Entwicklung und Anwendung der zerebralen Magnetresonanz-Elastographie (MRE) zur mechanischen Charakterisierung des Hirnparenchyms bei neurodegenerativen Prozessen

Abstract

Neurodegenerative Prozesse umfassen eine Vielzahl von Umbauvorgängen neuronalen Gewebes auf zellulärer und extrazellulärer Ebene. Neben typischen neurodegenerativen Erkrankungen wie dem Morbus Alzheimer oder der Multisystematrophie finden sich neurodegenerative Prozesse auch als Begleiterscheinung entzündlicher ZNS-Erkrankungen sowie als inhärentes Merkmal physiologischen Alterns. Eine Früherkennung mittels klinischer oder bildmorphologischer Parameter gelingt jedoch häufig nicht. Die Magnetresonanz- Elastographie (MRE) stellt eine struktursensitive Methode dar, deren Ziel die Analyse der viskoelastischen Eigenschaften des lebenden Gewebes ist. Pilotstudien haben eine hohe Sensitivität der MRE gegenüber neurodegenerativen Prozessen im gesunden alternden Gehirn sowie bei der schubförmig- remittierenden Multiplen Sklerose (rr-MS) gezeigt. Ziel dieser Arbeit war die systematische Untersuchung der Korrelation der viskoelastischen Eigenschaften des menschlichen Gehirns mit dem Alter, klinischen Parametern sowie bildmorphologischen Kenngrößen von Patienten mit chronisch progredienter MS (pp+sp-MS) und Normaldruckhydrozephalus (NPH) gegenüber gesunden Kontrollgruppen. Methodische Grundlage hierfür stellte die Mehrfrequenz-MRE dar, mit deren Hilfe zwei gewebemechanische Kenngrößen ermittelt wurden: (1) die Elastizität (μ) sowie (2) der viskoelastische Interpolationskoeffizient (α)- ein sensitiver Parameter für die Geometrie des mechanischen Netzwerkes. Ferner wurde die volumensensitive MRT zur Abgrenzung hirngeometrischer Veränderungen angewandt. Bezogen auf das Gesamthirn wurde eine signifikante altersabhängige Abnahme der Elastizität μ in einer Größenordnung von 0,75 % pro Jahr (P <0,001) gemessen, während die jährliche Volumenreduktion lediglich 0,23 % betrug. Weiterhin zeigte sich eine Abnahme der Elastizität um 20,5 % (P <0,001) bei pp+sp-MS sowie um 20,0 % (P <0,001) bei NPH im Vergleich zu altersentsprechenden Kontrollen. Demgegenüber fand sich in der alterskorrelierten Studie eine im Vergleich geringer erscheinende Reduktion des Interpolationsparameters α. Eine deutlichere Abnahme von α wurde bei Patienten mit pp+sp-MS (-6.1 % (P <0,001)) sowie bei NPH (-9 % (P <0,01)) beobachtet. Eine Shunt-Therapie bei NPH führte zu einem signifikanten Anstieg von α (P <0,001). Insgesamt stellen μ und α zwei unabhängige viskoelastische Materialparameter dar, welche aufgrund ihrer hohen Sensitivität gegenüber mechanischen Veränderungen der Gewebematrix des Gehirns zur Charakterisierung und Quantifizierung neurodegenerativer Prozesse geeignet erscheinen. Weitere Studien zur MRE bei neurodegenerativen Erkrankungen sind notwendig um den diagnostischen Wert der zerebralen MRE zu verifizieren.

Neurodegeneration involves diverse tissue alterations on a cellular and extracellular level given by cell-loss, cell-shrinkage, neuronal remodeling and changes in the extracellular matrix. Apart from typical neurodegenerative diseases such as Alzheimer´s disease or multisystematrophy, chronic inflammatory diseases such as multiple sclerosis or even physiological aging can involve neurodegenerative processes. The detection of these processes by clinical and morphological image parameters especially at early stages is limited. Magnetic resonance elastography (MRE) represents a structure sensitive method based on the analysis of viscoelastic properties of biological tissue. Its reproducibility and high sensitivity towards neurodegenerative processes has been previously demonstrated in pilot studies. The aim of this thesis was the systematic analysis of the viscoelastic properties of the human brain and the correlation of mechanical parameters with age, clinical parameters and morphological image based markers of patients with chronic progressive multiple sclerosis (pp+sp-MS) and normal pressure hydrocephalus (NPH) compared to a healthy control group. Using multifrequency MRE two mechanical parameters can be acquired: (1) the elasticity (μ) and the powerlaw exponent (α)- a parameter sensitive towards the geometry of the mechanical network. The analysis of the brain´s volume was performed using standardized volume-sensitive MRI. An age-dependent reduction of elasticity by an annual decrease of 0.75 % (P <0.001) was observed while the annual decrease in brain volume was 0.23 % (P <0.001). The elasticity was reduced by 20.5 % (P <0.001) for patients with pp+sp-MS as well as 20.0 % (P <0.001) for patients with NPH in comparison to an age-matched control group. Interestingly, a significantly lower age-related reduction of the powerlaw exponent was observed, whereas pronounced decrease in α was found for patients with pp+sp-MS (-6.1 % (P <0.001)) and NPH (-9 % (P <0.001)). Approximately 90 days after shunt-treatment of NPH Patients α re-increased to unsymptomatic or physiological values. In conclusion, μ and α represent two independant viscoelastic parameters highly sensitive to structural changes of the mechanic tissue matrix. Therefore, cerebral MRE allows the non-invasive characterisation and quantification of neurodegenerative processes in vivo using MRE. Further studies for the verification of its diagnostic value are necessary.