Objektiv hjernerystelsesvurdering ved bruk av MR og Metabolomics

Milde traumatiske hjerneskader (mTBI) er et stort helseproblem på grunn av risikoen for kort- og langsiktige komplikasjoner. For å forstå effekten av en TBI (også referert til som hjernerystelse), har studier undersøkt den fysiologiske og kognitive effekten av hjernerystelse på hjernen til ungdom og kollegiale idrettsutøvere. Basert på atletisk eksponering (AE), forekommer de fleste hjernerystelsene i National Collegiate Athletics Association (NCAA) i bryting for menn, ishockey for menn og kvinner, fotball for menn og fotball for kvinner (Zuckerman et al. 2015). Det er anslått at 300 000 sportsrelaterte hjernerystelser (SRC) forekommer årlig i USA blant ungdom og kollegiale idrettsutøvere (Coronado et al. 2015; Gessel et al. 2007; Langlois et al. 2006; Thurman et al. 1998) . Imidlertid vil et SRC-estimat sannsynligvis bli kraftig undervurdert på grunn av underrapportering og manglende oppsøking av medisinsk behandling (Karlin 2011; Kaut et al. 2003; Kerr et al. 2016; McCrea et al. 2004; Roozenbeek et al. 2013). I virkeligheten kan antallet årlige SRC være så høyt som 1,6 til 3,8 millioner forekomster (Langlois et al. 2006).

Hjerneskader klassifiseres som milde, moderate eller alvorlige basert på pasientrapporterte symptomer, kognitiv svikt og strukturell skade visualisert ved hjelp av medisinsk bildediagnostikk (Bodin et al. 2012; DeCuypere og Kilmo 2012; DeMatteo et al. 2010; Roozenbeek et al. 2013). En stor utfordring for mTBI-diagnose har vært å standardisere vurdering, forutsi prognose og få folk tilbake til jobb eller sport. For å kunne diagnostisere og behandle pasienter mer nøyaktig, krever helsepersonell en bedre forståelse av hvordan hjernen påvirkes akutt, og tidslinjen for når den går tilbake til en tilstand før hjernerystelse. Nyere teknologiske innovasjoner viser løfte om å supplere dagens atferdsmessige og psykologiske vurderinger. Nåværende hjernerystelse og mTBI-diagnose er ofte basert på tester som vurderer en pasients sensoriske tilbakemelding, mentale kognisjon, motoriske kontroll og symptomer etter hjernerystelse (Bodin et al. 2012; DeCuypere og Klimo 2012).

For å supplere symptomsporing, har magnetisk resonansavbildning (MRI) vist seg i forskning å være et uvurderlig hjernerystelsesverktøy. Helsen til hvit substans i hjernen kan forutsies basert på den relativistiske formen til myelinet som omgir aksonene og diffusiviteten til vann langs lengden av aksonene ved å bruke en MR-teknikk kalt diffusjonstensor imaging (DTI) (Asken et al. 2018; Jonkman et al. 2015). I tillegg kan funksjonen til hjernegrå substans vurderes ved hjelp av funksjonell magnetisk resonansavbildning (fMRI) ved å måle de paramagnetiske forskjellene mellom oksygenert og deoksygenert blod, basert på Blood-Oxygen Level Dependent (BOLD) signalet (Horn et al. 2014; Liu et al. 2018; Ogawa et al. 1990). Aktiverte hjerneregioner har et større FET-signal på grunn av magnetfeltinhomogeniteter forårsaket av endringer i blodvolum, blodstrøm og lokal metabolisme (Ogawa et al. 1990). En fMRI kan brukes til å analysere hjernens hviletilstandsaktiveringsmønstre, et primært koblingssystem er Default Mode Network (DMN) (Mak et al. 2017). DMN har vist seg å ha redusert aktivitet etter en mTBI (Bonnelle et al. 2011; Zhou et al. 2012).

Et alvorlig problem rundt hodeskader er behovet for en metode for å diagnostisere idrettsutøvere umiddelbart etter skaden. Den økende interessen for å bruke metabolomikk for å oppdage klinisk relevante biomarkører assosiert med mild traumatisk hjerneskade (mTBI) kan være en løsning. Imidlertid har de fleste studier hittil utelukkende basert seg på blodprøver og/eller målrettede metabolittpaneler som involverer små pasientkohorter uten adekvat replikasjon, og validering av avvikende metabolske endringer i sirkulasjonen til uavhengig MR-basert hjerneavbildning (Fiandaca et al. 2018; Orešič). et al. 2016). Vi foreslår å inkludere en analyse av fastende spytt- og urinprøver fra mTBI-pasienter for omfattende metabolittprofilering ved bruk av høykapasitets multi-segment injeksjon-kapillær elektroforese-massespektrometri-teknologi (DiBattista et al. 2019; Yamamoto et al. 2019), som gir mulighet for rask ikke-målrettet analyse av polare/hydrofile metabolitter, samt ikke-polare/ioniske lipider med streng kvalitetskontroll (Azab et al. 2019).

Denne studien tar sikte på å spore utvinning av hjernerystelse over 6 måneder ved å bruke kliniske standarder for hjernerystelsessymptomer og objektive MR- og metabolomiske beregninger. Hjernerystelsesdeltakere vil gjennomføre tre studiebesøk: akutt innen 2 uker etter hjernerystelse, 3 måneders oppfølging og 6 måneders oppfølging. Deltakerne vil bli rekruttert fra St. Joseph's Healthcare Hamilton og lokale atletiske organisasjoner. Studieprotokollen vil være identisk for alle tre studiebesøkene. Deltakerne vil fullføre Post-hjernerystelse Symptom Scale (PCSS) og Depression Anxiety Stress Scale (DASS-42) for å måle tilstedeværelsen og selvrapportert alvorlighetsgrad av vanlige post-hjernerystelse symptomer. MR-dataene vil bli brukt til å måle hjernefunksjon (fMRI i hviletilstand) og mikrostrukturelle egenskaper (diffusjonstenoravbildning), mens metabolomikken vil måle om metabolitter har unormal tilstedeværelse eller konsentrasjon etter hjernerystelse basert på urin- og spyttprøver. Disse kvantitative metodene vil bli sammenlignet med de subjektive hjernerystelsessymptomene for å identifisere om hjerne- og fysiologiske abnormiteter vedvarer etter symptomoppløsning, og om visse hjerneregioner oftere påvirkes av hjernerystelse. Det antas at på tvers av alle tre tidspunktene vil hjernefunksjonen ha redusert BOLD signal fraktal kompleksitet og nettverkstilkobling (representativt for hjernerystelsesrelaterte skader), og skade på hvit substans vil være tilstede basert på den primære DTI-metrikken for fraksjonell anisotropi. Det er også en hypotese om at symptomer etter hjernerystelse vil bli selvrapportert som løst eller nesten løst ved det 3-måneders oppfølgingsstudiebesøket.