黒質のニューロメラニン感受性磁気共鳴イメージングのための標準化されたデータ取得

ニューロメラニン(NM)は、黒質(SN)のドーパミン作動性ニューロンおよびコエルレウス座(LC)のノルアドレナリン作動性ニューロンに見られる暗い色素です^1,2。NMは、細胞質ドーパミンとノルエピネフリンの鉄依存性酸化によって合成され、ソーマ³のオートファジー液胞に貯蔵されます。それは2〜3歳頃に人間に最初に現れ、^1,4,5歳で蓄積します。

SNおよびLCニューロンのNM含有液胞内では、NMは鉄と複合体を形成する。これらのNM-鉄錯体は常磁性であるため、磁気共鳴画像法(MRI)を用いてNMを非侵襲的に可視化することができます^6,7。NMを可視化できるMRIスキャンは、NM感度MRI(NM-MRI)として知られており、直接的または間接的な磁化伝達効果を使用して、NM濃度の高い領域(SNなど)と周囲の^白質8,9との間のコントラストを提供します。

磁化移動コントラストは、高分子結合水プロトン(磁化移動パルスによって飽和している)と周囲の自由水プロトンとの間の相互作用の結果である。NM-MRIでは、NM-鉄錯体の常磁性が周囲の自由水陽子の_T1 を短くし、その結果、磁化伝達効果が減少し、NM-MRIスキャンでNM濃度の高い領域が高輝度に見えると考えられている¹⁰。逆に、SNを取り巻く白質は高分子含有量が高いため、磁化移動効果が大きいため、NM-MRIスキャンではこれらの領域が低信号に見えるため、SNと周囲の白質とのコントラストが高くなります。

SNにおいて、NM−MRIは、ドーパミン作動性細胞喪失¹¹およびドーパミン系機能¹²のマーカーを提供することができる。これらの2つのプロセスは、いくつかの神経精神障害に関連しており、膨大な量の臨床および前臨床研究によってサポートされています。例えば、ドーパミン機能の異常は統合失調症で広く観察されている。陽電子放出断層撮影(PET)を用いたin vivo研究では、線条体ドーパミン放出の増加13,14,15,16およびドーパミン合成能力の増加が示されています^{17,18,19,20,21,22}.さらに、死後の研究では、統合失調症の患者は、大脳基底核²³および^SN24,25におけるチロシンヒドロキシラーゼ(ドーパミン合成に関与する律速酵素)のレベルが上昇していることが示されています。

いくつかの研究は、特にパーキンソン病におけるドーパミン作動性細胞喪失のパターンを調査している。死後の研究では、SNの色素性ドーパミン作動性ニューロンがパーキンソン病の神経変性の主要な部位であり^26,27、パーキンソン病のSN細胞喪失は正常な老化における細胞喪失と相関していないことが明らかになりました²⁸、それは疾患の期間と相関しています²⁹.ドーパミン作動系を調査するためのほとんどの方法とは異なり、非侵襲性、費用対効果、および電離放射線の欠如により、NM-MRIは用途の広いバイオマーカーとなっています³⁰。

この論文で説明されているNM-MRIプロトコルは、NM-MRIの被験者内および被験者間の再現性の両方を高めるために開発されました。このプロトコルは、下方-上方向のNM-MRIスキャンのカバレッジが限られているにもかかわらず、SNの完全なカバレッジを保証します。このプロトコルは、矢状、冠状、および軸方向の3次元(3D)T1強調(T1w)画像を利用しており、適切なスライススタック配置を実現するための手順に従う必要があります。この論文で概説されているプロトコルは、複数の研究^31,32で利用されており、広範囲にテストされています。Wenglerらは、NM-MRI画像が複数の日にわたって各参加者で2回取得されたこのプロトコルの信頼性の研究を完了^{しました32}。クラス内相関係数は、関心領域(ROI)ベースおよびボクセルワイズ分析に対するこの方法の優れたテスト再テストの信頼性、および画像の高いコントラストを示しました。

注:このプロトコルを開発するために実施された研究は、ニューヨーク州精神医学研究所の治験審査委員会のガイドライン(IRB#7655)に準拠して実施されました。1人の被験者がプロトコルビデオを録画するためにスキャンされ、書面によるインフォームドコンセントが得られました。このプロトコルで使用されるMRIスキャナーの詳細については、 資料表 を参照してください。

1. MRI取得パラメータ

1. 次のパラメータを持つ3D磁化準備高速取得勾配エコー(MPRAGE)シーケンスを使用して高解像度T1w画像を取得する準備をします:空間分解能= 0.8 x 0.8 x 0.8 mm³;視野 (FOV) = 176 x 240 x 240 mm³;エコー時間 (TE) = 3.43 ミリ秒;繰り返し時間 (TR) = 2462 ミリ秒;反転時間 (TI) = 1060 ミリ秒;フリップ角度= 8°;面内平行イメージング係数(ARC)= 2。スループレーンパラレルイメージングファクター(ARC)= 2³³;帯域幅 = 208 Hz/ピクセル;合計取得時間=6分39秒。
2. 次のパラメータで磁化伝達コントラスト(2D GRE-MTC)を持つ2次元(2D)勾配想起エコーシーケンスを使用してNM-MRI画像を取得する準備をします:解像度= 0.43 x 0.43 mm²;視野 = 220 x 220 mm²;スライスの厚さ= 1.5 mm;20スライス;スライスギャップ= 0mm;TE = 4.8 ミリ秒;TR = 500 ミリ秒;フリップ角度= 40°;帯域幅 = 122 Hz/ピクセル;MT周波数オフセット= 1.2kHz;MTパルス持続時間 = 8 ms;MTフリップ角度= 670°;平均の数= 5;合計取得時間=10分4秒。
   注意: 表示された結果はこれらのMRI取得パラメータを使用しましたが、このプロトコルはさまざまなT1wおよびNM-MRIイメージングプロトコルに有効です。NM-MRIプロトコルは、SNの完全なカバレッジを保証するために、下方-上位方向に~25mmをカバーする必要があります。

2. NM-MRIボリュームの配置

1. 高解像度のT1w画像(≤1mm等方性ボクセルサイズ)を取得します。画像取得直後にオンラインで再フォーマットを使用して、前後交連(AC-PC)ラインと正中線に整列した高解像度のT1w画像を作成します。
   1. ベンダーが提供するソフトウェアを使用してオンラインで再フォーマットを実行します(たとえば、GEスキャナーでデータを取得する場合:計画のマルチプラナー再構築(MPR)、シーメンススキャナーでデータを取得する場合:3DタスクカードのMPR、フィリップススキャナーでデータを取得する場合:VolumeViewパッケージのレンダリングモードでMPR)。
      1. AC-PCラインに垂直な軸面で3D T1w画像の多面再構成を作成し、最小限のスライスギャップで脳全体をカバーします。
      2. AC-PCラインに垂直な冠状平面で3D T1w画像の多面再構成を作成し、最小限のスライスギャップで脳全体をカバーします。
      3. AC-PCラインに平行な矢状面に3D T1w画像の多面再構成を作成し、最小限のスライスギャップで脳全体をカバーします。
2. 再フォーマットされた高解像度T1w画像の矢状、冠状、および軸方向のビューをロードし、表示された各スライスの位置を示す参照線が存在することを確認します。
3. 中脳と視床の間の最大の分離を示す矢状画像を特定します(図1A)。これを行うには、この最大の分離を示すスライスが特定されるまで、再フォーマットされたT1w画像の矢状スライスを目視検査します。
4. ステップ2.3の終わりの矢状画像を使用して、中脳の最も前方の側面を描く冠状面を視覚的に識別します(図1B)。
5. ステップ2.4の終わりの冠状画像を使用して、第3脳室の下側を描写する軸面を視覚的に識別します(図1C)。
6. ステップ2.3の終わりの矢状画像で、NM-MRIボリュームの上境界をステップ2.5で特定された軸面に合わせます(図1D)。
7. NM-MRIボリュームの上境界を3 mm上方向に動かします(図1E)。
8. NM-MRIボリュームを軸画像と冠状画像の正中線に合わせます(図1F)。
9. NM-MRI画像を取得します。

図1: NM-MRIボリュームの配置手順を段階的に示す画像。黄色の線は、プロトコルで説明されているボリューム配置に使用されるスライスの位置を示します。(A)まず、中脳と視床の間の最大の分離を有する矢状像が特定される(プロトコルのステップ2.3)。(B)第2に、 Aからの画像を用いて、中脳の最も前方の側面を描写する冠状平面を特定する(ステップ2.4)。(c)第3に、Bで特定された平面からの冠状画像上に 、 第3脳室の下側面を描写する軸面が特定される(ステップ2.5)。(D)第4に、 C で識別された軸面が A からの矢状像に表示される(ステップ2.6)。(E)第5に、軸面を D から上方向に3mmずらし、この平面がNM-MRIボリュームの上位境界を示す(ステップ2.7)。(F)冠状像が Cに対応し、矢状像が Aに対応し、軸像が Eの軸面に対応する最終的なNM-MRIボリューム配置。NM-MRIボリュームは、冠状および軸画像では脳正中線に、矢状画像ではAC-PCラインに位置合わせされます(ステップ2.8)。この図の一部は、 ³⁰日からエルゼビアの許可を得て転載されています。略語:NM-MRI =神経メラニン感受性磁気共鳴画像法;AC-PC =前交連-後交連。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3. 品質管理チェック

1. 取得したNM-MRI画像がSN全体をカバーし、SNが中央の画像には表示されているが、NM-MRIボリュームの最も優れた画像または最も劣った画像には表示されないことを確認してください。それ以外の場合は(図2)、手順2.3〜2.9を繰り返して、NM-MRIボリュームが正しく配置されていることを確認します。高解像度T1wスキャンの取得以降、参加者が大幅に移動した場合は、手順2.1〜2.9を繰り返します。

図2: 最初の品質管理チェック(プロトコルのステップ3.1)に失敗したNM-MRI取得の例。20個のNM-MRIスライスのそれぞれを、最も劣ったもの(左上の画像)から最も優れたもの(右下の画像)に表示しました。画像ウィンドウ/レベルは、黒質とクリュス・セレブリのコントラストを誇張するように設定されました。スライス15〜19のオレンジ色の矢印は、それらのスライス内の黒質の位置を示しています。最も優れたスライス(スライス20)の赤い矢印は、このスライスに黒質がまだ表示されていることを示しているため、取得は品質チェックに失敗します。略語:NM-MRI =神経メラニン感受性磁気共鳴画像法。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

2. 取得したNM-MRIスキャンの各スライスを視覚的に検査することにより、アーティファクト、特にSNと周囲の白質を通過するアーティファクトを確認します。
   1. 通常の解剖学的境界を尊重しない線形パターンで信号強度の急激な変化を探します。たとえば、これは、2つの高強度領域に隣接する低強度領域として表示される場合があります。
   2. アーチファクトが血管の結果である場合(図3A)、これらのアーティファクトは常に存在する可能性が高いため、NM-MRI画像を保持します。
   3. アーチファクトが参加者の頭の動きの結果である場合(図3B)、参加者にできるだけ静止し、ステップ3.2.5に従ってNM-MRI画像を再取得するように通知します。
   4. アーチファクトがあいまいな場合(図3C)、ステップ3.2.5に従ってNM-MRI画像を再取得します。再取得時にアーティファクトが残っている場合は、取得の問題の結果ではなく生物学的である可能性が高いため、これらの画像を進めます。
   5. NM-MRI 画像が手順 3.1 の品質管理チェックに合格した場合は、前の NM-MRI ボリューム配置をコピーします。NM-MRI画像がステップ3.1の品質管理チェックに失敗した場合は、手順2.3〜2.9を繰り返して、NM-MRIボリュームが正しく配置されていることを確認します(参加者が大幅に移動した場合は手順2.1〜2.9)。

図3:2回目の品質管理チェック(プロトコルのステップ3.2)に失敗したNM-MRI取得の例。ケースごとに 1 つの代表的なスライスのみが表示されます。(A)NM-MRI取得で、青い矢印で識別された血管の結果である血管アーチファクト(赤い矢印)が原因で品質管理チェックに失敗した場合。(B)モーションアーチファクト(赤い矢印)のために品質管理チェックに失敗したNM-MRI取得。(C)あいまいなアーティファクト(赤い矢印)のために品質管理チェックに失敗したNM-MRI取得。略語:NM-MRI =神経メラニン感受性磁気共鳴画像法。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4 は、精神障害や神経障害のない28歳の女性参加者の代表的な結果を示しています。NM-MRIプロトコルは、 図1で概説したプロトコルのステップ2に従うことによって達成されるSNの完全なカバレッジと、プロトコルのステップ3に従うことによって満足のいくNM-MRI画像を保証します。SNとNM濃度が無視できる近隣の白質領域(すなわち、大脳)との間の優れたコントラストが見られる。これらの画像は、SNの適切なカバレッジを確認し、アーティファクトをチェックするために、取得直後にチェックされました。SNの完全なカバレッジはアーティファクトなしで達成されたため、スキャンは品質チェックに合格し、繰り返す必要はありませんでした。

図4: 代表的なNM-MRI取得の例。20個のNM-MRIスライスのそれぞれを、最も劣ったもの(左上の画像)から最も優れたもの(右下の画像)に表示しました。画像ウィンドウ/レベルは、精神障害または神経障害のない28歳の女性参加者からの黒質とCRUS CEREBRIのコントラストを誇張するように設定されました。NM-MRIプロトコルは、黒質の完全なカバレッジ、遺伝子座の部分的なカバレッジ、および満足のいくNM-MRI画像を保証します。黒質とニューロメラニン濃度のない隣接する白質領域(すなわち、大脳クル)との間の優れたコントラストは、スライス9〜16で見ることができます。下の画像は、スライス13から中脳を拡大して表示したものです。略語:NM-MRI =神経メラニン感受性磁気共鳴画像法。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2 は、精神障害または神経障害のない28歳の女性参加者の代表的な結果を示しており、画像は最初の品質管理チェック(ステップ3.1)に失敗しました。SNは、最も優れたスライス(スライス20)において可視であり、SNの完全なカバレッジが達成されなかったことを示す。この場合、 図1に示すように、プロトコルのステップ2.3〜2.9を繰り返してデータを再集録する必要があります。参加者が最初のT1w画像の取得以降に大きく移動した場合、研究者はステップ2.1に戻ってT1w画像を再取得する必要があります。

図 3 は、2 回目の品質管理チェック (ステップ 3.2) に失敗した画像の例を示しています。ステップ3.2で概説したように、血管に起因するアーチファクトを含むスキャン(図3A)は、すべての取得に存在する可能性が高いため、繰り返す必要はありません。動きに起因するアーチファクト(図3B)またはあいまいなアーチファクト(図3C)を含むスキャンを繰り返す必要があります。あいまいなアーティファクトの場合、再取得後もアーティファクトが残っている場合、アーティファクトは生物学的である可能性が高く、したがってすべての取得に存在するため、スキャンをさらに再取得する必要はありません。

ホルガ博士とウェングラー博士はそれぞれ、中枢神経系疾患におけるニューロメラニンイメージングの分析と使用に関する特許(WO2021034770A1、WO2020077098A1)を保有していると報告し、Terran Biosciencesにライセンス供与されましたが、ロイヤルティは受け取っていません。