Bestimmung von Myelinveränderungen mittels MRT

Die konventionelle Magnetresonanztomographie (MRT) erlaubt trotz ihrer besonderen Sensitivität nur einen sehr begrenzten Einblick in jene pathologische Veränderungen, die verschiedenen Erkrankungen der weißen Hirnsubstanz zugrunde liegen. Dies bedingt vielfach auch eine schlechte Korrelation von MRT- Signalveränderungen mit der klinischer Symptomatik. Daher wird große Hoffnung auf die quantitative MRT gesetzt, welche die einzelnen biophysikalischen Parametern zu bestimmen versucht, die entscheidend an der komplexen Entstehung des Kernresonanzsignals beteiligt sind. Von diesen Parametern erwartet man sich eine detailliertere Analyse der Gewebezusammensetzung. Gängige Verfahren zur quantitativen Analyse in vitro sind allerdings für den klinischen Einsatz nicht geeignet, auch wurden unterschiedliche quantitative MRT-Parameter bisher weder in gesunden noch in erkrankten Hirngeweben systematisch untersucht. Das erklärte Ziel diese Projektes ist es nun, biophysikalische Parameter zu bestimmen, die direkt oder indirekt von der Myelindichte abhängen. Dies soll einerseits durch die Adaption kürzlich vorgeschlagener Methoden für in vivo Untersuchungen sowie durch die Neuentwicklungen von Untersuchungssequenzen ermöglicht werden. Wir werden uns dabei ausschließlich auf fünf fundamentale Parameter des üblicherweise verwendeten binären Poolmodells konzentrieren: Dies sind die relative Größe des gebunden (Myelin-)pools (bound pool fraction), die Magnetisierungstransferrate, die Magnetisierungstransferratio, und die scheinbare und native longitudinale Relaxationszeit. Für die Bestimmung des ersten Parameters werden wir eine Methode adaptieren die die kurze T2- Komponente mit einer CMPG-Sequenz ermittelt. Alternativ dazu wollen wir auch eine Mehrfachinversionstechnik adaptieren. Alle übrigen Parameter sollen mit der FastPACE-Sequenz bestimmt werden. Diese Methoden sollen in Bezug auf Mehrschichtfähigkeit, Messzeit, HF-Absorption und nichtideale HF-Sättigungsbedingungen verbessert werden, sodass sie auch für den klinischen Einsatz geeignet sind. Die Verbesserungen werden anhand von Phantommessungen und numerischen Simulationen der Bloch`schen Gleichungen unter besonderen Bedingungen durchgeführt werden. Um die biologische Verteilung dieser myelinbezogenen Parameter in Abhängigkeit von Alter, Geschlecht und anatomischer Region zu ermitteln, werden wir Untersuchungen bei vierzig gesunden Freiwilligen durchführen. Für die Beurteilung und den Vergleich von krankheitsbezogener Veränderungen sollen fünfzig Patienten untersucht werden, die unter einer Erkrankung der weißen Substanz leiden. Dabei wird es sich einerseits um Patienten mit Multipler Sklerose andererseits um Patienten mit mikroangiopathiebedingter Schädigung der weißen Substanz handeln. Wir erwarten uns, krankheitsspezifische Unterschiede bei den biophysikalischen Parametern dieser häufigsten Ursachen einer Veränderung der weißen Substanz aufzeigen zu können. Die Bestimmung derartiger Parameter sollte in weiterer Folge auch neue Möglichkeiten zur Beurteilung des Krankheitsverlaufes oder des Therapieerfolges eröffnen.

Die Magnetresonanztomographie (MRT) hat ganz wesentlich zu unserem heutigen Verständnis von verschiedenen Erkrankungen der weißen Gehirnsubstanz beigetragen. Dies trifft insbesondere bei der Multiplen Sklerose, bei der Demenz und bei anderen alterbedingten Gewebeveränderungen zu. Entscheidend dafür war vor allem der ausgezeichnete Weichteilkontrast, der mit keinem anderen bildgebenden Verfahren erreicht werden kann. Leider vermag die konventionelle MRT jedoch nicht die pathophysiologische Natur dieser Veränderungen zu klären. Darüber hinaus ist es auch oft sehr schwierig, klinische Konsequenzen von diesen Gewebeveränderungen abzuleiten. Das Forschungsprojekt hat daher an einem biophysikalischen Modell für Myelin (eine aus Lipide und Proteine aufgebaute Isolierschicht der Nervenfasern) gearbeitet, welches die Signalintensitätsänderungen im Hirngewebe in der konventionellen MRT besser erklären soll. Eine Besonderheit dieses Modells ist die Berücksichtung eines Phänomens, das als Magnetisierungstransfer (MT) bezeichnet wird. Das ist ein chemischer bzw. quantenmechanischer Mechanismus der für einen permanenten Energieaustausch zwischen Gewebewasser und an Myelin gebundene Protonen sorgt. In diesem Forschungsprojekt haben wir neue quantitative MRT-Techniken angewendet um das relative Ausmaß dieses Magnetisierungstransfers zu bestimmen. Dabei beruhten die Bemühungen auf der Annahme, dass der MT direkt an die Myelindichte gekoppelt ist. Basierend auf diesem biophysikalischen Gewebemodell, haben wir zudem eine neue MRT-Methode entwickelt, die eine direkt Bestimmung der Myelindichte ermöglicht, und die auf jedem konventionellen MR-Tomografen applizierbar ist. Diese Methode stellt ein neues Tool zur Charakterisierung von Veränderungen der weißen Gehirnsubstanz und sollte auch die Beobachtung von De- und Remyelinisierung ermöglichen. Mit diesen quantitativen MRT-Techniken haben wir dann Schädigungen der weißen Gehirnsubstanz bei Patienten mit Alzheimersche Erkrankung untersucht, jene Krankheit die bei älteren Menschen die häufigste Ursache für Demenz darstellt. Wir konnten zeigen, dass die quantitative MRT die krankheitsbezogene Progression sensitiv nachweisen konnte noch bevor eine weitere kognitive Verschlechterung nachweisbar war. Zusätzlich konnten wir auch zeigen, dass die quantitative MRT zu einer besseren Charakterisierung und Klassifikation von so genannten Marklagerhyperintensitäten beitragen kann. Diese Veränderungen der weißen Gehirnsubstanz treten sehr häufig bei gesunden älteren Personen auf und werden oft mit Depression, kognitiver Einschränkung und Gangstörungen in Zusammenhang gebracht. Schließlich habe wir die neuen Techniken dazu verwendet um zu überprüfen ob bei diesen Personen die in der konventionellen MRT "normal" erscheinende Gehirnsubstanz auch wirklich "normal" ist.