Monitoring van hersenmetabolieten met behulp van proton- en deuterium MR-technieken (SIGNATURES2023)

Inleiding - De vergrijzing van de wereldbevolking wordt steeds meer erkend als een cruciale maatschappelijke uitdaging. Toch zijn de hulpmiddelen om kwalitatief hoogstaand metabolisch onderzoek naar veroudering van de hersenen uit te voeren zeer beperkt.

De voorgestelde studie zal zich richten op methoden om metabolische hersenveranderingen te beoordelen die optreden tijdens het ouder worden, evenals bij 10 patiënten met de ziekte van Alzheimer (AD). Naast AD zullen ook 10 patiënten met minimale cognitieve stoornissen (MCI), 10 patiënten met diabetes mellitus type 2 (DM) en 10 patiënten met ernstige halsslagaderstenose worden onderzocht.

De momenteel meest prominente klinische methode om het hersenmetabolisme in vivo te bestuderen, is Positron Emissie Tomografie (PET) met behulp van 18F-fluordeoxyglucose (FDG). Een groot nadeel van deze methode is de ioniserende straling. Een op magnetische resonantie spectroscopische beeldvorming (MRSI) gebaseerde methode, deuterium metabolische beeldvorming (DMI) genoemd, breidt de MRSI-mogelijkheden uit die worden geboden door op protonen gebaseerde technieken en maakt in vivo beeldvorming van het glucosemetabolisme mogelijk zonder ioniserende straling. Een uniek kenmerk van DMI is dat het, in tegenstelling tot PET, niet alleen de opname van glucose in kaart brengt, maar ook stroomafwaartse producten zoals lactaat, glutamaat en glutamine, waardoor het de mogelijkheid biedt om metabolische stoornissen op te sporen die verband houden met veroudering en neurodegeneratie.

Vanwege de relatief lage gevoeligheid van DMI zijn sterke magnetische velden vereist om de signaal-ruisverhouding (SNR) te vergroten en DMI mogelijk te maken. Onlangs werd de eerste commercieel verkrijgbare Ultra High Field (UHF) 7T MR-scanner goedgekeurd voor klinisch gebruik en is nu beschikbaar in Bern, waardoor DMI toegankelijk wordt. De motivatie van de onderzoekers is om niet-invasieve, stralingsvrije, op deuterium en protonen gebaseerde MRSI-methoden te bieden die metabolische studies van de hersenen mogelijk maken en de basis leggen voor langdurige longitudinale observationele studies van veroudering; iets wat met PET nauwelijks mogelijk is vanwege de stralingsbelasting voor gezonde controles.

Doelstellingen - Het primaire doel van het voorgestelde project is het vaststellen van een 3D ruimtelijk opgeloste deuterium (2H) en proton (1H) gebaseerde MRSI-methodologie voor onderzoek naar het hersenmetabolisme en het toepassen van deze methodologie in een in vivo haalbaarheidsstudie. Als aanvulling op DMI zullen de onderzoekers UHF 3D-opgeloste spectraal-bewerkte 1H-MRSI-kaarten voor glucose, gamma-aminoboterzuur (GABA) en glutamaat opstellen met behulp van de recent ontwikkelde techniek van de onderzoekers, genaamd SLOW.

Het secundaire doel is het creëren van een ruimtelijk opgeloste 3D-referentieatlas van metabolische informatie van de hersenen voor gezonde individuen. De atlas zal een ruimtelijk opgeloste analyse mogelijk maken van metabolische informatie van individuele patiënten met neurologische aandoeningen door deze te vergelijken met normatieve gegevens met behulp van van de z-score afgeleide afwijkingen. kaarten.

Hypotheses - (a.) Op 3D-MRSI gebaseerde glucose/glutamaat/lactaat-mapping met behulp van DMI vergemakkelijkt ruimtelijk opgeloste kwantitatieve vergelijkingen tussen AD-patiënten en gezonde controles met behulp van z-score-kaarten; (b.) 1H-SLOW-bewerkte MRSI van glucose/GABA en glutamaat vergemakkelijkt ruimtelijk opgeloste kwantitatieve vergelijkingen tussen AD-patiënten en gezonde controles met behulp van z-score-kaarten.

Methoden - de onderzoekers zullen (i.) hun UHF 1H-EPSI MRSI-sequentie aanpassen voor DMI; (ii.) het optimaliseren van hun 1H-SLOW-bewerkte EPSI-sequentie gericht op het meten van GABA, glutamaat en glucose in het hele brein, samen met de metabolieten N-acetyl-aspartaat (NAA), choline, creatine en aspartaat; (iii.) hun spectrIm-QMRS-analytische tool uitbreiden om 3D-2H-metabolische datasets te kwantificeren en analyseren, (iv.) alle 3D-opgeloste 1H- en 2H-MRSI-metabolische kaarten te berekenen en te co-registreren met 3D-anatomische beelden met hoge resolutie; (v.) methodologie ontwikkelen om metabolische atlas van normatieve gegevens te genereren en op z-score gebaseerde vergelijkingen uit te voeren met behulp van de atlas.

Betekenis - Het is waarschijnlijk dat de trend naar hogere veldsterkte bij MRI ervoor zal zorgen dat DMI steeds meer beschikbaar zal worden voor onderzoek en klinische toepassingen. UHF DMI en 1H-EPSI MRSI zullen een niet-invasieve manier bieden om het hersenmetabolisme te kwantificeren. DMI biedt informatie over het glucosemetabolisme, terwijl 1H-SLOW informatie geeft over glucose-, GABA- en glutamaatconcentraties. De voorgestelde aanpak voor de analyse van MRSI-gegevens verschilt fundamenteel van de aanpak die momenteel wordt toegepast bij klinische MRSI en zou het mogelijk maken om zelfs subtiele variaties van normatieve metabolische kenmerken te detecteren en weer te geven. Indien succesvol zou UHF-metabolische beeldvorming een stralingsvrije modaliteit bieden, die herhaaldelijk zou kunnen worden toegepast bij jonge en gezonde proefpersonen om veroudering te bestuderen. Belangrijk is dat de voorgestelde methoden diepere inzichten zullen verschaffen in de bio-energetica, met name de mitochondriale functie, oxidatieve fosforylering en het gebruik van alternatieve brandstoffen voor de energievoorziening van de hersenen, informatie die FDG-PET niet kan bieden. Bovendien zouden vergelijkende analyses waarbij gebruik wordt gemaakt van normatieve datasets studies vergemakkelijken van het brede spectrum van aandoeningen met verminderde bio-energetica van de hersenen, bijvoorbeeld neurodegeneratie, neuro-inflammatie maar ook ziekten die niet specifiek zijn voor het centrale zenuwstelsel, zoals obesitas en diabetes, die allemaal een hoge sociaal-economische impact hebben.