Мониторинг метаболитов головного мозга с использованием протонных и дейтериевых методов МР (SIGNATURES2023)

Введение. Старение населения мира все чаще признается как важнейшая социальная проблема. Тем не менее, инструменты для проведения высококачественных метаболических исследований старения мозга очень ограничены.

Предлагаемое исследование будет сосредоточено на методах оценки метаболических изменений мозга, происходящих с возрастом, а также у 10 пациентов с болезнью Альцгеймера (БА). Помимо АД, будут обследованы 10 пациентов с минимальными когнитивными нарушениями (МКИ), 10 пациентов с сахарным диабетом 2 типа (СД) и 10 пациентов со стенозом сонных артерий высокой степени.

В настоящее время наиболее известным клиническим методом изучения метаболизма головного мозга in vivo является позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ) с использованием 18F-фтордезоксиглюкозы (ФДГ). Главным недостатком этого метода является ионизирующее излучение. Метод на основе магнитно-резонансной спектроскопии (MRSI), называемый метаболической визуализацией дейтерия (DMI), расширяет возможности MRSI, предлагаемые протонными методами, и позволяет визуализировать метаболизм глюкозы in vivo без ионизирующего излучения. Уникальной особенностью DMI является то, что, в отличие от ПЭТ, он не только отображает поглощение глюкозы, но и последующие продукты, такие как лактат, глутамат и глютамин, тем самым предлагая возможность обнаруживать метаболические нарушения, связанные со старением и нейродегенерацией.

Из-за относительно низкой чувствительности DMI для увеличения отношения сигнал/шум (SNR) и включения DMI необходимы сильные магнитные поля. Недавно первый коммерчески доступный МР-сканер Ultra High Field (UHF) 7T был одобрен для клинического использования и теперь доступен в Берне, что делает DMI доступным. Мотивация исследователей состоит в том, чтобы предоставить неинвазивные, безрадиационные методы MRSI на основе дейтерия и протонов, позволяющие проводить метаболические исследования мозга и заложить основу для долгосрочных наблюдательных исследований старения; то, что вряд ли можно сделать с помощью ПЭТ из-за радиационной нагрузки на здоровых людей.

Цели. Основной целью предлагаемого проекта является создание трехмерной методологии MRSI с пространственным разрешением на основе дейтерия (2H) и протонов (1H) для изучения метаболизма мозга и применение этой методологии в технико-экономическом обосновании in vivo. В дополнение к DMI исследователи создадут спектрально-редактированное 1H-MRSI-картирование с УВЧ-3D-разрешением для глюкозы, гамма-аминомасляной кислоты (ГАМК) и глутамата, используя недавно разработанный исследователями метод под названием SLOW.

Вторичной целью является создание трехмерного эталонного атласа метаболической информации головного мозга с пространственным разрешением для здоровых людей. Атлас позволит анализировать метаболическую информацию отдельных пациентов с неврологическими расстройствами с пространственным разрешением путем сравнения их с нормативными данными с использованием аномалий, полученных по z-показателю. карты.

Гипотезы - (а) Картирование глюкозы/глутамата/лактата на основе 3D-MRSI с использованием DMI облегчает количественные сравнения с пространственным разрешением между пациентами с AD и здоровыми людьми из контрольной группы с использованием карт z-показателей; (b.) MRSI глюкозы/ГАМК и глутамата, отредактированный с помощью 1H-SLOW, облегчает количественные сравнения с пространственным разрешением между пациентами с AD и здоровыми людьми из контрольной группы с использованием карт z-показателей.

Методы - следователи будут (i.) адаптировать свою последовательность UHF 1H-EPSI MRSI для DMI; (ii) оптимизировать их последовательность EPSI, отредактированную 1H-SLOW, с целью измерения всего мозга ГАМК, редактирования глутамата и глюкозы вместе с метаболитами N-ацетил-аспартатом (NAA), холином, креатином и аспартатом; (iii.) расширить свой аналитический инструмент SpectrIm-QMRS для количественной оценки и анализа наборов метаболических данных 3D-2H, (iv.) вычислить все метаболические карты 1H- и 2H-MRSI с трехмерным разрешением и выполнить совместную регистрацию с трехмерными анатомическими изображениями высокого разрешения; (v.) разработать методологию создания метаболического атласа нормативных данных и выполнить сравнения на основе z-показателей с использованием атласа.

Значимость. Вполне вероятно, что тенденция к более высокой напряженности поля при МРТ продолжит делать ДМИ все более доступным для исследований и клинических применений. UHF DMI и 1H-EPSI MRSI обеспечат неинвазивный способ количественной оценки метаболизма мозга. DMI предоставляет информацию о метаболизме глюкозы, тогда как 1H-SLOW — о концентрациях глюкозы, ГАМК и глутамата. Предлагаемый подход к анализу данных MRSI принципиально отличается от того, который в настоящее время применяется в клиническом MRSI, и позволит обнаруживать и отображать даже незначительные отклонения от нормативных метаболических характеристик. В случае успеха метаболическая визуализация УВЧ станет безрадиационным методом, который можно будет неоднократно применять у молодых и здоровых людей для изучения старения. Важно отметить, что предлагаемые методы обеспечат более глубокое понимание биоэнергетики, в частности, функции митохондрий, окислительного фосфорилирования и использования альтернативных видов топлива для обеспечения мозга энергией — информацию, которую не может предоставить ФДГ-ПЭТ. Более того, сравнительный анализ с использованием нормативных наборов данных облегчит изучение широкого спектра заболеваний с нарушением биоэнергетики мозга, например, нейродегенерации, нейровоспаления, а также заболеваний, неспецифичных для центральной нервной системы, таких как ожирение и диабет, которые имеют серьезные социально-экономические последствия.