Kwantitatieve magnetische resonantie studies van de normaal-ogende witte en grijze stof in MS

De centrale vraag van dit proefschrift is of er in de hersenen van MS-patiënten ook buiten de reeds bekende focale of haardvormige afwijkingen in de witte stof, nog andere ziekteprocessen gaande zijn.

Samenvatting proefschrift Hugo Vrenken* (2005)

Multipele sclerose (MS) is een aandoening van de hersenen en het ruggenmerg, gekenmerkt door focale of haardvormige afwijkingen in de witte stof. In die afwijkingen treden beschadigingen op aan de myelineschede van axonen en ook aan de axonen zelf.

398proefschriftVrenkenvoorkantMRI

Met een Magnetic Resonance Imaging  (MRI) scanner kun je afwijkingen in de witte stof in beeld brengen.  Door patiënten meermalen te scannen is de ontwikkeling van de ziekte te volgen. De MRI maakt gebruik van een sterk magneetveld dat ervoor zorgt dat sommige soorten atoomkernen zich samen als een soort grote magneet gedragen. Normaal gesproken maak je bij een MRI gebruik van waterstofkernen, omdat die in groten getale in het menselijk lichaam voorkomen, vooral in watermoleculen. Door een electromagnetische puls bij de juiste frequentie kan je de evenwichtstoestand van het systeem verstoren. De atoomkernen, meestal aangeduid als “spins”, komen zogezegd in trilling en wekken dan korte tijd een wisselend magneetveld op dat te meten is.

Bij een handige combinatie van instellingen en herhaalde metingen met telkens een systematische verandering, kun je uit deze signalen beelden reconstrueren van het onderzochte weefsel. Uit onderzoek aan weefsel van overleden MS-patiënten weten we, dat een MRI vrijwel alle aanwezige haardvormige afwijkingen in de witte stof opspoort. De centrale vraag van dit proefschrift is om te onderzoeken of er ook buiten deze haardvormige afwijkingen ziekteprocessen gaande zijn in de hersenen van MS-patiënten.

Kwantitatieve MRI

Op het moment van onderzoek waren er al aanwijzingen dat in deze zogenaamde “normaal-ogende witte stof” (normal-appearing white matter, NAWM) veranderingen optreden. Om deze veranderingen aan te tonen zijn in dit onderzoek verschillende technieken gebruikt, die zijn samen te vatten onder de noemer “Kwantitatieve MR”.

De kwantitatieve MR-technieken die in dit onderzoek zijn gebruikt, zijn T1-mapping, diffusie tensor imaging (DTI), magnetization transfer imaging (MTI), en MR spectroscopie. Bij MR spectroscopie worden de concentraties gemeten van bepaalde stoffen, in dit geval van stoffen die bij de stofwisseling in de hersenen betrokken zijn, de zogenaamde metabolieten.

Door kleine verschillen in resonantiefrequentie tussen waterstofkernen en groepen waterstofkernen in verschillende moleculen en op verschillende plaatsen in moleculen, kan ieder molecuul herkend worden aan zijn karakteristieke patroon van pieken, het spectrum. Omdat het karakteristieke patroon voor al deze stoffen bekend is, kan uit het totale spectrum van een volume dat verschillende van deze stoffen bevat, de concentratie van elke afzonderlijke stof in principe bepaald worden. Een voorbeeld van een spectrum is figuur 5.1.

 

ff4proefschriftvrenkenFigure1

Figuur 5.1: Voorbeeld van MR-spectroscopie bij een patiënt met MS. De linker figuur toont de selectie van twee volumes in normaal-ogende witte stof. De middelste en rechter delen van de figuur tonen de in deze volumes gemeten spectra. In deze spectra staat langs de horizontale as de frequentie. Uit het verloop van de pieken kun je de concentraties van bepaalde in de hersenen aanwezige stoffen berekenen.

In het verleden is vaak gewerkt met de verhouding tussen de concentraties van twee stoffen, omdat het meten van “absolute” concentraties destijds niet mogelijk was. Meestal werd gemeten via de verhouding tot de stof creatine. Dit is een stof, die als constant aanwezig wordt beschouwd. De concentratie van de stof N-acetyl-aspartaat (NAA)  zou volgens zulke onderzoeken verlaagd zijn. NAA zou alleen voorkomen in gezonde, functionerende neuronen. Een verlaging van de concentratie zou betekenen dat er minder gezond neuro-axonaal weefsel is en daarom werden deze spectroscopische resultaten gezien als bewijs voor axonale schade in NAWM in MS. De laatste jaren echter is het mogelijk “absolute” concentraties te meten. Dat hebben we gedaan.

Metabolieten

Bij onze metingen hebben we gevonden dat de absolute concentratie van NAA juist niet verlaagd is, maar gelijk aan de waarde bij gezonde controlepersonen.  Dit is opmerkelijk omdat andere onderzoekers wel zo’n NAA-verlaging hadden gemeten. Het is nu dus niet duidelijk of er nu wel of geen meetbare axonale schade optreedt in de NAWM. Dat andere onderzoekers eerder wel een verlaagde NAA-concentratie hebben gemeten, komt volgens ons waarschijnlijk doordat zij een minder optimale meetmethode hebben gebruikt. Toekomstig onderzoek moet uitwijzen of onze verklaring voor deze eerdere resultaten juist is, en of er inderdaad geen meetbare axonale schade optreedt in de NAWM.

Naast de verrassende uitkomst voor NAA, werden met MR spectroscopie in ons onderzoek ook nog verhoogde concentraties gevonden van myo-inositol en van creatine. Deze wijzen samen waarschijnlijk op een verhoogde concentratie van glia-cellen. Hierbij gaat het waarschijnlijk om microglia, die ook in weefsel afkomstig van overleden MS-patiënten in NAWM zijn aangetroffen. Het is dus opvallend genoeg niet NAA (waarvan de concentratie onveranderd was) maar creatine dat via de verhoudingsberekening voor de vroeger gevonden verlaging van NAA zorgde!

T1-mapping

Bij de andere drie kwantitatieve MR-technieken (T1-mapping, DTI en MTI) zijn uit metingen sets van beelden berekend waarin voor elke plek in het hoofd de waarde van de onderzochte parameter is aangegeven. In het geval van T1-mapping geven deze zogeheten “T1-maps” voor iedere plek in de hersenen de waarde van de T1-relaxatietijd, een getal dat iets zegt over de snelheid van fysische processen en daarmee weefselafwijkingen die een rol spelen bij MRI. Figuur 5.2 toont een voorbeeld van zo’n T1-map.

d73proefschriftvrenkenFigure2b

Figuur 5.2: Voorbeeld van een zogenaamde T1-map. In dit soort plaatjes geeft de intensiteit de waarde van de T1-relaxatietijd aan: donkere gebieden hebben een lage T1-waarde, en lichte gebieden een hoge T1-waarde. Door selectie van bepaalde gebieden, bijvoorbeeld normaal-ogende witte stof, kunnen de T1-waarden in die gebieden geanalyseerd worden.

 

 

De T1-metingen in het kader van dit proefschrift (hoofdstuk 2.1) toonden, dat de T1-waarden in NAWM in MS hoger zijn dan die in witte stof bij gezonde controles. Ook andere onderzoekers hebben zulke verhogingen van de T1 in MS NAWM geconstateerd. Ons onderzoek laat als eerste zien dat gemiddeld een flink deel van de NAWM en NAGM in de hersenen van MS-patiënten afwijkend is.
De T1-metingen zijn ook nog op een heel andere wijze geanalyseerd. Alle T1-maps werden op het zogenaamde “standaardbrein” gematched,  een soort referentiescan. Hierna kunnen, zonder dat vooraf bepaalde gebieden geselecteerd hoeven te worden zoals in de zojuist beschreven regionale analyse, de T1-waarden in “alle” gebieden in de NAWM per gebied tussen de groepen patiënten en controles vergeleken worden. Hieruit bleek dat T1-verhogingen zich in MS voordoen in NAWM door de hele hersenen. Er lijken geen gebieden te zijn die zijn uitgesloten. Dit alles geeft aan dat er veranderingen optreden in de NAWM van MS-patiënten, maar het probleem met T1 is dat deze niet specifiek is.

Diffusietensor imaging

Een kwantitatieve MR-methode waarmee men meer specifieke informatie hoopt te krijgen, is diffusietensor imaging (DTI). Met DTI kunnen (indirect) de diffusie-eigenschappen van water worden gemeten. Uit de volledige diffusietensor worden doorgaans twee maten berekend.

De fractional anisotropy (FA) geeft aan in hoeverre de diffusie een voorkeursrichting kent. In de witte stof in de hersenen bestaan gebieden waar veel axonen parallel lopen. De diffusie gaat daar gemakkelijker langs de lengterichting van de axonen dan loodrecht daarop. In die gebieden is dan ook sprake van een duidelijke voorkeursrichting, en een relatief hoge FA. De apparent diffusion coefficient (ADC) daarentegen geeft juist een algemene indruk van de waterdiffusie, gemiddeld over alle richtingen.

Bij de diffusietensor-metingen in het kader van dit proefschrift zijn  ADC en FA geanalyseerd in NAWM en corticale NAGM. In NAWM was de ADC verhoogd, zowel globaal als in specifieke gebieden, terwijl de FA alleen in de globale analyse verlaagd was. In corticale NAGM was de ADC verhoogd in specifieke gebieden, maar niet in de globale analyse, en de FA was verlaagd in beide analyses. Deze waarnemingen duiden op veranderingen in het weefsel, en meer specifiek denkt men dat de myelinescheden hiervoor beschadigd moeten zijn.

Magnetization Transfer Imaging

De derde kwantitatieve MR-methode uit dit proefschrift waarbij maps worden gemaakt, is Magnetization Transfer Imaging (MTI). Hierbij worden de aanwezigheid en integriteit van de “macromoleculen” (grote moleculen) van het weefsel indirect in beeld gebracht. De aan macromoleculen gebonden spins kunnen met MR namelijk niet direct aangetoond worden. Ze  kunnen echter wel indirect worden gemeten door het effect dat ze hebben op de, wel meetbare, “vrije spins”. Bij deze methode wordt een voorbehandeling toegepast waarbij de moleculair “gebonden” spins uit hun evenwichtstoestand worden gebracht, maar de “vrije” spins niet. Er vindt dan uitwisseling van magnetisatie plaats tussen de twee soorten spins, met als gevolg dat de vrije spins als geheel minder sterk gemagnetiseerd raken. Wanneer vervolgens het signaal van de vrije spins gemeten wordt, is dit signaal lager dan zonder deze voorbehandeling. Het verschil in signaalintensiteit zegt iets over de verhouding tussen de aantallen gebonden en vrije spins, over de snelheid van uitwisseling van magnetisatie en over de snelheid van terugkeer van de beide soorten spins naar hun evenwichtstoestand en dus over de moleculaire dichtheid van het weefsel..

Magnetization Transfer Ratio

Om al deze verschillende factoren van elkaar te kunnen onderscheiden, zouden veel metingen nodig zijn, waarbij één of meer parameters systematisch worden veranderd. Hierdoor zou het onderzoek tijdrovend worden. Gekozen werd voor een alternatief dat minder kwantitatief is, maar wel sneller en makkelijker meetbaar en daarom veelgebruikt, de zogenaamde Magnetization Transfer Ratio (MTR). Voor het bepalen van de MTR zijn slechts twee metingen nodig: één “gewone” meting, zonder de speciale voorbehandeling van de gebonden spins, en één meting met de speciale voorbehandeling, waarbij één instelling van de parameters wordt gekozen.

In dit onderzoek is de MTR gemeten met een zogenaamde 3D-methode, waarbij de MRI-plakken niet afzonderlijk maar als één groot blok gemeten worden. Dit heeft als groot voordeel dat artefacten die normaal (kunnen) optreden aan de rand van een plak hier niet voorkomen. De uitkomsten lieten zien dat er in NAWM wel verlaging van de MTR optreedt maar dat dit, als de NAWM als geheel bekeken wordt, maar zeer kleine kleine veranderingen zijn. Er lijkt dus maar in beperkte mate sprake van demyelinisatie en axonale schade in MS NAWM. Alleen bij SPMS was sprake van een statistisch significante MTR-verlaging in NAWM. Ook in de onderzoeken van anderen waren de veranderingen klein, maar wel significant. In alle gevallen lijkt het er echter op dat de totale veranderingen verklaard zouden kunnen worden door MTR-verlagingen in NAWM in slechts een klein deel van de hersenen.

Om dit laatste nader te onderzoeken zijn de MTR-metingen en de T1-metingen nog aan een laatste analyse onderworpen.  De aandacht is hierbij beperkt tot de zichtbare afwijkingen en de NAWM.
Naar aanleiding van de resultaten is de verbindende hypothese betreffende de ziekteprocessen in MS NAWM, dat de demyelinisatie en axonale schade die optreden in NAWM voornamelijk secundair gevolg zijn van de haardvormige afwijkingen die met MRI zichtbaar zijn. Deze zijn dan logischerwijs meer geconcentreerd waar te nemen rond de afwijkingen dan op grotere afstand. In NAWM op grotere afstand zouden voornamelijk processen kunnen optreden die een verandering in de hoeveelheid water in het weefsel tot gevolg hebben, waaschijnlijk ten gevolge van beperkte beschadiging van de bloed-hersenbarrière.

Van belang bij deze hypothese is dat er onafhankelijk van de zichtbare afwijkingen niet of nauwelijks schade aan de macromoleculaire matrix optreedt. Zoals uit de verhoogde T1, verhoogde ADC, verlaagde FA, en de verhoogde concentraties van myo-inositol en creatine blijkt, spelen er wel ziekteprocessen, ook in ver weg gelegen NAWM, maar er is geen bewijs dat hierbij ook demyelinisatie of axonale schade optreedt anders dan als secundair gevolg van beschadigingen in de zichtbare afwijkingen.

Proefschrift: ‘Echoes of pathology. Quantitative Magnetic Resonance Studies of the Normal-Appearing White and Gray Matter in Multiple Sclerosis’, VUmc Amsterdam.
Promotoren: prof.dr. F. Barkhof; prof.dr. J.A. Castelijns; prof.dr. C.H. Polman
Co-promotor: dr. P.J.W. Pouwels
Dit proefschrift is gefinancierd door  de Stichting MS Research

Curriculum Vitae

Personalia:

Naam:     Hugo Vrenken
Geboren: 4 december 1975 te Harlingen

 Opleiding:
1993 VWO, Rijksscholengemeenschap ‘Simon Vestdijk’, Harlingen

1994 Met Distinciton geslaagd voor het eerste jaar van de studie Physics, University of Kent, Canterbury, Verenigd Koninkrijk

1998 Cum laude geslaagd voor studie Natuurkunde, specialisatie Experimentele Natuurkunde, RUG

2000 Cum Laude geslaagd voor studie Technische Natuurkunde, RUG

2000 Kamerlingh Onnes Prijs voor best afgestudeerde student van Natuurkunde/Technische Natuurkunde RUG

 Werkervaring:

Vanaf januari 2000 aan de Faculteit der Geneeskunde, VU medisch centrum, onder begeleiding van prof. dr. F. Barkhof, prof. dr. J.A. Castelijns, prof. dr. C.H. Polman, en dr. P.J.W. Pouwels, promotie-onderzoek verricht met de titel “Quantitative magnetic resonance studies of the normal-appearing white and gray matter in multiple sclerosis”. Sinds juli 2005 post-doc onderzoeker bij het VU medisch centrum met aandachtsgebied acquisitie, post-processing en analyse van MRI van hersenen.

225proefschriftVrenkenportret

Promotie:

VUmc 6 december 2005

Relatie met MS:

Voordat ik aan mijn promotie onderzoek begon, had ik geen bijzondere relatie met MS. Ik wilde graag mijn natuurkundige kennis en vaardigheden inzetten in wetenschappelijk onderzoek met een duidelijk medische toepassing. In dit project bij het VUmc zaten voor mij uitdagingen op het gebied van de MRI, maar ook wat betreft het stellen van de juiste vragen om met deze geavanceerde technieken de ziekteprocessen bij patiënten met multipele sclerose te onderzoeken. Voor het interpreteren van de resultaten heb ik veel profijt gehad van de kennis van mijn collega’s. Door de multidisciplinaire aanpak van het MS-onderzoek binnen het MS centrum van de VU wordt kennis uit verschillende hoeken samengebracht, wat denk ik in dit soort onderzoek heel belangrijk is, en wat in ieder geval voor mij erg prettig gewerkt heeft.