Valutazione obiettiva della commozione cerebrale mediante risonanza magnetica e metabolomica

Le lesioni cerebrali traumatiche lievi (mTBI) rappresentano un grave problema di salute a causa del rischio di complicanze a breve e lungo termine. Per comprendere gli effetti di un trauma cranico (noto anche come commozione cerebrale), gli studi hanno esaminato l'impatto fisiologico e cognitivo delle commozioni cerebrali sul cervello dei giovani e degli atleti collegiali. Sulla base dell'esposizione atletica (AE), la maggior parte delle commozioni cerebrali nella National Collegiate Athletics Association (NCAA) si verificano nel wrestling maschile, nell'hockey su ghiaccio maschile e femminile, nel calcio maschile e nel calcio femminile (Zuckerman et al. 2015). È stato stimato che 300.000 commozioni cerebrali sportive (SRC) si verificano ogni anno negli Stati Uniti tra giovani e atleti universitari (Coronado et al. 2015; Gessel et al. 2007; Langlois et al. 2006; Thurman et al. 1998) . Tuttavia, una stima SRC sarebbe probabilmente gravemente sottostimata a causa della sottostima e della mancata ricerca di cure mediche (Karlin 2011; Kaut et al. 2003; Kerr et al. 2016; McCrea et al. 2004; Roozenbeek et al. 2013). In realtà, il numero di SRC annuali potrebbe essere compreso tra 1,6 e 3,8 milioni di occorrenze (Langlois et al. 2006).

Le lesioni cerebrali sono classificate come lievi, moderate o gravi in ​​base ai sintomi riferiti dal paziente, al deterioramento cognitivo e al danno strutturale visualizzati mediante imaging medico (Bodin et al. 2012; DeCuypere e Kilmo 2012; DeMatteo et al. 2010; Roozenbeek et al. 2013). Una delle principali sfide per la diagnosi di mTBI è stata la standardizzazione della valutazione, la previsione della prognosi e l'autorizzazione a tornare al lavoro o allo sport. Al fine di diagnosticare e curare i pazienti in modo più accurato, gli operatori sanitari richiedono una migliore comprensione di come il cervello viene colpito in modo acuto e la tempistica per quando ritorna a uno stato pre-commozione cerebrale. Le recenti innovazioni tecnologiche mostrano la promessa di integrare le attuali valutazioni comportamentali e psicologiche. L'attuale diagnosi di commozione cerebrale e mTBI si basa spesso su test che valutano il feedback sensoriale, la cognizione mentale, il controllo motorio e i sintomi post-commozione del paziente (Bodin et al. 2012; DeCuypere e Klimo 2012).

Per integrare il monitoraggio dei sintomi, la ricerca ha dimostrato che la risonanza magnetica per immagini (MRI) è uno strumento inestimabile per la commozione cerebrale. La salute della sostanza bianca del cervello può essere prevista in base alla forma relativistica della mielina che circonda gli assoni e alla diffusività dell'acqua lungo la lunghezza degli assoni utilizzando una tecnica di risonanza magnetica chiamata imaging del tensore di diffusione (DTI) (Asken et al. 2018; Jonkman et al., 2015). Inoltre, la funzione della materia grigia del cervello può essere valutata utilizzando la risonanza magnetica funzionale (fMRI) misurando le differenze paramagnetiche tra sangue ossigenato e deossigenato, sulla base del segnale dipendente dal livello di ossigeno nel sangue (BOLD) (Horn et al. 2014; Liu et al.2018; Ogawa et al.1990). Le regioni cerebrali attivate hanno un segnale BOLD maggiore a causa delle disomogeneità del campo magnetico causate dai cambiamenti nel volume sanguigno, nel flusso sanguigno e nel metabolismo locale (Ogawa et al. 1990). Un fMRI può essere utilizzato per analizzare i modelli di attivazione dello stato di riposo del cervello, un sistema connettivo primario è il Default Mode Network (DMN) (Mak et al. 2017). È stato dimostrato che il DMN ha un'attività ridotta a seguito di un mTBI (Bonnelle et al. 2011; Zhou et al. 2012).

Un problema serio che circonda le lesioni alla testa è la necessità di un metodo per diagnosticare gli atleti immediatamente dopo l'infortunio. Il crescente interesse nell'utilizzo della metabolomica per la scoperta di biomarcatori clinicamente rilevanti associati a lesioni cerebrali traumatiche lievi (mTBI) potrebbe essere una soluzione. Tuttavia, la maggior parte degli studi fino ad oggi si è basata esclusivamente su campioni di sangue e/o pannelli di metaboliti mirati che coinvolgono piccole coorti di pazienti senza un'adeguata replicazione e la convalida dei cambiamenti metabolici aberranti in circolazione all'imaging cerebrale indipendente basato su MRI (Fiandaca et al. 2018; Orešič et al., 2016). Proponiamo di includere un'analisi di campioni di saliva e urina a digiuno da pazienti con mTBI per una profilazione completa dei metaboliti utilizzando la tecnologia ad iniezione multi-segmento-elettroforesi capillare-spettrometria di massa ad alto rendimento (DiBattista et al. 2019; Yamamoto et al. 2019), che consente di analisi rapida non mirata di metaboliti polari/idrofili, nonché lipidi non polari/ionici con severi controlli di qualità (Azab et al. 2019).

Questo studio mira a monitorare il recupero della commozione cerebrale nell'arco di 6 mesi utilizzando gli standard clinici dei sintomi della commozione cerebrale e la risonanza magnetica oggettiva e le metriche metabolomiche. I partecipanti alla commozione cerebrale completeranno tre visite di studio: acutamente entro 2 settimane da una commozione cerebrale, follow-up di 3 mesi e follow-up di 6 mesi. I partecipanti saranno reclutati dal St. Joseph's Healthcare Hamilton e dalle organizzazioni atletiche locali. Il protocollo di studio sarà identico per tutte e tre le visite di studio. I partecipanti completeranno la scala dei sintomi post-commozione cerebrale (PCSS) e la scala dello stress da ansia da depressione (DASS-42) per misurare la presenza e la gravità auto-riportata dei comuni sintomi post-commozione cerebrale. I dati della risonanza magnetica saranno utilizzati per misurare la funzione cerebrale (fMRI dello stato di riposo) e le proprietà microstrutturali (imaging del tenore di diffusione), mentre la metabolomica misurerà se i metaboliti hanno presenza o concentrazione anomala dopo la commozione cerebrale sulla base di campioni di urina e saliva. Questi metodi quantitativi saranno confrontati con i punteggi soggettivi dei sintomi della commozione cerebrale per identificare se le anomalie cerebrali e fisiologiche persistono oltre la risoluzione dei sintomi e se alcune regioni del cervello sono più frequentemente colpite dalla commozione cerebrale. Si ipotizza che in tutti e tre i punti temporali in cui la funzione cerebrale avrà ridotto la complessità frattale del segnale BOLD e la connettività di rete (rappresentativa delle lesioni correlate alla commozione cerebrale) e saranno presenti danni alla sostanza bianca in base alla metrica DTI primaria dell'anisotropia frazionaria. Si ipotizza inoltre che i sintomi post-commozione cerebrale saranno auto-riportati come risolti o quasi risolti entro la visita di studio di follow-up di 3 mesi.