Magnetische Eigenschaften weißer Gehirnsubstanz bei MS

Als modernes Bildgebungsverfahren ist die Magnetresonanztomographie (MRT) das wichtigste Instrument um bei Patienten mit Multipler Sklerose (MS) die krankheitsbedingten Veränderungen im Gehirn zu beurteilen. Die konventionelle MRT hat schon sehr viel zum Verständnis der Hirnpathologie bei MS beigetragen, allerdings kann sie oft pathologisch unterschwellige Gewebsveränderungen nicht erfassen. Durch mehrere histologische Studien ist seit längerem bekannt, dass bei MS die in der konventionellen MRT normal erscheinende weiße Hirnsubstanz (NAWM) von diffusen Entzündungsreaktionen und Mikroglia-Aktivierung betroffen ist. Viele quantitative MRT-Techniken zielten folglich darauf ab diese pathologischen Veränderungen zu erfassen. Die begrenzte Sensitivität und Spezifität bisheriger MRT-Techniken haben es bis jetzt jedoch noch nicht erlaubt, diese Änderungen auf individueller Basis zu untersuchen. In diesem Projekt soll ein neuer MRT-basierender Ansatz verwendet werden um die krankheitsbedingten Gewebsveränderungen in der NAWM zu untersuchen. Dabei soll eine völlig neue Technik zum Einsatz gelangen nämliche die quantitative Suszeptometrie (QSM). QSM bestimmt durch Ausnutzung lokaler Magnetfeldschwankungen die Magnetisierbarkeit von Hirngewebe und stellt diese mittels entsprechender Kartierungen dar. Während das Hirngewebe selbst Großteils aus Wasser besteht und daher nicht magnetisierbar ist, sind im Gewebe oft eine Vielzahl von magnetischenSpurenelementenundMakromolekülenvorhanden,welchedie Gesamtmagnetisierbarkeit beeinflussen können. Es gibt bereits eine Reihe von Hinweisen, dass die Magnetisierbarkeit hochempfindlich gegenüber pathologischen Zuständen der MS ist einschließlich Entzündung, Demyelinisierung und fokaler Anreicherung von Eisen. Wir erwarten, dass QSM- Untersuchungen der NAWM weitere Einblicke in die MS Pathologie liefern und daher als neuer Marker für die Diagnose und den Verlauf von MS dienen können. Das internationale Kooperationsprojekt wird von Graz (Österreich) und Jena (Deutschland) kollaborativ durchgeführt. Beide Zentren verfügen über den neuesten 3T Kernspintomografen. Über einen Zeitraum von drei Jahren werden die beiden Zentren insgesamt 60 MS-Patienten und 60 gesunde Kontrollpersonen untersuchen und QSM zu Beginn der Studie sowie nach einem Jahr durchführen. Neben der Untersuchung der Magnetisierbarkeit des Gewebes werden auch andere moderne Untersuchungstechniken zur Anwendung gelangen. Die Bündelung der komplementären Expertise in Graz und Jena in Bezug auf quantitative MRT-Techniken lassen einen erfolgreichen Projektverlauf erwarten.

Wie die meisten biologischen Gewebe ist auch Hirngewebe nicht magnetisierbar, da es zum Großteil aus diamagnetischem Gewebewasser besteht. Der Diamagnetismus wird aber auch von den myelinisierten Nervenfasern bestimmt und insbesondere von deren räumlichen Orientierung, die sie in Bezug auf ein starkes externes Magnetfeld einnehmen. In diesem Forschungsprojekt wurde versucht mit einem 3 Tesla Kernspintomografen die Magnetisierbarkeit von Nervenfasern und ihre Richtungsabhängigkeit zu bestimmen um daraus Rückschlüsse auf den Eisen- und Myelingehalt des Gehirns ziehen zu können. Eisen ist stark paramagnetisch und liegt meist in der Form von Ferritin vor, welches als sicherer Eisenspeicher dient und metabolisch wichtiges Eisen in Form eines Biokristalls verfügbar hält. Zur Anwendung kam diese neue Technik bei Patienten mit multipler Sklerose, welche eine Schädigungen der Nervenfasern und einen lokalen Abbau von Eisen entsprechend ihres Krankheitsverlaufes aufweisen können. Wiederholtes Entzündungsgeschehen führt dabei zur Zerstörung der Markscheide (Myelin) der Nervenfasern und in weiterer Folge auch zur Zerstörung der Axone. Eisenhältige Oligodendrozyten werden dabei ebenfalls zerstört, was in weiterer Folge zu einer Reduktion der lokalen Eisenkonzentration führt. Dieses Projekt basierte daher auf der Annahme, dass die pathophysiologischen Veränderungen mit einer Veränderung der Magnetisierbarkeit einhergehen. Die Umsetzung des internationalen Forschungsprojektes erfolgte in Kooperation mit der Medizinphysik der Universitätsklinik Jena, Deutschland. Zum Einsatz gelangten dabei sogenannte suszeptibilitätsgewichtete Pulssequenzen. Diese ermöglichen, feinsteMagnetfeldveränderungen im Kernspintomografen zu erfassen, die durch die Nervenfasern lokal induziert werden. Der räumliche Verlauf der Nervenfasern wurde dabei mittels der Diffusionstensorbildgebung rekonstruiert. So konnten für jeden Fasertrakt seine Orientierung und die resultierende Magnetisierbarkeit bestimmt werden. In der Nähe von Hirnnervenkernen konnte aufgrund des relativ hohen Eisengehaltes und den daraus resultierenden technischen Limitationen die Orientierungseffekt nicht nachgewiesen werden. Jedoch zeigten Fasertrakte wie die Sehbahn und der Balken eine Orientierungsabhängigkeit der Magnetisierung, wie sie exakt durch elektrodynamische Modelle modelliert und vorhergesagt wurden. Bei einem Vergleich von Patienten mit multipler Sklerose mit gesunden Probanden konnte gezeigt werden, dass bei den Patienten in zahlreichen Faserbahnen bereits in einem sehr frühen Krankheitsstadium die Orientierungsabhängig der Magnetisierbarkeit verloren geht, was auf eine frühe Schädigung der Markscheide in diesen Strukturen hinweist. Dabei war bemerkenswert, dass diese Veränderungen mit der konventionellen Kernspintomografie unentdeckt blieben. Damit zeigt sich auch das Potential der neuen Methode als zusätzliches Instrument für eine frühe Diagnostik und zur Kontrolle des Krankheitsverlaufes bei multipler Sklerose. Für eine praktikable klinische Umsetzung sind allerdings weitere technische Entwicklungsschritte nötig. Diese sollten insbesondere auf eine Verkürzung der Aufnahmezeit und auf eine robustere Kartierung der Magnetisierbarkeit abzielen. Auch andere entzündliche und demyelinisierende Erkrankungen des Gehirns könnten von dieser neuen Methode profitieren, dazu sind jedoch noch weitere klinische Studien notwendig.