In vivo pathobiochemische Gewebeanalyse mit Magnetresonanz Spektroskopie und spektroskopischer Bildgebung
Gewebe im menschlichen Körper - ob Gehirn, Muskeln oder Organe - zeichnet sich durch ein hochdynamisches und komplexes chemisches Umfeld aus, in dem der Stoffwechselgleichgewichtszustand (metabolische Homöostase) und Funktion auf dem hochentwickelten Zusammenspiel einer Vielzahl von Chemikalien beruhen. Quantitative Informationen über die beteiligten Substanzen sind notwendig, um ablaufende Prozesse und zugrunde liegende Mechanismen zu untersuchen. Noch wichtiger ist, dass sich zahlreiche Funktionsstörungen und klinische Erkrankungen in der biochemischen Zusammensetzung des Gewebes widerspiegeln. Die Magnetresonanzspektroskopie (MRS) und die spektroskopische Bildgebung (MRSI) liefern in vivo metabolische Informationen un erlauben somit einzigartige nicht-invasive Einblicke in the Mechanismen von Gesundheit und Krankheit.
Unsere Entwicklungen
Diese halbzylinderförmige Spule verfügt über 2 Kanäle für 1H-Bildgebung und 3 Kanäle für 31P-Spektroskopie (und Bildgebung) und ermöglicht die Untersuchung des Stoffwechsels energiereicher Phosphate im Wadenmuskel. Aufgrund ihres hervorragenden Signal-zu-Rausch-Verhältnisses wurden mit dieser Spule bereits zahlreiche Studien zur Muskelphysiologie durchgeführt.
Beteiligte Forschungsgruppen
- Meyerspeer Gruppe
- Schmid Gruppe
- Juchem Gruppe
Publikationen
- A form-fitted 3 channel 31P, two channel 1H transceive coil array for calf muscle studies at 7 T (Magnetic Resonance in Medicine, 2015)
- Exercising calf muscle T2* time courses correlate with pH, PCr recovery and maximum oxidative phosphorylation (NMR in Biomedicine, 2014)
- Localized semi-LASER dynamic 31P magnetic resonance spectroscopy of the soleus during and following exercise at 7 T (Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medicine, 2015)
- Skeletal muscle ATP synthesis and cellular H+ handling measured by localized 31P-MRS during exercise and recovery (Nature Scientific Reports, 2016)
- Dynamic PCr and pH imaging of human calf muscles during exercise and recovery using 31P gradient-echo MRI at 7 T (Magnetic Resonance in Medicine, 2016)
- Dynamic multivoxel‐localized 31P MRS during plantar flexion exercise with variable knee angle (NMR in Biomedicine, 2018)
Die Kohlenstoff-13-Spektroskopie kann durch die Messung von Glykogen und Glukose Einblicke in den Zuckerstoffwechsel im Körper liefern. Aufgrund der Natur des 13C-MR-Signals sind diese Signale in verschiedene Frequenzen aufgeteilt, was die Datenanalyse erschwert. Dies kann durch Senden mit der 1H-Larmorfrequenz bei gleichzeitigem Empfang des 13C-Signals unterbunden werden, eine Technik, die als „Protonenentkopplung“ bekannt ist. Für den Spulenbauer bedeutet dies, dass äußerst effiziente Filter (~100 dB) in die Spule eingebaut werden müssen, um ein Übersprechen zwischen dem starken 1H-Sendesignal und dem sehr kleinen 13C-MR-Signal zu vermeiden. Die von uns entwickelte Spule erfüllt dieses Kriterium und bietet vier Sende-/Empfangskanäle 1H kombiniert mit drei Sende-/Empfangskanälen 13C.
Beteiligte Forschungsgruppen
- Laistler Gruppe
- Krssak Gruppe
Publikationen
- Proton-decoupled carbon magnetic resonance spectroscopy in human calf muscles at 7 T using a multi-channel radiofrequency coil (Nature Scientific Reports, 2018)
Einleitung
Multiple Sklerose (MS) ist eine chronische Erkrankung des zentralen Nervensystems, die zu Demyelinisierung und Neurodegeneration führt. Krankheitsmodifizierende Therapien können Schübe sowie die damit verbundenen, überwiegend reversiblen neurologischen Defizite in der entzündungsgetriebenen schubförmig-remittierenden Phase minimieren. Bis heute existiert jedoch keine Behandlung, die Behinderung und funktionellen Abbau in der sekundär progredienten Phase verhindern kann. Trotz enormer Forschungsfortschritte sind die Ursachen der MS und die zugrunde liegenden neurobiologischen Mechanismen weiterhin nur unzureichend verstanden, was verbesserte Therapien oder die Entwicklung einer tatsächlichen Heilung verhindert. Die Magnetresonanzspektroskopie (MRS) ermöglicht es, pathologische Veränderungen und Hirnschädigungen bereits im frühesten Stadium zu erfassen und das Fortschreiten der Erkrankung zu überwachen.
Zielsetzung
Unser Ziel ist es, entscheidende Werkzeuge bereitzustellen, um frühzeitig Informationen über die Entwicklung von Behinderungen bei MS zu gewinnen, diagnostische Biomarker zur frühen Identifikation zu etablieren sowie direkte Erkenntnisse über pathophysiologische Mechanismen zu liefern.
Aktuelle Arbeiten
Frühere MRS-Studien konzentrierten sich auf die strukturelle und zelluläre Integrität und zielten daher hauptsächlich auf die Quantifizierung der Neurochemikalien N-Acetylaspartat (NAA), Cholin und Myo-Inositol ab. Neuere Forschungen beginnen, die Bedeutung bestimmter Neurochemikalien für die pathologischen Prozesse selbst aufzuzeigen. Vor allem auf Grundlage von in-vitro-Untersuchungen und Tiermodellen wurde die Hypothese aufgestellt, dass eine Fehlfunktion des Glutathion-(GSH)-Stoffwechsels die körpereigene Schutzfunktion des Gehirns gegen oxidativen Stress beeinträchtigt und dadurch Demyelinisierung, Neurotoxizität und Zelltod fördert – als Grundlage des funktionellen Abbaus bei MS. In welchem Ausmaß die GSH-Neurochemie bei MS tatsächlich beeinträchtigt ist, bleibt jedoch weitgehend unbekannt, unter anderem aufgrund der Schwierigkeit, GSH bei klinischen Populationen und gesunden Kontrollpersonen nicht-invasiv in vivo zu messen.
Wir konnten kürzlich die Quantifizierung von GSH zusammen mit weiteren zentralen Faktoren der MS (Glutamat, GABA), etablierten Biomarkern der MS (NAA, Cholin, Myo-Inositol) sowie der gesamten biochemischen Umgebung innerhalb einer einzigen einstündigen Untersuchung demonstrieren (Prinsen et al., Proc ISMRM, 2014). Wir erwarten, dass dieser metabolomikartige Ansatz entscheidende Einblicke in die Rolle des GSH-Stoffwechsels bei MS liefern und die Grundlage für longitudinale klinische Studien zur Pathobiochemie des oxidativen Stresses schaffen wird.
Beteiligte Forschungsgruppen
Publikationen
- Juchem C, Swanberg KM, Prinsen H, Pelletier D. In vivo cortical glutathione response to oral fumarate therapy in relapsing-remitting multiple sclerosis: A single-arm open-label phase IV trial using 7-Tesla 1H MRS. Neuroimage Clin. 39:103495 (2023)
- Swanberg KM, Kurada AV, Prinsen H, Juchem C. Multiple sclerosis diagnosis and phenotype identification by multivariate classification of in vivo frontal cortex metabolite profiles. Sci Reports 12:13888 (2022)
- Swanberg KM*, Prinsen H*, Destefano K, Bailey M, Kurada AV, Pitt D, Fulbright RK, Juchem C. In vivo evidence of different frontal cortex metabolic abnormalities in progressive and relapsing-remitting multiple sclerosis. NMR Biomed e4590 (2021)
- Swanberg KM, Landheer K, Pitt D, Juchem C. Quantifying the metabolic signature of multiple sclerosis by in vivo proton magnetic resonance spectroscopy: Current challenges and future outlook in the translation from proton signal to diagnostic biomarker. Front Neurol 10:1173 (2019)
- Prinsen H, de Graaf RA, Mason GF, Pelletier D, Juchem C. Reproducibility measurement of glutathione, GABA and glutamate: Towards in vivo neurochemical profiling of multiple sclerosis with MR spectroscopy at 7T. J Magn Reson Imaging 45:187-198 (2017)
Wir …
Beteiligte Forschungsgruppen
Publikationen
- PLACEHOLDER Juchem C, Swanberg KM, Prinsen H, Pelletier D. In vivo cortical glutathione response to oral fumarate therapy in relapsing-remitting multiple sclerosis: A single-arm open-label phase IV trial using 7-Tesla 1H MRS. Neuroimage Clin. 39:103495 (2023)