Monitorowanie metabolizmu mózgu przy użyciu technik MR protonowych i deuterowych (SIGNATURES2023)

Wprowadzenie – Starzenie się ludności świata jest coraz częściej uznawane za kluczowe wyzwanie społeczne. Jednak narzędzia umożliwiające prowadzenie wysokiej jakości badań metabolicznych dotyczących starzenia się mózgu są bardzo ograniczone.

Proponowane badanie skupi się na metodach oceny zmian metabolicznych w mózgu zachodzących podczas starzenia się oraz u 10 pacjentów z chorobą Alzheimera (AD). Oprócz AD zbadanych zostanie także 10 pacjentów z minimalnymi zaburzeniami poznawczymi (MCI), 10 pacjentów z cukrzycą typu 2 (DM) i 10 pacjentów ze zwężeniem tętnicy szyjnej dużego stopnia.

Obecnie najbardziej znaną metodą kliniczną badania metabolizmu mózgu in vivo jest pozytronowa tomografia emisyjna (PET) z wykorzystaniem 18F-fluorodeoksyglukozy (FDG). Główną wadą tej metody jest promieniowanie jonizujące. Metoda oparta na obrazowaniu spektroskopowym rezonansu magnetycznego (MRSI), zwana obrazowaniem metabolicznym deuteru (DMI), rozszerza możliwości MRSI oferowane przez techniki oparte na protonach i umożliwia obrazowanie metabolizmu glukozy in vivo bez promieniowania jonizującego. Unikalną cechą DMI jest to, że w przeciwieństwie do PET, mapuje on nie tylko wychwyt glukozy, ale także produkty uboczne, takie jak mleczan, glutaminian i glutamina, oferując w ten sposób możliwość wykrycia zaburzeń metabolicznych związanych ze starzeniem się i neurodegeneracją.

Ze względu na stosunkowo niską czułość DMI, aby zwiększyć stosunek sygnału do szumu (SNR) i umożliwić DMI, wymagane są silne pola magnetyczne. Niedawno pierwszy dostępny na rynku skaner MR Ultra High Field (UHF) 7T został dopuszczony do użytku klinicznego i jest obecnie dostępny w Bernie, dzięki czemu DMI jest dostępne. Motywacją badaczy jest opracowanie nieinwazyjnych, wolnych od promieniowania metod MRSI opartych na deuterze i protonach, umożliwiających badania metaboliczne mózgu i położenie podwalin pod długoterminowe, podłużne badania obserwacyjne starzenia się; coś, czego prawie nie da się zrobić w przypadku PET ze względu na obciążenie promieniowaniem zdrowych kontroli.

Cele - Głównym celem proponowanego projektu jest ustalenie trójwymiarowej, przestrzennej metodyki MRSI opartej na deuterze (2H) i protonach (1H) do badań metabolizmu mózgu i zastosowanie tej metodologii w badaniu wykonalności in vivo. Aby uzupełnić DMI, badacze opracują mapowanie 1H-MRSI z rozdzielczością UHF w rozdzielczości 3D, edytowane widmowo dla glukozy, kwasu gamma-aminomasłowego (GABA) i glutaminianu, korzystając z niedawno opracowanej przez badaczy techniki zwanej SLOW.

Celem drugorzędnym jest stworzenie trójwymiarowego atlasu referencyjnego informacji metabolicznych mózgu zdrowych osób w rozdzielczości 3D. Atlas umożliwi przestrzenną analizę informacji metabolicznych poszczególnych pacjentów z zaburzeniami neurologicznymi poprzez porównanie ich z danymi normatywnymi przy użyciu nieprawidłowości wyprowadzonych z-score mapy.

Hipotezy - (a.) Mapowanie glukozy/glutaminianu/mleczanu oparte na 3D-MRSI przy użyciu DMI ułatwia przestrzennie rozdzielone porównania ilościowe pomiędzy pacjentami z AD i zdrową grupą kontrolną przy użyciu map z-score; (b.) Edytowany 1H-SLOW MRSI glukozy/GABA i glutaminianu ułatwia przestrzennie rozdzielone porównania ilościowe pomiędzy pacjentami z AD i zdrowymi kontrolami przy użyciu map z-score.

Metody – badacze będą (i.) dostosować sekwencję UHF 1H-EPSI MRSI do DMI; (ii.) zoptymalizować sekwencję EPSI edytowaną za pomocą 1H-SLOW, mając na celu pomiar w całym mózgu GABA, edycję glutaminianu i glukozy, wraz z metabolitami N-acetyloasparaginianem (NAA), choliną, kreatyną i asparaginianem; (iii.) rozszerzyć swoje narzędzie analityczne specrIm-QMRS w celu ilościowego określenia i analizy zbiorów danych metabolicznych 3D-2H, (iv.) obliczyć wszystkie mapy metaboliczne 1H- i 2H-MRSI w rozdzielczości 3D oraz współrejestrować z trójwymiarowymi obrazami anatomicznymi 3D o wysokiej rozdzielczości; (v.) opracować metodologię generowania atlasu metabolicznego danych normatywnych i przeprowadzać porównania w oparciu o wynik z przy użyciu atlasu.

Znaczenie – Jest prawdopodobne, że tendencja do zwiększania natężenia pola w MRI będzie nadal sprawiać, że DMI będzie coraz bardziej dostępna do zastosowań badawczych i klinicznych. UHF DMI i 1H-EPSI MRSI zapewnią nieinwazyjną metodę ilościowej oceny metabolizmu mózgu. DMI dostarcza informacji na temat metabolizmu glukozy, natomiast 1H-SLOW na temat stężenia glukozy, GABA i glutaminianu. Proponowane podejście do analizy danych MRSI zasadniczo różni się od tego stosowanego obecnie w klinicznych MRSI i pozwala wykryć i wyświetlić nawet subtelne odchylenia od normatywnych cech metabolicznych. Jeśli obrazowanie metaboliczne UHF zakończy się sukcesem, będzie to metoda wolna od promieniowania, którą można będzie wielokrotnie stosować u młodych i zdrowych osób w badaniu starzenia się. Co ważne, proponowane metody zapewnią głębszy wgląd w bioenergetykę, w szczególności funkcję mitochondriów, fosforylację oksydacyjną i wykorzystanie paliw alternatywnych do dostarczania energii mózgowi, a jest to informacja, której FDG-PET nie może dostarczyć. Co więcej, analizy porównawcze z wykorzystaniem normatywnych zbiorów danych ułatwiłyby badania szerokiego spektrum zaburzeń z upośledzoną bioenergetyką mózgu, na przykład neurodegeneracji, zapalenia układu nerwowego, ale także chorób niespecyficznych dla ośrodkowego układu nerwowego, takich jak otyłość i cukrzyca, a wszystkie one mają duży wpływ społeczno-ekonomiczny.