Objectieve hersenschudding met behulp van MRI en metabolomica

Licht traumatisch hersenletsel (mTBI) is een groot gezondheidsrisico vanwege het risico op complicaties op korte en lange termijn. Om de effecten van een TBI (ook wel een hersenschudding genoemd) te begrijpen, hebben studies de fysiologische en cognitieve impact van hersenschuddingen op de hersenen van jeugdige en collegiale atleten onderzocht. Gebaseerd op atletische blootstelling (AE), komen de meeste hersenschuddingen in de National Collegiate Athletics Association (NCAA) voor bij herenworstelen, heren- en damesijshockey, herenvoetbal en damesvoetbal (Zuckerman et al. 2015). Geschat wordt dat er in de Verenigde Staten jaarlijks 300.000 sportgerelateerde hersenschuddingen (SRC) optreden onder jeugdige en collegiale atleten (Coronado et al. 2015; Gessel et al. 2007; Langlois et al. 2006; Thurman et al. 1998) . Een SRC-schatting zou echter waarschijnlijk schromelijk worden onderschat vanwege onderrapportage en het niet zoeken naar medische hulp (Karlin 2011; Kaut et al. 2003; Kerr et al. 2016; McCrea et al. 2004; Roozenbeek et al. 2013). In werkelijkheid zou het aantal jaarlijkse SRC's kunnen oplopen tot 1,6 tot 3,8 miljoen voorvallen (Langlois et al. 2006).

Hersenletsel wordt geclassificeerd als licht, matig of ernstig op basis van door de patiënt gemelde symptomen, cognitieve stoornissen en structurele schade die met behulp van medische beeldvorming worden gevisualiseerd (Bodin et al. 2012; DeCuypere en Kilmo 2012; DeMatteo et al. 2010; Roozenbeek et al. 2013). Een grote uitdaging voor mTBI-diagnose was het standaardiseren van beoordelingen, het voorspellen van prognoses en het vrijmaken van mensen om weer aan het werk of te gaan sporten. Om patiënten nauwkeuriger te kunnen diagnosticeren en behandelen, hebben zorgverleners een beter begrip nodig van hoe de hersenen acuut worden aangetast, en de tijdlijn voor wanneer het terugkeert naar een pre-hersenschudding. Recente technologische innovaties zijn veelbelovend om de huidige gedrags- en psychologische beoordelingen aan te vullen. De huidige hersenschudding en mTBI-diagnose zijn vaak gebaseerd op tests die de sensorische feedback, mentale cognitie, motorische controle en post-hersenschuddingsymptomen van een patiënt beoordelen (Bodin et al. 2012; DeCuypere en Klimo 2012).

Als aanvulling op het volgen van symptomen, is in onderzoek aangetoond dat magnetische resonantie beeldvorming (MRI) een onschatbare hersenschudding is. De gezondheid van de witte stof in de hersenen kan worden voorspeld op basis van de relativistische vorm van de myeline rondom axonen en de diffusie van water over de lengte van de axonen door gebruik te maken van een MRI-techniek genaamd diffusie tensor beeldvorming (DTI) (Asken et al. 2018; Jonkman e.a. 2015). Daarnaast kan de functie van grijze hersenmassa worden beoordeeld met behulp van functionele magnetische resonantiebeeldvorming (fMRI) door de paramagnetische verschillen tussen zuurstofrijk en zuurstofarm bloed te meten, op basis van het Blood-Oxygen Level Dependent (BOLD) -signaal (Horn et al. 2014; Liu et al. 2018; Ogawa et al. 1990). Geactiveerde hersengebieden hebben een groter BOLD-signaal als gevolg van inhomogeniteiten in het magnetische veld die worden veroorzaakt door veranderingen in het bloedvolume, de bloedstroom en het lokale metabolisme (Ogawa et al. 1990). Een fMRI kan worden gebruikt om activeringspatronen van de hersenrusttoestand te analyseren. Een primair verbindingssysteem is het Default Mode Network (DMN) (Mak et al. 2017). Er is aangetoond dat de DMN verminderde activiteit heeft na een mTBI (Bonnelle et al. 2011; Zhou et al. 2012).

Een ernstig probleem rond hoofdletsel is de behoefte aan een methode om atleten onmiddellijk na het letsel te diagnosticeren. De groeiende belangstelling voor het gebruik van metabolomics voor de ontdekking van klinisch relevante biomarkers geassocieerd met licht traumatisch hersenletsel (mTBI) zou een oplossing kunnen zijn. De meeste onderzoeken tot nu toe waren echter uitsluitend gebaseerd op bloedmonsters en/of gerichte metabolietpanels waarbij kleine patiëntencohorten betrokken waren zonder adequate replicatie, en validatie van afwijkende metabolische veranderingen in de bloedsomloop naar onafhankelijke MRI-gebaseerde beeldvorming van de hersenen (Fiandaca et al. 2018; Orešič e.a. 2016). We stellen voor om een ​​analyse op te nemen van nuchtere speeksel- en urinespecimens van mTBI-patiënten voor uitgebreide metabolietprofilering met behulp van high-throughput multi-segment injectie-capillaire elektroforese-massaspectrometrietechnologie (DiBattista et al. 2019; Yamamoto et al. 2019), waarmee snelle niet-gerichte analyse van polaire/hydrofiele metabolieten, evenals niet-polaire/ionische lipiden met strikte kwaliteitscontrole (Azab et al. 2019).

Deze studie heeft tot doel het herstel van een hersenschudding gedurende 6 maanden te volgen met behulp van klinische normen van hersenschuddingsymptomen en objectieve MRI- en metabolomics-statistieken. Hersenschudding deelnemers zullen drie studiebezoeken afleggen: acuut binnen 2 weken na een hersenschudding, 3 maanden follow-up en 6 maanden follow-up. Deelnemers zullen worden gerekruteerd uit St. Joseph's Healthcare Hamilton en lokale atletiekorganisaties. Het studieprotocol zal voor alle drie de studiebezoeken identiek zijn. Deelnemers vullen de Post-Concussion Symptom Scale (PCSS) en Depression Anxiety Stress Scale (DASS-42) in om de aanwezigheid en zelfgerapporteerde ernst van veelvoorkomende post-hersenschuddingsymptomen te meten. De MRI-gegevens zullen worden gebruikt om de hersenfunctie (fMRI in rusttoestand) en microstructurele eigenschappen (diffusion tenor imaging) te meten, terwijl de metabolomics zullen meten of metabolieten een abnormale aanwezigheid of concentratie hebben na een hersenschudding op basis van urine- en speekselmonsters. Deze kwantitatieve methoden zullen worden vergeleken met de subjectieve hersenschuddingsymptoomscores om vast te stellen of hersen- en fysiologische afwijkingen aanhouden na het verdwijnen van de symptomen, en of bepaalde hersengebieden vaker door hersenschudding worden aangetast. Er wordt verondersteld dat op alle drie de tijdstippen de hersenfunctie een verminderde BOLD-signaalfractale complexiteit en netwerkconnectiviteit (representatief voor hersenschudding-gerelateerde verwondingen) zal hebben, en dat er wittestofschade aanwezig zal zijn op basis van de primaire DTI-metriek van fractionele anisotropie. Er wordt ook verondersteld dat de symptomen na de hersenschudding zelf gerapporteerd zullen worden als opgelost of bijna opgelost door het 3 maanden durende follow-up studiebezoek.