Overvåking av hjernemetabolitter ved hjelp av proton- og deuterium-MR-teknikker (SIGNATURES2023)

Innledning - Aldring av verdens befolkning blir i økende grad anerkjent som en avgjørende samfunnsutfordring. Likevel er verktøy for å utføre høykvalitets metabolsk forskning på aldring av hjernen svært begrenset.

Den foreslåtte studien vil fokusere på metoder for å vurdere metabolske hjerneforandringer som oppstår under aldring samt hos 10 pasienter med Alzheimers sykdom (AD). Foruten AD vil også 10 pasienter med minimal kognitiv svikt (MCI), 10 pasienter med diabetes mellitus type 2 (DM) og 10 pasienter med høygradig carotisstenose bli undersøkt.

Den for tiden mest fremtredende kliniske metoden for å studere hjernemetabolisme in vivo, er Positron Emission Tomography (PET) ved bruk av 18F-fluordeoksyglukose (FDG). En stor ulempe med denne metoden er ioniserende stråling. En magnetisk resonansspektroskopisk avbildning (MRSI)-basert metode, kalt deuterium metabolic imaging (DMI), utvider MRSI-funksjonene som tilbys av protonbaserte teknikker og muliggjør in vivo glukosemetabolismeavbildning uten ioniserende stråling. En unik egenskap ved DMI er at den, i motsetning til PET, ikke bare kartlegger glukoseopptak, men også nedstrømsprodukter som laktat, glutamat og glutamin, og gir dermed muligheten til å oppdage metabolske forstyrrelser assosiert med aldring og nevrodegenerasjon.

På grunn av den relativt lave følsomheten til DMI, kreves det sterke magnetiske felt for å øke signal/støyforholdet (SNR) og aktivere DMI. Nylig ble den første kommersielt tilgjengelige Ultra High Field (UHF) 7T MR-skanneren godkjent for klinisk bruk og er nå tilgjengelig i Bern, noe som gjør DMI tilgjengelig. Etterforskernes motivasjon er å tilby ikke-invasive, strålingsfrie, deuterium- og protonbaserte MRSI-metoder som muliggjør metabolske studier av hjernen og legger grunnlaget for langsiktige longitudinelle observasjonsstudier av aldring; noe som vanskelig lar seg gjøre med PET på grunn av strålingsbelastningen for friske kontroller.

Mål - Hovedmålet med det foreslåtte prosjektet er å etablere 3D romlig løst deuterium (2H) og proton (1H) basert MRSI metodikk for studier av hjernemetabolisme og anvende denne metodikken i en in vivo mulighetsstudie. For å komplementere DMI vil etterforskerne etablere UHF 3D-oppløst spektralredigert 1H-MRSI-kartlegging for glukose, gamma-aminosmørsyre (GABA) og glutamat ved å bruke etterforskernes nylig utviklede teknikk kalt SLOW.

Det sekundære målet er å lage 3D romlig løst referanseatlas av metabolsk informasjon om hjernen for friske individer. Atlaset vil tillate romlig løst analyse av metabolsk informasjon om individuelle pasienter med nevrologiske lidelser ved å sammenligne dem med normative data ved å bruke z-score avledet abnormitet kart.

Hypoteser - (a.) 3D-MRSI-basert glukose/glutamat/laktatkartlegging ved bruk av DMI letter romlig løste kvantitative sammenligninger mellom AD-pasienter og friske kontroller ved bruk av z-score kart; (b.) 1H-SLOW-redigert MRSI av glukose/GABA og glutamat letter romlig løste kvantitative sammenligninger mellom AD-pasienter og friske kontroller ved å bruke z-score kart.

Metoder – etterforskerne vil (i.) tilpasse deres UHF 1H-EPSI MRSI-sekvens for DMI; (ii.) optimalisere deres 1H-SLOW-redigerte EPSI-sekvens med sikte på helhjernemåling av GABA, glutamat og glukoseredigering, sammen med metabolittene N-acetyl-aspartat (NAA), kolin, kreatin og aspartat; (iii.) utvide deres spectrIm-QMRS analytiske verktøy for å kvantifisere og analysere 3D-2H-metabolske datasett, (iv.) beregne alle 3D-oppløste 1H- og 2H-MRSI metabolske kart og samregistrere med høyoppløselige 3D-anatomiske bilder; (v.) utvikle metodikk for å generere metabolsk atlas av normative data og utføre z-score baserte sammenligninger ved å bruke atlaset.

Betydning - Det er sannsynlig at trenden til høyere feltstyrke i MR vil fortsette å gjøre DMI stadig mer tilgjengelig for forskning og kliniske applikasjoner. UHF DMI og 1H-EPSI MRSI vil gi en ikke-invasiv måte å kvantifisere hjernens metabolisme. DMI gir informasjon om glukosemetabolisme, mens 1H-SLOW på glukose-, GABA- og glutamatkonsentrasjoner. Den foreslåtte tilnærmingen til MRSI-dataanalyse er fundamentalt forskjellig fra den som for tiden brukes i klinisk MRSI og vil tillate å oppdage og vise selv subtile variasjoner fra normative metabolske egenskaper. Hvis det lykkes, vil UHF metabolsk avbildning tilby en strålingsfri modalitet, som kan brukes gjentatte ganger hos unge og friske forsøkspersoner for å studere aldring. Viktigere er at de foreslåtte metodene vil gi dypere innsikt i bioenergetikk, spesielt mitokondriell funksjon, oksidativ fosforylering og bruk av alternative brensler for hjerneenergiforsyning, informasjon som FDG-PET ikke kan gi. Dessuten vil komparative analyser ved bruk av normative datasett lette studier av det brede spekteret av lidelser med svekket hjernebioenergetikk, for eksempel nevrodegenerasjon, nevroinflammasjon, men også sykdommer som ikke er spesifikke for sentralnervesystemet som fedme og diabetes, som alle har en høy sosioøkonomisk innvirkning.