Wolter de Graaf onderzocht de kwaliteit en mogelijkheden van MRI – techniek bij hoge veldsterkte van 7 Tesla. Hij vergeleek die met metingen bij lagere veldsterkte van 3 Tesla. Hij deed bij ratten met de op MS-lijkende ziekte EAE onderzoek naar de mogelijkheid om nauwkeurig de hoeveelheid ijzer in verschillende delen van het hersenweefsel te meten. Bij MS hoopt ijzer zich op in hersenweefsel.

Samenvatting van het proefschrift van Wolter de Graaf

proefschrift-121017-vdgraafcoverDit proefschrift beschrijft een aantal studies naar de klinische toepassing van hoog veld MRI in Multiple Sclerose. Daarbij is vooral gekeken naar sequenties die waardevol bleken te zijn op lagere veldsterktes. Daarnaast is ook gekeken naar studies waarin de rol van ijzerophoping in het brein van MS patiënten is onderzocht.

Ontstekingen in het centraal zenuwstelsel afgebeeld met MRI

MS werd lang uitsluitend als een witte stof ziekte gezien. Met MRI was men in staat ontstekingsplekken (laesies) in de witte stof in de hersenen af te beelden. MRI sequenties die in staat waren om juist de laesies goed naar voren te laten komen en daarbij het signaal van de achtergrond weg te onderdrukken, zoals FLAIR, zijn hierdoor van grote waarde gebleken. Daarnaast was ook de ontwikkeling en toepassing van een contrastmiddel erg belangrijk: nieuwe, actieve laesies kleuren vaak aan na toediening van het contrastmiddel terwijl oudere laesies dat niet doen. Hierdoor was het mogelijk om onderscheid in leeftijd te maken tussen laesies, waardoor de betrouwbaarheid van de diagnose omhoog ging. De gevoeligheid voor het detecteren van laesies verbeterde zo ver dat ook steeds meer diffuse afwijkingen zichtbaar werden. De correlatie tussen klinische klachten en afwijkingen die met MRI zichtbaar waren te maken in het brein was echter niet erg hoog. Hierdoor was er sprake van een zogenaamde clinico-radiologische paradox: vaak hadden patiënten veel klachten terwijl met MRI weinig laesies zichtbaar waren en andersom.

Met de ontwikkeling van betere MRI apparatuur en sequenties werd het ook mogelijk om laesies in de grijze stof af te beelden. Aangezien deze laesies weinig tot geen ontsteking laten zien, zijn deze moeilijk af te beelden. Op dit moment staan de laesies in de grijze stof erg in de belangstelling omdat hiermee ook meer duidelijkheid valt te verkrijgen over cognitieve problemen die MS patiënten ervaren. De ontwikkeling van sterkere MRI apparatuur waarbij de veldsterkte werd verhoogd van 1.5 Tesla (de standaard) naar 3 Tesla leverde beelden met hogere resolutie en verbeterde signaal-ruis-verhoudingen. Er werden meer en kleinere laesies gevonden, maar de diagnose MS kon hiermee niet in een vroeger stadium gesteld worden. Dit was enigszins onverwacht: verhoging van de veldsterkte verhoogde niet automatische de klinische waarde van MRI bij MS.

In hoofdstuk twee is door middel van een review gekeken naar ontwikkelingen van hoog veld MRI voor wetenschappelijk onderzoek en diagnose. Daarnaast is gekeken naar de mogelijke noodzaak om de diagnostische criteria te herzien naar aanleiding van nieuwe sequenties die toegepast kunnen worden op hoger veld (3 en 7 Tesla). Deze kunnen directe klinische waarde hebben of wellicht geschikt zijn voor onderzoek naar de oorzaak van MS. Daarnaast kan het ook van belang zijn om resultaten op lager veld (1.5 Tesla) te verklaren. Tenslotte kan hoog veld MRI ook toegepast worden om de werkzaamheid van een therapie in een zeer vroeg stadium te volgen en te beoordelen. Individuele patiënten zouden zo kunnen profiteren van behandelingen die precies op hen toegesneden zijn. Zeven Tesla MRI wordt op dit moment nog niet in de kliniek gebruikt, maar in de toekomst is het zeker niet ondenkbaar dat juist deze apparatuur wordt ingezet om niet alleen de diagnose MS mee te helpen stellen, maar ook om in een vroeg stadium het ziektetype en verwachte prognose mee te kunnen specificeren.

Hiervoor is het noodzakelijk om zowel de hardware als de software kant van een systeem te optimaliseren. Hoog veld MRI brengt nieuwe problemen met zich mee die opgelost dienen te worden voor beeldkwaliteit en gevoeligheid optimaal zijn voor een waardevolle toepassing. Daarnaast dient ook gekeken te worden naar de extra belasting voor de patiënt die deze apparatuur met zich mee kan brengen.

Ondanks deze technische uitdagingen wordt grote vooruitgang geboekt op dit gebied. In hoofdstuk drie wordt een studie beschreven waarin specifiek is gekeken naar de klinische toepasbaarheid van 7 Tesla MRI in MS. Sequenties waarmee goede resultaten werden behaald op lager veld, zijn aangepast voor gebruik op hoog veld waarbij naast de gevoeligheid voor het detecteren van afwijkingen ook de lengte van het onderzoek en de stralingsbelasting als gevolg van het magnetisch veld in de gaten moesten worden gehouden. Na optimalisatie werden vijf MS patiënten en vijf gezonde controles onderzocht. De beelden werden op beeldkwaliteit en afwijkingen bekeken. De laesies werden gesorteerd op locatie waarbij onderscheid werd gemaakt tussen laesies welke dicht tegen de laterale ventrikels lagen (periventriculair), diep in de witte stof, dicht bij de hersenschors (juxtacorticaal), zowel in de witte stof als in de hersenschors (mixed) of juist alleen in de hersenschors (corticaal).

De weergave van de grijze en witte stof op de 7 Tesla beelden was anders dan op 3 Tesla waarbij vooral opviel dat door de hogere signaal-ruis-verhouding en resolutie veel perivasculaire ruimtes (kleine ruimtes rondom de bloedvaten) zichtbaar werden. Deze ruimtes bestaan voornamelijk uit hersenvocht en de gebruikte sequenties (FLAIR en DIR) onderdrukken het signaal van het hersenvocht . Dit was echter wel het geval voor het vocht in de ventrikels, maar niet in het geval van perivasculaire ruimtes. Omdat het signaal van deze ruimtes hoog is, net als dat van de laesies zouden deze ‘witte plekken’ aangezien kunnen worden voor MS laesies. Het was daarom nodig om in geval van twijfel de beelden van meerdere kanten te bekijken zodat duidelijk werd wat werd afgebeeld.

De nieuwe 3D-MP-FLAIR sequentie op 7 Tesla liet het grootste aantal laesies zien (592), terwijl de meer conventionele T1- en T2-gewogen sequenties de laagste aantallen (resp. 384 en 442) lieten zien. Ook de nieuwe 3D-MP-DIR sequentie presteerde beter met 558 laesies. Vooral juxtacorticale witte stoflaesies bleken significant beter zichtbaar op de FLAIR beelden vergeleken met conventionele T2-gewogen beelden. De zogenaamde ‘mixed’ laesies waren bovendien beter zichtbaar op zowel FLAIR als DIR beelden vergeleken met conventionele T2- gewogen beelden. Deze studie heeft daarom laten zien dat 7 Tesla MRI gebruikt kan worden voor een klinisch MS protocol en dat de FLAIR en DIR sequenties daarbij meer laesies laat zien dan conventionele sequenties.

Om vervolgens te beoordelen of een 7 Tesla MRI protocol meer laesies laat zien dan eenzelfde protocol op 3 Tesla werd de studie uitgevoerd welke is beschreven in hoofdstuk 4. Hiervoor namen 38 MS patiënten en 8 gezonde controles deel aan een studie waarbij zij zowel met 3 Tesla als 7 Tesla MRI werden onderzocht. Het protocol bestond uit een T1- en T2-gewogen sequentie en een 3D-FLAIR sequentie. Deze combinatie van sequenties wordt algemeen toegepast bij MS protocollen. De beelden werden in willekeurige volgorde beoordeeld door drie onderzoekers/ radiologen. Zij zagen daarbij geen klinische of paraklinische gegevens van de deelnemers. Laesies werden gesorteerd op dezelfde manier als de studie in hoofdstuk 3, waarbij weer extra zorg werd besteed aan het voorkomen van het tellen van perivasculaire ruimtes als laesies.

De directe vergelijking liet zien dat het totale aantal laesies dat werd gezien met 3 Tesla en 7 Tesla MRI niet significant afweek voor de T1-gewogen en FLAIR sequenties. Echter, op de T2-gewogen beelden werden duidelijk meer laesies gezien op 7 Tesla. Uit deze resultaten lijkt naar voren te komen dat de klinische impact van 7 Tesla MRI met betrekking tot een hogere gevoeligheid om in een vroeger stadium een diagnose te kunnen stellen laag is. Deze trend was al zichtbaar op 3 Tesla en ook op 7 Tesla lijken er niet veel meer witte stof laesies zichtbaar te worden.

Wanneer echter werd gekeken naar de afzonderlijke brein regio’s vielen een aantal dingen op: periventriculair gelegen laesies waren minder goed zichtbaar op 7 Tesla vergeleken met 3 Tesla voor alle sequenties. Dit effect kan deels artificieel zijn: 7 Tesla beelden kennen hoge intensiteiten in het midden van het brein terwijl de signaalsterkte aan de buitenkant lager is. Wanneer met behulp van de beeldinstellingen dit verlies van signaal gecompenseerd wordt, kunnen signalen van laesies in het midden van het brein, zoals periventriculaire laesies, gesatureerd raken en het onderscheid tussen losse laesies verloren gaan. De toegepaste procedure voor het tellen van laesies stelde als eis dat confluerende laesies als één werden geteld wanneer geen duidelijk onderscheid tussen de laesies viel te maken. Dit effect zou vervolgens minder sterk aanwezig moeten zijn bij patiënten met slechts weinig laesies in deze gebieden: de kans dat er dan confluerende laesies zijn is lager. Daarom is er gekeken naar laesie aantallen bij patiënten met de hoogste en laagste aantallen periventriculaire en diepe witte stof laesies. Hieruit bleek dat patiënten met de hoogste aantallen laesies op 3 Tesla, 22% minder laesies vertoonden op 7 Tesla beelden, terwijl geen verschil aantoonbaar was bij patiënten met de laagste aantallen laesies in de beschreven gebieden.

Ook in gezonde controles werden een aantal laesies gevonden, waarbij er vanuit werd gegaan dat dit geen MS laesies waren. Op 7 Tesla beelden werden meer laesies gezien dan op lager veld, maar in een ‘subject-wise’ analyse was dit verschil niet significant. Deze laesies zijn waarschijnlijk van vasculaire oorsprong en worden gezien als een normaal fenomeen dat past bij het ouder worden. Een aantal van de laesies in MS patiënten zal daarom ook niet veroorzaakt zijn door MS.

Met betrekking tot de corticale laesies werden er significant meer gevonden op 7 Tesla beelden. De klinische waarde van corticale laesies wordt hoog geacht omdat corticale schade verschilt tussen de verschillende subtypes MS. Dit geldt voor zowel de fysieke als de cognitieve symptomen. Hoewel de aanwezigheid van corticale laesies momenteel nog niet wordt meegenomen in de diagnostische criteria, zou dit in de toekomst wel de nauwkeurigheid van de criteria kunnen verhogen. Daarmee zou dan ook meteen de waarde van 7 Tesla MRI worden vergroot.

Naast de conventionele sequenties zoals deze worden toegepast in MS protocollen hebben op 7 Tesla ook sequenties met T2*-weging laten zien dat ze goed in staat zijn om corticale laesies aan te tonen. Eigenschappen zoals het vaak voorkomen van de laesies vlak naast de venen of een hypointense rand, veroorzaakt door ijzerophopingen, worden goed weergegeven door ultra-hoog veld MRI.

Verschillende parameters konden in deze studie niet constant worden gehouden bij de overgang van 3 Tesla naar 7 Tesla. Het gelijk houden van de ene parameter zou de andere weer zwaar beïnvloeden. Toch wordt er vanuit gegaan dat de gekozen configuratie waardevol is omdat ook gekeken moet worden naar de klinische implementeerbaarheid van het potentieel van ultra-hoog veld MRI.

Op lager veld heeft de DIR sequentie, die zowel het signaal van de grijze als de witte stof onderdrukt en daarmee corticale laesies beter zichtbaar maakt, zichzelf bewezen ten opzichte van FLAIR, T1- en T2-gewogen sequenties. De totale signaalsterkte is echter laag bij deze sequentie. Het toepassen van DIR op ultra-hoog veld dat zorgt voor een sterker signaal, zou dus voordelig kunnen zijn voor het detecteren van corticale laesies met deze sequentie. In hoofdstuk 5 is daarom deze hypothese onderzocht. Van 37 MS patiënten en 7 gezonde controles werden 3D-DIR, 3D-FLAIR, T1- en T2-gewogen beelden vergeleken. Wederom werden laesies gesorteerd naar de eerder beschreven groepen (hoofdstuk 3 en 4).

In tegenstelling tot de resultaten op lager veld werden met FLAIR 89% meer corticale laesies gezien vergeleken met DIR. Omdat grote verschillen in laesie aantallen per patiënt dit verschil zouden kunnen veroorzaken, is ook een ‘subject-wise’ analyse uitgevoerd. Hieruit bleek dat het hogere aantal corticale laesies gezien met FLAIR ten opzichte van DIR ook dan statistisch significant was en dat dit vooral veroorzaakt werd door het feit dat minder ‘mixed’ laesies gezien werden. Directe vergelijking van DIR en FLAIR beelden liet zien dat de weergave van het brein op de beelden anders was. Vooral de hersenschors wordt op deze beelden in een gelaagde structuur weergegeven waarbij ook nog het relatieve contrast met de omgeving sterker is op DIR. Hierdoor worden laesies in de hersenschors wellicht over het hoofd gezien. Ook door de dubbele inversiepuls die wordt toegepast bij DIR treedt meer signaalverzwakking op die debet kan zijn aan het lagere aantal gedetecteerde laesies. Tenslotte zorgt een hoge resolutie in combinatie een hoog contrast voor een ‘druk’ beeld waarbij naast laesies ook veel kleine vaatjes hyperintens worden afgebeeld. Hierdoor kunnen laesies over het hoofd worden gezien of ten onrechte niet als laesie worden aangeduid.

De resultaten van deze studie laten zien dat met de toegepaste configuratie van de aanbevolen sequenties voor klinische toepassing op 7 Tesla, corticale grijze stof afwijkingen het best gezien worden met 3D-FLAIR en niet met 3D-DIR of met conventionele sequenties.

Kwantitatieve MRI in MS op hoog veld: T1 relaxatietijden van normaal ogende witte stof

De witte stof in de hersenen van MS patiënten ziet er op kwalitatieve MRI beelden vaak normaal uit, maar verschilt toch van dat van gezonde controles wanneer er met verschillende kwantitatieve technieken naar wordt gekeken. Dit lijkt een bevestiging van de veranderingen die in histopathologische studies al werden gevonden. Veranderingen in normaal ogende witte stof worden gezien in alle subtypes en worden door het gehele brein gevonden. In genormaliseerde histogrammen van T1 relaxatietijd beelden van de hersenen van MS patiënten worden typische lagere piekhoogten en verhoogde relaxatietijden gevonden. Dit geldt ook voor de grijze stof, zij het meer subtiel. Op 7 Tesla zijn T1 relaxatietijden langer en in combinatie met een hogere signaalsterkte kunnen beelden met een hogere resolutie en/of hogere nauwkeurigheid gemaakt worden.

De klinische studie in hoofdstuk 6 gebruikte een sequentie die T1 relaxatietijden kwantitatief bepaalt. 29 MS patiënten en 8 gezonde controles ondergingen 7 Tesla MRI onderzoek om beelden met T1 relaxatietijden en conventionele T1- en T2-gewogen beelden te maken. Van de T1 relaxatietijd beelden werden histogrammen gemaakt ter controle van de methode, maar ook werden op de conventionele beelden grote witte stof gebieden geselecteerd uit een gebied net boven de laterale ventrikels. Daarbij werd er voor gezorgd dat laesies niet meegenomen werden. Daarna werden de gebieden na registratie gekopieerd naar de T1 relaxatietijd beelden.

Omdat op de conventionele beelden op 7 Tesla ook kleine bloedvaten zichtbaar werden die hoge T1 relaxatietijden hebben, werden in een derde methode kleinere gebieden gesegmenteerd, waarbij ook zichtbare ruimtes rond vaten (perivasculaire ruimten) geëxcludeerd werden. Analyse van de resultaten van de drie methoden liet zien dat met de eerste methode hogere T1 relaxtietijden in de witte en grijze stof werden gevonden als gevolg van de inclusie van laesies. Deze resultaten waren naar verwachting. De tweede methode liet ook verhoogde T1 relaxatietijden zien in overeenstemming met eerder onderzoek op lager veld. Echter wanneer de (op hoog veld) zichtbare vaten uit de witte stof geëxcludeerd werden, waren de verschillen tussen patiënten en controles niet significant meer. De verschillen zoals op lager veld gezien, zouden daarom veroorzaakt kunnen worden door vergrote perivasculaire ruimten. Dat deze ruimten vergroot zijn bij MS patiënten was al eerder aangetoond, echter waren deze ruimten moeilijk zichtbaar te maken op laag veld MRI beelden.

Simulatie van dit fenomeen laat zien dat bij een relatieve vergroting van het volume van 8.5% van de perivasculaire ruimtes ten opzichte van gezonde controles, de gevonden verhoging van de gemiddelde T1 relaxatietijden verklaard kunnen worden. De gemeten verschillen in relaxatietijden zoals gevonden in de eerdere studies op lager veld zouden dus wellicht eerder toegeschreven kunnen worden aan de vergroting van perivasculaire ruimten dan door T1 relaxatietijd veranderingen in de witte stof zelf.

Afbeelden van ijzerconcentraties in MS

IJzerophopingen in het brein zijn een normaal fenomeen bij het ouder worden, maar ook bij neurodegeneratieve ziekten. Verhoogde ijzerconcentraties in specifieke brein regio’s worden ook steeds meer gezien bij MS. Het precieze mechanisme achter dit fenomeen en de gevolgen met betrekking tot de pathofysiologie en het klinische belang zijn echter nog grotendeels onbekend. In vele studies is geprobeerd om op een betrouwbare en nauwkeurige manier de ijzerconcentraties in het brein te meten. Deze methoden maken meestal gebruik van T2- en T2*- gewogen sequenties. Vooral de laatste biedt de meeste mogelijkheden wat betreft gevoeligheid en implementeerbaarheid. De T2* tijden kunnen door omzetting via R2* (=1/ T2*) gebruikt worden om via evenredige verbanden ijzerconcentraties te bepalen. Deze en andere methoden worden besproken in hoofdstuk 7. Naast het meten van relaxatietijden, worden ook fase, susceptibiliteit en magnetisch veld correlatie metingen besproken. Na het bespreken van de voor- en nadelen, worden ook bestaande klinische MRI correlaties met ijzer in het brein besproken en mogelijke richtingen voor toekomstig onderzoek aangegeven. Hierbij wordt aandacht gegeven aan het correleren van ijzerconcentraties in de buurt van laesies en in de diepe grijze stof aan ziekte gerelateerde effecten. Ook wordt gekeken naar de verwachte mindere bijdrage van ijzer in de witte stof ten opzichte van grijze stof. Tenslotte is de verwachting dat door het meten van de susceptibiliteit op hoog veld, relaxatie effecten die een nauwkeurige bepaling van ijzerconcen-traties in de weg zitten, kunnen worden geëlimineerd.

Zoals in het review van hoofdstuk 7 is beschreven, zijn T2*-gewogen sequenties gevoelig voor het aantonen van ijzer. Naast het afbeelden van endogeen ijzer is het ook mogelijk om toegediend exogeen ijzer af te beelden. Contrastmiddelen gebaseerd op ijzeroxide blijken in MS complementaire waarde te hebben naast de op Gadolinium gebaseerde contrast middelen. In hoofdstuk 8 wordt daarom een experiment beschreven waarbij is gekeken naar de toepassing van een nieuw contrastmiddel op basis van ultrakleine deeltjes ijzeroxide (USPIO), het middel P904 van Guerbet. Deze studie is uitgevoerd in Lewis ratten die gevoelig zijn voor het ontwikkelen van experimentele auto-immuun encephalomyelitis (EAE). Deze aandoening is een geaccepteerd diermodel voor MS. Een eerder toegepast contrastmiddel, SineremTM, vertoonde al aankleuring in zowel MS als EAE. Hoewel de dieren wel ernstige EAE ontwikkelden werd in slechts één van de drie dieren aankleuring gezien en wel op een locatie die ook aankleurde met Gadolinium. Immunohistologie liet diffuse ontstekingen zien in het brein, maar met een ijzerkleuring kon geen ijzeroxide teruggevonden worden. Kleuring van de cervicale lymfeklieren liet wel duidelijk ijzer zien. Naast geclusterd ijzer werd ook diffuse aankleuring gezien. Hoewel er sprake kan zijn van drainage van het contrastmiddel vanuit het brein naar de lymfeklieren wordt niet verwacht dat deze route exclusief is. Daarom kan worden aangetoond dat de ijzeroxide deeltjes in de bloedbaan terecht zijn gekomen, maar is er geen bewijs voor aanwezigheid in het breinparenchym. Het is daarom mogelijk dat de effectieve dosis die nodig is om contrast aan-kleuring met MRI te bewerkstelligen hoger ligt dan de doses die zijn gebruikt. Bij het dier waar aankleuring werd gezien werd een dubbele dosis gebruikt vergeleken met die welke normaal gesproken wordt toegepast voor SineremTM. Ook het handhaven van een hoge concentratie USPIO gedurende langere tijd zou kunnen zorgen voor het opladen van macrofagen in het bloed die gerekruteerd worden om de ontsteking in het brein te bestrijden. Daarnaast is wellicht het tijdstip waarop het contrastmiddel werd toegediend in relatie tot de ontwikkeling van de laesies als gevolg van EAE, kritischer dan werd verwacht. In dit onderzoek is de aankleuring van laesies in EAE doormiddel van P904 niet aangetoond kan nog geen conclusie worden getrokken over de klinische inzetbaarheid.

Promotoren: prof. dr. F. Barkhof, prof. dr. J.A. Castelijns en prof. dr. P.R. Luijten.
Copromotor: mw. prof. dr. H.E. de Vries

Het onderzoek werd mogelijk gemaakt door financiële steun van de Stichting MS Research.

Curriculum Vitae

icon-1 Personalia
Naam:     Wolter L. de Graaf
Geboren: 29 januari 1976

icon-2 Opleiding:

1994 CSG Oostergo, Dokkum

1999 Toegep. Natuurkunde, Hogeschool Enschede

2006 Master Biomedische Technologie, Technische Universiteit Eindhoven

icon-3 Werkervaring:

Stages en afstudeerproject bij oa. Isala Klinieken Zwolle en UMC St. Radboud Nijmegen

Promotieonderzoek afd. Radiologie VUmc Amsterdam

Als post-doc is hij nu werkzaam op het gebied van cardiovasculaire MRI bij de vakgroep Biomedical NMR van de Technische Universiteit Eindhoven

proefschrift-121017-vdgraafportret

Promotie:

17 oktober 2012 Vrije Universiteit Amsterdam

Relatie met MS:

geen speciale relatie