Die nächste Generation der Hirnbildgebung
Erkrankungen des Nervensystems beginnen oft mit subtilen Veränderungen innerhalb einzelner Zellen, noch lange bevor herkömmliche Hirnscans sichtbare Schäden aufdecken. Diese Verzögerung kann eine frühzeitige Diagnose erschweren und die ärztliche Fähigkeit zur Unterscheidung zwischen verschiedenen Krankheitsprozessen oder zur Überwachung des Ansprechens auf die Behandlung einschränken. Die konventionelle MRT ist ein unverzichtbares klinisches Werkzeug, um festzustellen, an welcher Stelle im Gehirn Schäden aufgetreten sind, doch sie kann nicht immer erklären, welche biologischen Prozesse dafür verantwortlich sind. Neurodegenerative Erkrankungen wie die Alzheimer-Krankheit, neuroinflammatorische Erkrankungen wie Multiple Sklerose und Hirntumore betreffen jeweils unterschiedliche Zelltypen und lösen bestimmte pathologische Mechanismen aus, die bei üblichen Scans häufig ähnlich erscheinen.
Über die herkömmliche MRT hinaus gehen
Das ERC-finanzierte Projekt C-MORPH(öffnet in neuem Fenster) hat sich das Ziel gesetzt, fortschrittliche MRT-Techniken zu entwickeln, die zellspezifische Veränderungen im lebenden menschlichen Gehirn und Rückenmark erkennen können, und somit neue Möglichkeiten für eine personalisierte neurologische Gesundheitsversorgung eröffnen. Das Ziel bestand darin, über die Erstellung anatomischer Bilder hinauszugehen und insbesondere Informationen über die Zelldichte, Morphologie, intrazelluläre Organisation, den Stoffwechsel und die Gewebezusammensetzung bereitzustellen. Hierzu wurde eine Kombination aus fortschrittlichem Diffusions-MRT(öffnet in neuem Fenster), MR-Spektroskopie, Ultrahochfeld-Bildgebung und Computermodellierung angewandt. „Wir wollten zellspezifische MRT-Biomarker identifizieren, die mit den zugrunde liegenden zellulären Veränderungen im lebenden Gewebe in Zusammenhang stehen“, erklärt Hauptforscher Henrik Lundell.
Neue Bildgebungsverfahren offenbaren verborgene biologische Prozesse
Die Forscherinnen und Forscher haben neue Werkzeuge zur Charakterisierung struktureller Merkmale von Zellen entwickelt, die das Hauptaugenmerk auf neuronales Gewebe richten. Ihre Arbeit demonstrierte, wie neuartige Kontrastmechanismen(öffnet in neuem Fenster) gleichzeitig die Größe und Form mikroskopischer Strukturen im Mikrometerbereich unterscheiden können. Das Projekt zeigte, dass fortgeschrittene Diffusionsmethoden die Gewebemikrostruktur besser charakterisieren können, während weniger Interferenzen durch Faktoren wie die Faserorientierung auftreten. Es wurden zudem Verfahren entwickelt, um entzündliche Aktivitäten von dauerhaften Gewebeschäden zu unterscheiden, die wertvolle Erkenntnisse über den Krankheitsverlauf und das Ansprechen auf die Behandlung bereitstellen. „Wir haben fortschrittliche MRT-Methoden entwickelt, die die Bewegung von Wasser und Metaboliten nutzen, um biologische Prozesse auf zellulärer Ebene zu erfassen“, erklärt Lundell. Durch die Kombination von Informationen aus Wasserdiffusion(öffnet in neuem Fenster), Metabolitenmobilität und Gewebezusammensetzung können die Forscherinnen und Forscher Veränderungen in spezifischen Zellpopulationen untersuchen, bevor großflächige strukturelle Schäden sichtbar werden. Darüber hinaus förderte das Projekt ein völlig neues Bildgebungsphänomen zu Tage, die spektrale Anisotropie. Der Effekt, der zunächst theoretisch und durch Computersimulationen beschrieben wurde, konnte nun erstmals experimentell nachgewiesen werden.
Auf dem Weg in die klinische Praxis
Obwohl viele der Techniken einen hohen technischen Reifegrad erreicht haben, ist vor einer routinemäßigen klinischen Anwendung eine weitere Validierung in größeren Kohortengruppen mit Patientinnen und Patienten erforderlich. Laut Lundell könnten verschiedene quantitative und fortgeschrittene Diffusions-MRT-Methoden innerhalb der nächsten fünf Jahre Einzug in spezialisierte klinische Zentren halten, da sich die Scanner-Hardware und -Software stetig weiterentwickelt. Komplexere Stoffwechselbildgebungsverfahren erfordern vor ihrer breiten Anwendung eine zusätzliche multizentrische Validierung und Normung. Überdies untersucht das Projekt im Rahmen von Studien mit Patientinnen und Patienten weiterhin das klinische Potenzial der spektralen Anisotropie und anderer neu entwickelter Biomarker. Die Methoden sollen über Erkrankungen des Nervensystems hinausgehend wertvolle Erkenntnisse über die gesunde Gehirnentwicklung, das Altern, das Lernen und den Einfluss des Lebensstils auf die Hirngesundheit liefern.
