Standardisierte Datenerfassung für Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie der Substantia nigra

Neuromelanin (NM) ist ein dunkles Pigment, das in dopaminergen Neuronen der Substantia nigra (SN) und noradrenergen Neuronen des Locus coeruleus (LC)^1,2 vorkommt. NM wird durch die eisenabhängige Oxidation von zytosolischem Dopamin und Noradrenalin synthetisiert und in autophagischen Vakuolen im soma³ gespeichert. Es tritt erstmals beim Menschen im Alter von 2-3 Jahren auf und reichert sich mit dem Alter^von 1,4,5 Jahren an.

Innerhalb der NM-haltigen Vakuolen von SN- und LC-Neuronen bildet NM Komplexe mit Eisen. Diese NM-Eisen-Komplexe sind paramagnetisch und ermöglichen eine nichtinvasive Visualisierung der NM mittels Magnetresonanztomographie (MRT)^6,7. MRT-Scans, die NM visualisieren können, werden als NM-sensitive MRT (NM-MRT) bezeichnet und verwenden entweder direkte oder indirekte Magnetisierungstransfereffekte, um einen Kontrast zwischen Regionen mit hoher NM-Konzentration (z. B. SN) und der umgebenden weißen Substanz zu erzeugen ^8,9.

Der Magnetisierungstransferkontrast ist das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen makromolekular gebundenen Wasserprotonen (die durch die Magnetisierungstransferpulse gesättigt sind) und den umgebenden freien Wasserprotonen. In der NM-MRT wird angenommen, dass die paramagnetische Natur von NM-Eisen-Komplexen das_T1 der umgebenden freien Wasserprotonen verkürzt, was zu reduzierten Magnetisierungs-Transfer-Effekten führt, so dass Regionen mit höherer NM-Konzentration auf NM-MRT-Scans hyperintensiv erscheinen¹⁰. Umgekehrt hat die weiße Substanz, die das SN umgibt, einen hohen makromolekularen Gehalt, was zu großen Magnetisierungs-Transfer-Effekten führt, so dass diese Regionen auf NM-MRT-Scans hypointensiv erscheinen und somit einen hohen Kontrast zwischen dem SN und der umgebenden weißen Substanz bieten.

In der SN kann die nm-MRT einen Marker für den dopaminergen Zellverlust¹¹ und die Dopaminsystemfunktion¹² liefern. Diese beiden Prozesse sind für mehrere neuropsychiatrische Erkrankungen relevant und werden durch eine Vielzahl klinischer und präklinischer Arbeiten unterstützt. Zum Beispiel wurden Anomalien in der Dopaminfunktion bei Schizophrenie häufig beobachtet; In-vivo-Studien mit Positronen-Emissions-Tomographie (PET) haben eine erhöhte striatale Dopaminfreisetzung 13,14,15,16 und eine erhöhte Dopaminsynthesekapazität gezeigt 17,18,19,20,21,22 . Darüber hinaus haben Post-mortem-Studien gezeigt, dass Patienten mit Schizophrenie erhöhte Spiegel von Tyrosinhydroxylase - dem geschwindigkeitsbegrenzenden Enzym, das an der Dopaminsynthese beteiligt ist - in den Basalganglien²³ und SN^24,25 haben.

Mehrere Studien haben Muster des dopaminergen Zellverlusts untersucht, insbesondere bei der Parkinson-Krankheit. Post-mortem-Studien haben gezeigt, dass die pigmentierten dopaminergen Neuronen des SN der primäre Ort der Neurodegeneration bei der Parkinson-Krankheit sind^26,27, und dass, während der SN-Zellverlust bei der Parkinson-Krankheit nicht mit dem Zellverlust bei normalem Altern korreliert ist 28^, sondern mit der Dauer der Krankheit^{korreliert ist 29} . Im Gegensatz zu den meisten Methoden zur Untersuchung des dopaminergen Systems machen die Nichtinvasivität, die Kosteneffizienz und das Fehlen ionisierender Strahlung die NM-MRT zu einem vielseitigen Biomarker³⁰.

Das in dieser Arbeit beschriebene NM-MRT-Protokoll wurde entwickelt, um sowohl die Reproduzierbarkeit der NM-MRT innerhalb als auch zwischen den Probanden zu erhöhen. Dieses Protokoll gewährleistet eine vollständige Abdeckung des SN trotz der begrenzten Abdeckung von NM-MRT-Scans in die untergeordnete Richtung. Das Protokoll verwendet sagittale, koronale und axiale dreidimensionale (3D) T1-gewichtete (T1w) Bilder, und die Schritte sollten befolgt werden, um eine korrekte Platzierung des Slice-Stacks zu erreichen. Das in diesem Artikel beschriebene Protokoll wurde in mehreren Studien^31,32 verwendet und ausgiebig getestet. Wengler et al. führten eine Studie zur Zuverlässigkeit dieses Protokolls durch, bei der NM-MRT-Bilder bei jedem Teilnehmer zweimal über mehrere Tage hinweg aufgenommen wurden³². Intra-Klassen-Korrelationskoeffizienten zeigten eine ausgezeichnete Test-Retest-Zuverlässigkeit dieser Methode für ROI-basierte und voxelweise Analysen sowie einen hohen Kontrast in den Bildern.

HINWEIS: Die zur Entwicklung dieses Protokolls durchgeführte Forschung wurde in Übereinstimmung mit den Richtlinien des New York State Psychiatric Institute Institutional Review Board (IRB # 7655) durchgeführt. Eine Person wurde für die Aufnahme des Protokollvideos gescannt und eine schriftliche Einverständniserklärung eingeholt. Weitere Informationen zum in diesem Protokoll verwendeten MRT-Scanner finden Sie in der Materialtabelle .

1. MRT-Erfassungsparameter

1. Bereiten Sie die Aufnahme hochauflösender T1w-Bilder mit einer 3D-Magnetisierungs-MPRAGE-Sequenz (Rapid Acquisition Gradient Echo) mit den folgenden Parametern vor: räumliche Auflösung = 0,8 x 0,8 x 0,8 mm³; Sichtfeld (FOV) = 176 x 240 x 240 mm³; Echozeit (TE) = 3,43 ms; Wiederholzeit (TR) = 2462 ms; Inversionszeit (TI) = 1060 ms; Flip-Winkel = 8°; In-Plane-Parallel-Imaging-Faktor (ARC) = 2; Through-Plane-Parallel-Imaging-Faktor (ARC) = 2³³; Bandbreite = 208 Hz/Pixel; Gesamterfassungszeit = 6 min 39 s.
2. Bereiten Sie die Aufnahme von NM-MRT-Bildern mit einer zweidimensionalen (2D) Gradienten-Echosequenz mit Magnetisierungsübertragungskontrast (2D GRE-MTC) mit den folgenden Parametern vor: Auflösung = 0,43 x 0,43 mm²; Sichtfeld = 220 x 220 mm²; Scheibendicke = 1,5 mm; 20 Scheiben; Scheibenspalt = 0 mm; TE = 4,8 ms; TR = 500 ms; Flip-Winkel = 40°; Bandbreite = 122 Hz/Pixel; MT-Frequenzversatz = 1,2 kHz; MT-Pulsdauer = 8 ms; MT Flip-Winkel = 670°; Anzahl der Durchschnittswerte = 5; Gesamterfassungszeit = 10 min 4 s.
   HINWEIS: Obwohl die angezeigten Ergebnisse diese MRT-Erfassungsparameter verwendeten, ist dieses Protokoll für verschiedene T1w- und NM-MRT-Bildgebungsprotokolle gültig. Das NM-MRT-Protokoll sollte ~25 mm in der untergeordneten Richtung abdecken, um eine vollständige Abdeckung des SN zu gewährleisten.

2. Platzierung des NM-MRT-Volumens

1. Nehmen Sie ein hochauflösendes T1w-Bild auf (≤1 mm isotrope Voxelgröße). Verwenden Sie die Online-Neuformatierung direkt nach der Bildaufnahme, um hochauflösende T1w-Bilder zu erstellen, die auf die AC-PC-Linie (Anterior Commissure-posterior Commissure) und die Mittellinie ausgerichtet sind.
   1. Führen Sie eine Online-Neuformatierung mit der vom Hersteller bereitgestellten Software durch (z. B. bei der Erfassung von Daten auf einem GE-Scanner: MultiPlanare Rekonstruktion (MPR) in Planung; bei der Erfassung von Daten auf einem Siemens-Scanner: MPR in der 3D-Taskkarte; bei der Erfassung von Daten auf einem Philips-Scanner: MPR im Rendermodus des VolumeView-Pakets).
      1. Erstellen Sie multiplanare Rekonstruktionen des 3D-T1w-Bildes in der axialen Ebene senkrecht zur AC-PC-Linie, um das gesamte Gehirn mit minimaler Schnittlücke abzudecken.
      2. Erstellen Sie multiplanare Rekonstruktionen des 3D-T1w-Bildes in der koronalen Ebene senkrecht zur AC-PC-Linie, um das gesamte Gehirn mit minimalem Schnittspalt abzudecken.
      3. Erstellen Sie multiplanare Rekonstruktionen des 3D-T1w-Bildes in der sagittalen Ebene parallel zur AC-PC-Linie, um das gesamte Gehirn mit minimaler Schnittlücke abzudecken.
2. Laden Sie die sagittale, koronale und axiale Ansicht des neu formatierten hochauflösenden T1w-Bildes, und stellen Sie sicher, dass Referenzlinien vorhanden sind, die die Position jedes angezeigten Segments darstellen.
3. Identifizieren Sie das sagittale Bild, das die größte Trennung zwischen Mittelhirn und Thalamus zeigt (Abbildung 1A). Untersuchen Sie dazu visuell die sagittalen Schnitte des neu formatierten T1w-Bildes, bis das Segment identifiziert ist, das diese größte Trennung zeigt.
4. Identifizieren Sie anhand des sagittalen Bildes vom Ende von Schritt 2.3 visuell die koronale Ebene, die den vorderen Aspekt des Mittelhirns abgrenzt (Abbildung 1B).
5. Identifizieren Sie anhand des koronalen Bildes vom Ende von Schritt 2.4 visuell die axiale Ebene, die den unteren Aspekt des dritten Ventrikels abgrenzt (Abbildung 1C).
6. Richten Sie auf dem sagittalen Bild vom Ende von Schritt 2.3 die obere Grenze des NM-MRT-Volumens an der in Schritt 2.5 identifizierten axialen Ebene aus (Abbildung 1D).
7. Verschieben Sie die obere Grenze des NM-MRT-Volumens um 3 mm in die obere Richtung (Abbildung 1E).
8. Richten Sie das NM-MRT-Volumen an der Mittellinie in den axialen und koronalen Bildern aus (Abbildung 1F).
9. Nehmen Sie die NM-MRT-Bilder auf.

Abbildung 1: Bilder, die das Schritt-für-Schritt-Verfahren zur NM-MRT-Volumenplatzierung zeigen. Gelbe Linien zeigen die Position der Slices an, die für die Volume-Platzierung verwendet werden, wie im Protokoll beschrieben. (A) Zuerst wird das sagittale Bild mit der größten Trennung zwischen Mittelhirn und Thalamus identifiziert (Schritt 2.3 des Protokolls). (B) Zweitens wird anhand des Bildes von A die koronale Ebene identifiziert, die den vorderen Aspekt des Mittelhirns abgrenzt (Schritt 2.4). (C) Drittens wird auf dem koronalen Bild der in B identifizierten Ebene die axiale Ebene identifiziert, die den unteren Aspekt des dritten Ventrikels abgrenzt (Schritt 2.5). (D) Viertens wird die in C identifizierte axiale Ebene auf dem sagittalen Bild von A angezeigt (Schritt 2.6). (E) Fünftens ist die axiale Ebene von D um 3 mm in die übergeordnete Richtung verschoben, und diese Ebene zeigt die obere Grenze des NM-MRT-Volumens an (Schritt 2.7). (F) Die endgültige NM-MRT-Volumenplatzierung, wobei das koronale Bild C, das sagittale Bild A und das axiale Bild der axialen Ebene in E entspricht. Das NM-MRT-Volumen ist in den koronalen und axialen Bildern auf die Mittellinie des Gehirns und im sagittalen Bild auf die AC-PC-Linie ausgerichtet (Schritt 2.8). Ein Teil dieser Abbildung wurde mit Genehmigung von Elsevier von ³⁰ nachgedruckt. Abkürzungen: NM-MRT = Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie; AC-PC = vordere Kommissur-posteriore Kommissur. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

3. Qualitätskontrolle

1. Stellen Sie sicher, dass die aufgenommenen NM-MRT-Bilder das gesamte SN abdecken und dass das SN in den zentralen Bildern sichtbar ist, aber nicht in den überlegensten oder unterlegensten Bildern des NM-MRT-Volumens. Andernfalls (Abbildung 2) wiederholen Sie die Schritte 2.3-2.9, um die korrekte Platzierung des NM-MRT-Volumens sicherzustellen. Wenn sich der Teilnehmer seit der Erfassung des hochauflösenden T1w-Scans erheblich bewegt hat, wiederholen Sie die Schritte 2.1-2.9.

Abbildung 2: Beispiel einer NM-MRT-Erfassung, bei der die erste Qualitätskontrolle (Schritt 3.1 des Protokolls) nicht bestanden wurde. Jeder der 20 NM-MRT-Schnitte wird von den unterlegensten (Bild oben links) bis zum überlegensten (Bild unten rechts) angezeigt; Das Bildfenster/die Bildebene wurde so eingestellt, dass der Kontrast zwischen der Substantia Nigra und dem Crus Cerebri übertrieben wird. Die orangefarbenen Pfeile in den Scheiben 15-19 zeigen die Position der Substantia nigra in diesen Scheiben. Der rote Pfeil in der überlegensten Scheibe (Scheibe 20) zeigt, dass die Substantia nigra in dieser Scheibe noch sichtbar ist und somit die Erfassung die Qualitätsprüfung nicht besteht. Abkürzung: NM-MRT = Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

2. Suchen Sie nach Artefakten, insbesondere solchen, die durch das SN und die umgebende weiße Substanz gehen, indem Sie jeden Ausschnitt des erworbenen NM-MRT-Scans visuell untersuchen.
   1. Suchen Sie nach abrupten Änderungen der Signalintensität mit einem linearen Muster, das die normalen anatomischen Grenzen nicht respektiert. Dies kann beispielsweise als ein Bereich mit geringer Intensität erscheinen, der von zwei Bereichen mit hoher Intensität flankiert wird.
   2. Wenn das Artefakt das Ergebnis von Blutgefäßen ist (Abbildung 3A), behalten Sie die NM-MRT-Bilder bei, da diese Artefakte höchstwahrscheinlich immer vorhanden sein werden.
   3. Wenn die Artefakte das Ergebnis einer Kopfbewegung des Teilnehmers sind (Abbildung 3B), erinnern Sie den Teilnehmer daran, so ruhig wie möglich zu bleiben und die NM-MRT-Bilder gemäß Schritt 3.2.5 erneut aufzunehmen.
   4. Wenn die Artefakte mehrdeutig sind (Abbildung 3C), nehmen Sie die NM-MRT-Bilder gemäß Schritt 3.2.5 erneut auf. Wenn die Artefakte bei der Wiederaufnahme vorhanden bleiben, fahren Sie mit diesen Bildern fort, da sie wahrscheinlich biologisch und nicht das Ergebnis von Akquisitionsproblemen sind.
   5. Wenn die NM-MRT-Bilder die Qualitätskontrolle in Schritt 3.1 bestehen, kopieren Sie die vorherige NM-MRT-Volumenplatzierung. Wenn die NM-MRT-Bilder die Qualitätskontrolle in Schritt 3.1 nicht bestehen, wiederholen Sie die Schritte 2.3-2.9, um die korrekte Platzierung des NM-MRT-Volumens sicherzustellen (oder die Schritte 2.1-2.9, wenn sich der Teilnehmer signifikant bewegt hat).

Abbildung 3: Beispiele für NM-MRT-Erfassungen, bei denen die zweite Qualitätskontrolle (Schritt 3.2 des Protokolls) nicht bestanden wurde. Für jeden Fall wird nur ein repräsentatives Segment angezeigt. (A) Eine NM-MRT-Akquisition, die die Qualitätskontrolle aufgrund eines Blutgefäßartefakts (rote Pfeile) nicht besteht, das das Ergebnis des Blutgefäßes ist, das durch die blauen Pfeile identifiziert wurde. (B) Eine NM-MRT-Erfassung, die die Qualitätskontrolle aufgrund von Bewegungsartefakten (rote Pfeile) nicht besteht. (C) Eine NM-MRT-Erfassung, die die Qualitätskontrolle aufgrund eines mehrdeutigen Artefakts (rote Pfeile) nicht besteht. Abkürzung: NM-MRT = Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 4 zeigt die repräsentativen Ergebnisse einer 28-jährigen Teilnehmerin ohne psychiatrische oder neurologische Störungen. Das NM-MRT-Protokoll gewährleistet eine vollständige Abdeckung des SN, die durch Befolgen von Schritt 2 des in Abbildung 1 dargestellten Protokolls erreicht wird, und zufriedenstellende NM-MRT-Bilder durch Befolgen von Schritt 3 des Protokolls. Ein ausgezeichneter Kontrast zwischen dem SN und benachbarten Regionen der weißen Substanz mit vernachlässigbarer NM-Konzentration (d.h. crus cerebri) ist zu sehen. Diese Bilder wurden sofort nach der Aufnahme überprüft, um die ordnungsgemäße Abdeckung des SN zu gewährleisten und nach Artefakten zu suchen. Da die vollständige Abdeckung des SN ohne Artefakte erreicht wurde, bestand der Scan die Qualitätsprüfungen und musste nicht wiederholt werden.

Abbildung 4: Beispiel einer repräsentativen NM-MRT-Akquisition. Jeder der 20 NM-MRT-Schnitte wird von den unterlegensten (Bild oben links) bis zum überlegensten (Bild unten rechts) angezeigt; Das Bildfenster / die Ebene wurde eingestellt, um den Kontrast zwischen der Substantia Nigra und dem Crus cerebri einer 28-jährigen Teilnehmerin ohne psychiatrische oder neurologische Störungen zu übertreiben. Das NM-MRT-Protokoll gewährleistet eine vollständige Abdeckung der Substantia nigra, eine teilweise Abdeckung des Locus coeruleus und zufriedenstellende NM-MRT-Bilder. Ein ausgezeichneter Kontrast zwischen der Substantia nigra und benachbarten Regionen der weißen Substanz ohne Neuromelaninkonzentration (d. H. Crush cerebrus) kann auf den Scheiben 9-16 beobachtet werden. Das Bild unten zeigt eine vergrößerte Ansicht des Mittelhirns aus Scheibe 13. Abkürzung: NM-MRT = Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung zu sehen.

Abbildung 2 zeigt die repräsentativen Ergebnisse einer 28-jährigen Teilnehmerin ohne psychiatrische oder neurologische Erkrankungen, deren Bilder die erste Qualitätskontrolle nicht bestanden haben (Schritt 3.1). Der SN ist in der übergeordneten Scheibe (Scheibe 20) sichtbar, was darauf hinweist, dass die vollständige Abdeckung des SN nicht erreicht wurde. In diesem Fall müssen die Daten erneut erfasst werden, indem die Schritte 2.3 bis 2.9 des Protokolls wiederholt werden, wie in Abbildung 1 dargestellt. Wenn sich der Teilnehmer seit der Aufnahme des ersten T1w-Bildes erheblich bewegt hat, sollte der Forscher zu Schritt 2.1 zurückkehren, um das T1w-Bild erneut zu erfassen.

Abbildung 3 zeigt Beispielbilder, die bei der zweiten Qualitätskontrolle (Schritt 3.2) nicht bestanden haben. Wie in Schritt 3.2 beschrieben, müssen Scans, die Artefakte aufgrund von Blutgefäßen enthalten (Abbildung 3A), nicht wiederholt werden, da diese Artefakte wahrscheinlich in jeder Erfassung vorhanden sein werden. Scans, die Artefakte enthalten, die aus Bewegung (Abbildung 3B) oder mehrdeutigen Artefakten (Abbildung 3C) resultieren, sollten wiederholt werden. Im Falle von mehrdeutigen Artefakten, wenn die Artefakte nach der Wiedererfassung vorhanden bleiben, muss der Scan nicht weiter erworben werden, da die Artefakte wahrscheinlich biologisch sind und daher in jedem Erwerb vorhanden sein werden.

Dr. Horga und Dr. Wengler berichteten jeweils über Patente für die Analyse und Verwendung von Neuromelanin-Bildgebung bei Erkrankungen des zentralen Nervensystems (WO2021034770A1, WO2020077098A1), die an Terran Biosciences lizenziert waren, aber keine Lizenzgebühren erhalten haben.