Aivojen aineenvaihduntatuotteiden seuranta protoni- ja deuterium-MR-tekniikoilla (SIGNATURES2023)

Johdanto - Maailman väestön ikääntyminen tunnustetaan yhä enemmän ratkaisevana yhteiskunnallisena haasteena. Työkaluja korkealaatuisen aivojen ikääntymisen aineenvaihduntatutkimuksen tekemiseen on kuitenkin hyvin rajalliset.

Ehdotettu tutkimus keskittyy menetelmiin arvioida ikääntymisen aikana tapahtuvia metabolisia aivomuutoksia sekä 10 Alzheimerin tautia (AD) sairastavaa potilasta. AD:n lisäksi tutkitaan 10 potilasta, joilla on minimaalinen kognitiivinen vajaatoiminta (MCI), 10 tyypin 2 diabetes mellitus (DM) ja 10 potilasta, joilla on korkea kaulavaltimon ahtauma.

Tällä hetkellä merkittävin kliininen menetelmä tutkia aivojen aineenvaihduntaa in vivo on positroniemissiotomografia (PET), jossa käytetään 18F-fluorodeoksiglukoosia (FDG). Tämän menetelmän suuri haittapuoli on ionisoiva säteily. Magneettiresonanssispektroskooppiseen kuvantamiseen (MRSI) perustuva menetelmä, nimeltään deuterium metabolic imaging (DMI) laajentaa protonipohjaisten tekniikoiden tarjoamia MRSI-ominaisuuksia ja mahdollistaa glukoosiaineenvaihdunnan kuvantamisen in vivo ilman ionisoivaa säteilyä. DMI:n ainutlaatuinen piirre on, että toisin kuin PET, se ei ainoastaan ​​kartoita glukoosin ottoa, vaan myös loppupään tuotteita, kuten laktaattia, glutamaattia ja glutamiinia, tarjoten siten mahdollisuuden havaita ikääntymiseen ja hermoston rappeutumiseen liittyvät aineenvaihduntahäiriöt.

DMI:n suhteellisen alhaisen herkkyyden vuoksi tarvitaan voimakkaita magneettikenttiä signaali-kohinasuhteen (SNR) lisäämiseksi ja DMI:n mahdollistamiseksi. Äskettäin ensimmäinen kaupallisesti saatavilla oleva Ultra High Field (UHF) 7T MR-skanneri hyväksyttiin kliiniseen käyttöön, ja se on nyt saatavilla Bernissä, joten DMI on käytettävissä. Tutkijoiden motiivina on tarjota ei-invasiivisia, säteilyvapaita, deuterium- ja protonipohjaisia ​​MRSI-menetelmiä, jotka mahdollistavat aivojen aineenvaihduntatutkimukset ja luovat pohjan pitkäaikaisille ikääntymisen pitkittäishavaintotutkimuksille; jotain, jota tuskin voi tehdä PET:llä terveiden kontrollien säteilytaakan vuoksi.

Tavoitteet - Ehdotetun projektin ensisijainen tavoite on luoda kolmiulotteinen spatiaalisesti erottuva deuterium (2H) ja protoni (1H) MRSI-metodologia aivojen aineenvaihdunnan tutkimuksiin ja soveltaa tätä metodologiaa in vivo toteutettavuustutkimuksessa. DMI:n täydennykseksi tutkijat luovat UHF 3D -resoluutiolla spektrisesti muokatun 1H-MRSI-kartoituksen glukoosille, gamma-aminovoihapolle (GABA) ja glutamaatille käyttämällä tutkijoiden äskettäin kehitettyä SLOW-tekniikkaa.

Toissijaisena tavoitteena on luoda kolmiulotteinen spatiaalisesti erottuva vertailukartasto aivojen aineenvaihduntatiedoista terveille henkilöille. Atlas mahdollistaa yksittäisten neurologisista häiriöistä kärsivien potilaiden aineenvaihduntatietojen spatiaalisesti erotetun analyysin vertaamalla niitä normatiivisiin tietoihin käyttämällä z-pisteistä johdettua poikkeavuutta. kartat.

Hypoteesit - (a.) 3D-MRSI-pohjainen glukoosi/glutamaatti/laktaatti-kartoitus DMI:tä käyttämällä helpottaa AD-potilaiden ja terveiden kontrollien spatiaalisesti selvitettyjä kvantitatiivisia vertailuja käyttämällä z-pistekarttoja; (b.) Glukoosin/GABA:n ja glutamaatin 1H-SLOW-muokattu MRSI helpottaa alueellisesti erotettavia kvantitatiivisia vertailuja AD-potilaiden ja terveiden kontrollien välillä käyttämällä z-pistekarttoja.

Menetelmät – tutkijat (i.) sovittaa niiden UHF 1H-EPSI MRSI -sekvenssinsä DMI:lle; (ii.) optimoida 1H-SLOW-muokattu EPSI-sekvenssi, jonka tavoitteena on GABA:n, glutamaatin ja glukoosin editoinnin koko aivomittaus yhdessä metaboliittien N-asetyyliaspartaatin (NAA), koliinin, kreatiinin ja aspartaatin kanssa; (iii.) laajentaa spektriIm-QMRS-analyyttistä työkaluaan 3D-2H-aineenvaihduntaaineistojen kvantifiointiin ja analysoimiseen, (iv.) laskea kaikki 3D-resoluutioiset 1H- ja 2H-MRSI-aineenvaihduntakartat ja rekisteröityä yhdessä korkearesoluutioisten 3D-anatomisten kuvien kanssa; (v.) kehittää metodologiaa normatiivisten tietojen metabolisen kartaston luomiseksi ja suorittaa z-pisteisiin perustuvia vertailuja atlasen avulla.

Merkitys - On todennäköistä, että suuntaus magneettikuvauksen kentänvoimakkuuden kasvuun tekee DMI:stä yhä enemmän saatavilla tutkimukseen ja kliinisiin sovelluksiin. UHF DMI ja 1H-EPSI MRSI tarjoavat ei-invasiivisen tavan mitata aivojen aineenvaihduntaa. DMI tarjoaa tietoa glukoosin aineenvaihdunnasta, kun taas 1H-SLOW glukoosi-, GABA- ja glutamaattipitoisuuksista. Ehdotettu lähestymistapa MRSI-tietojen analysointiin eroaa pohjimmiltaan kliinisessä MRSI:ssä nykyisin sovellettavasta lähestymistavasta, ja se mahdollistaisi jopa pientenkin vaihtelujen havaitsemisen ja näyttämisen normatiivisista metabolisista ominaisuuksista. Jos UHF-aineenvaihduntakuvaus onnistuu, se tarjoaisi säteilyttömän modaalin, jota voitaisiin toistuvasti soveltaa nuorilla ja terveillä koehenkilöillä ikääntymisen tutkimiseen. Tärkeää on, että ehdotetut menetelmät antavat syvempiä näkemyksiä bioenergetiikasta, erityisesti mitokondrioiden toiminnasta, oksidatiivisesta fosforylaatiosta ja vaihtoehtoisten polttoaineiden käytöstä aivoenergian tuottamiseen. Tietoa, jota FDG-PET ei voi tarjota. Lisäksi vertailevat analyysit, joissa hyödynnetään normatiivisia aineistoja, helpottaisivat laajan kirjon sairauksia, joissa aivojen bioenergetiikka on heikentynyt, kuten hermoston rappeuma, hermostotulehdus, mutta myös keskushermostolle epäspesifiset sairaudet, kuten liikalihavuus ja diabetes, joilla kaikilla on suuri sosioekonominen vaikutus.