Как МРТ спектроскопия выполняет виртуальную биопсию
Магнитно–резонансная спектроскопия выполняет «виртуальную биопсию» путем измерения концентрации химических веществ в головном мозге абсолютно безопасным и неинвазивным методом, используя стандартное МРТ оборудование. Изменения в химическом составе головного мозга дают представление о патологических явлениях, значительно дополняя МРТ диагностику.
На сегодня существует более 28 000 публикаций, посвященных использованию МРТ спектроскопии для широкого ряда неврологических расстройств, однако эта многообещающая методика применяется в клинической практике еще не в полном объеме. Последние технические достижения могут превратить МРТ спектроскопию из исследовательского метода диагностики в практический.
МРТ спектроскопия идеально подходит для многоразовых измерений и для оценки результатов лечения путем получения химических сигналов, или метаболитов, из интересующей нас области. Создается спектрограмма пиков, каждый из которых соответствует химическому веществу, резонирующему на своей частоте (измеряются в миллионных долях); при этом высота пика отражает концентрацию этого химического вещества в головном мозге (выражающуюся как соотношение к креатину в институциональных единицах или как концентрация в миллимолях).
Метаболиты головного мозга
С помощью МРТ спектроскопии можно обнаружить различные метаболиты, а их биологические роли могут дать патофизиологическую информацию для определения диагноза и контроля за ходом лечением.
Основные метаболиты это N-ацетил аспартам (NAA), по которому можно судить о состоянии нейронов; холин (Cho), который защищает мембраны клеток от разрушения и может использоваться для оценки повреждения ткани вследствие травмы мозга или рака; общий креатин (Cr) может быть использован в качестве энергетического маркера, хотя в большинстве случаев он служит внутренним контрольным показателем; мио-инозитол (ml) является осмолитом и астроцитным маркером. Не так давно было доказано, что МРТ спектроскопия может измерять 2-гидроксиглатарат (1HG), онкометаболит – высокоспецифичный маркер рака.
Глутамат (Glu, который часто трудно отличить от глутамина, оба вещества иногда совместно обозначаются как Glx) – это возбуждающие нейротрансмиттеры, действие которых часто ослабляется болезнью и лечением; лактат (Lac) – маркер гипоксии; и глутатион (GSH), антиоксидант, уровни которого могут отражать нейровоспаление, и который также можно измерить, применив специализированные инструменты пост-процессинга.
Клиническое применение
Различные неврологические расстройства по-разному влияют на метаболиты мозга. Каждый метаболит имеет «нормальную» концентрацию, которая создает набор пиков, одинаковую для любого человека, если только у него нет какой-нибудь патологии. Таким образом, диагностика при помощи МРТ спектроскопии может производиться путем сравнения числовых значений концентраций метаболитов или путем выявления нестандартных наборов пиков в спектрах, аналогично расшифровке электроэнцефалограмм.
Неврологические болезни поражают до одного миллиарда людей по всему миру и являются одной из главных причин их недееспособности и страданий. Диагностика часто затруднена, и время для эффективной терапии может быть ограничено.
МРТ визуализация с ее отличной контрастностью мягких тканей является самым широко используемым методом для обнаружения поражений мозга. Ее отличают морфологическая детализация и чувствительность к изменению состава и физических свойств воды. Однако обычная МРТ не способна обнаруживать изменения в плотности клеток, их типе или биохимическом составе, но все это можно исследовать при помощи МРТ спектроскопии.
Кроме того, поражения различных патофизиологий часто выглядят одинаково на МРТ. Поэтому МРТ и МРТ спектроскопия являются взаимодополняющими инструментами диагностики, мониторинга протекания заболеваний и ответа на терапию.
Возможность проводить неинвазивную диагностику на ранней стадии или повышать уверенность врачей при постановке диагноза одинаково высоко ценятся как пациентами, так и врачами. Отсюда и рост числа центров визуализации, включающих МРТ спектроскопию в свои клинические протоколы для обследования мозга. Было опубликовано более 60 000 научных работ по использованию МРТ спектроскопии для исследования человеческого организма, из которых 20 000 посвящены исследованию мозга.
Эти исследования охватывают большой диапазон неврологических расстройств, включая опухоли мозга, церебральные абсцессы, приступы, болезнь Альцгеймера, метаболические расстройства, травмы мозга, рассеянный склероз, хронические боли, нейротоксичность, гипоксию, невропсихиатрические болезни, такие как шизофрения, депрессия и биполярное расстройство, и даже раннюю диагностику болезни печени.
Неинвазивный и количественный характер МРТ спектроскопии делает ее отличным средством для оценки результатов клинических испытаний лекарств. Исследования можно часто повторять без каких-либо последствий для пациента или объекта клинического исследования, в отличие от биопсии или других инвазивных методов.
В качестве прямого или заместительного биомаркера МРТ спектроскопия обладает более высокой чувствительностью при измерении эффектов лекарственных средств, чем другие клинические методы. На сайте Clinical-Trials.gov было найдено более 488 зарегистрированных исследований, использующих МРТ спектроскопию для описания процесса, протекающего в теле пациента, или для изучаемого вмешательства.
Функция МРТ спектроскопии есть в сканерах всех известных производителей, таких как GE Healthcare, Siemens Healthineers, Philips, Canon (ранее Toshiba) и Hitachi. Хотя нет четких данных, осмотр МРТ систем в больничной сети BWH показал, что 90 процентов из них имеют МРТ спектроскопию. Аналогичным образом, почти каждый крупный образовательный медицинский центр имеет персонал, работающий с МРТ спектроскопией.
Проблемы и их решения
Несмотря на тысячи публикаций, демонстрирующих точность и диагностическую ценность МРТ спектроскопии, этот многообещающий метод еще не полностью используется в клинической практике по двум основным причинам: 1) проблемы с получением данных, 2) плохая интеграция анализа данных в клинический рабочий процесс.
В отличие от обычной МРТ визуализации, при которой сканируется весь мозг, МРТ спектроскопия работает, как виртуальная биопсия, и дает возможность выбирать интересующий вас участок. Это создает определенные трудности для операторов, хотя новые технологические разработки (такие как усовершенствование автоматических алгоритмов шиммирования) по большей части устранили потребность в ручных настройках, занимающих много времени.
Новые, более совершенные методы МРТ спектроскопии, такие как визуализация химического сдвига, также позволяют получать более высокое пространственное разрешение и выполнять ретроспективное восстановление данных из выбранных областей, хотя для этого приходится в какой-то мере жертвовать соотношением сигнала к шуму.
Однако появление этих новшеств также поднимает вопрос стандартизации методологий, так как научная литература разбита по различным методикам. Международное общество МРТ в медицине решило устранить это препятствие и создало консенсусную группу, чтобы стандартизировать методы для всех производителей.
В настоящее время инструменты восстановления МРТ спектроскопии каждого производителя (например, GE FuncTool, Siemens Syngo, Philips FreeWave), получившие разрешение FDA, используют различные методы восстановления данных, но не дают возможность менять глубину анализа.
С одной стороны, исследовательские инструменты используют передовые методы обработки данных и предоставляют количественную информацию высокого качества по метаболитам (например, LCModel, jMRUI, AQSES, Tarquin). Однако для настройки и работы с этими системами требуются экспертные знания и есть трудности с интеграцией этих систем в клинический рабочий процесс. Тем не менее, производители сейчас работают над усовершенствованием своего программного обеспечения. ПО, разработанное третьими сторонами, пытается заполнить этот пробел (например, BrainSpec). Эти последние технологические разработки помогут превратить МРТ спектроскопию в клинический метод диагностики, внедрив технологию будущего в сегодняшние клиники.
Об авторе: Д-р Александр Лин – директор Центра клинической спектроскопии в больнице Бригэм энд Уименс и доцент радиологии в Гарвардской медицинской школе. Он получил степень доктора наук по биофизике и молекулярной биохимии в Калифорнийском технологическом институте и является членом научного общества в Национальном институте здоровья. Занимается исследованиями МРТ спектроскопии с 1997 года.
