä oireita (Bodin ym. 2012; DeCuypere ja Klimo 2012).

Magneettiresonanssikuvauksen (MRI) on tutkimuksissa osoitettu olevan korvaamaton aivotärähdyksen väline täydentämään oireiden seurantaa. Aivojen valkoisen aineen terveyttä voidaan ennustaa aksoneja ympäröivän myeliinin relativistisen muodon ja veden diffuusion perusteella aksonien pituudella käyttämällä MRI-tekniikkaa, jota kutsutaan diffuusiotensorikuvaukseksi (DTI) (Asken et al. 2018; Jonkman). et al. 2015). Lisäksi aivojen harmaan aineen toimintaa voidaan arvioida funktionaalisella magneettikuvauksella (fMRI) mittaamalla paramagneettisia eroja hapetetun ja happivapaan veren välillä, perustuen Blood-Oxygen Level Dependent (BOLD) -signaaliin (Horn et al. 2014; Liu ym. 2018; Ogawa ym. 1990). Aktivoiduilla aivoalueilla on suurempi BOLD-signaali magneettikentän epähomogeenisuuksien vuoksi, jotka johtuvat veren tilavuuden, verenvirtauksen ja paikallisen aineenvaihdunnan muutoksista (Ogawa et al. 1990). FMRI:tä voidaan käyttää aivojen lepotilan aktivaatiomallien analysointiin. Ensisijainen yhteysjärjestelmä on Default Mode Network (DMN) (Mak et al. 2017). DMN:n on osoitettu vähentäneen aktiivisuutta mTBI:n jälkeen (Bonnelle ym. 2011; Zhou et al. 2012).

Päävammoihin liittyvä vakava ongelma on menetelmän tarve diagnosoida urheilijat välittömästi vamman jälkeen. Kasvava kiinnostus metabolomiikan käyttämiseen lievään traumaattiseen aivovaurioon (mTBI) liittyvien kliinisesti merkityksellisten biomarkkerien löytämiseen voisi olla ratkaisu. Useimmat tähän mennessä tehdyt tutkimukset ovat kuitenkin luottaneet yksinomaan verinäytteihin ja/tai kohdennettuihin metaboliittipaneeleihin, joissa on mukana pieniä potilasryhmiä ilman riittävää replikaatiota, ja verenkierron poikkeavien metabolisten muutosten validointia riippumattomaan MRI-pohjaiseen aivokuvaukseen (Fiandaca et al. 2018; Orešič et al. 2016). Ehdotamme, että sisällytetään mTBI-potilaiden paastosylki- ja virtsanäytteiden analyysi kattavaa metaboliitin profilointia varten käyttämällä korkean suorituskyvyn monisegmentistä injektio-kapillaarielektroforeesi-massaspektrometriatekniikkaa (DiBattista ym. 2019; Yamamoto et al. 2019), joka mahdollistaa Polaaristen/hydrofiilisten metaboliittien sekä ei-polaaristen/ionisten lipidien nopea ei-kohdennettu analyysi tiukalla laadunvalvonnalla (Azab et al. 2019).

Tämän tutkimuksen tavoitteena on seurata aivotärähdyksen toipumista 6 kuukauden ajan käyttämällä aivotärähdyksen oireiden kliinisiä standardeja sekä objektiivisia MRI- ja metabolomiikan mittareita. Aivotärähdyksen osallistujat suorittavat kolme opintokäyntiä: akuutti 2 viikon sisällä aivotärähdyksestä, 3 kuukauden seuranta ja 6 kuukauden seuranta. Osallistujat rekrytoidaan St. Joseph's Healthcare Hamiltonista ja paikallisista urheilujärjestöistä. Tutkimusprotokolla on sama kaikille kolmelle opintokäynnille. Osallistujat suorittavat aivotärähdyksen jälkeisten oireiden asteikon (PCSS) ja masennuksen ahdistuneisuusstressiasteikon (DASS-42) mittaakseen yleisten aivotärähdyksen jälkeisten oireiden esiintymisen ja itse ilmoittaman vakavuuden. MRI-tietoja käytetään aivojen toiminnan (lepotilan fMRI) ja mikrorakenteen ominaisuuksien mittaamiseen (diffuusiotenorikuvaus), kun taas metabolomiikka mittaa, onko metaboliiteilla aivotärähdyksen jälkeen epänormaalia läsnäoloa tai pitoisuutta virtsa- ja sylkinäytteiden perusteella. Näitä kvantitatiivisia menetelmiä verrataan subjektiivisiin aivotärähdyksen oirepisteisiin sen tunnistamiseksi, jatkuvatko aivot ja fysiologiset poikkeavuudet oireiden häviämisen jälkeen ja ovatko aivotärähdet useammin vaikuttaneet tiettyihin aivoalueisiin. Oletuksena on, että kaikissa kolmessa aikapisteessä aivojen toiminnalla on vähentynyt BOLD-signaalin fraktaali monimutkaisuus ja verkkoyhteys (edustaa aivotärähdyksestä aiheutuvia vammoja) ja valkoisen aineen vaurioita esiintyy murto-anisotropian ensisijaisen DTI-metriikan perusteella. On myös oletettu, että aivotärähdyksen jälkeiset oireet raportoidaan itse parantuneiksi tai melkein parantuneiksi kolmen kuukauden seurantatutkimuskäynnillä.