SiNAPSA, nedelja, 30. april 2017

eSiNAPSA

Spletna revija za znanstvenike, strokovnjake
in nevroznanstvene navdušence

Vloga magnetnoresonančne spektroskopije pri obravnavi možganskih tumorjev

Gašper Zupan, Katarina Šurlan Popovič

Nuklearna magnetnoresonančna spektroskopija (MRS) je bila razvita leta 1946 1, leta 1995 pa je Zvezni urad za hrano in zdravila v ZDA odobril avtomatiziran protokol MRS za klinično rabo 2. Danes je MRS sestavni del številnih magnetnoresonančnih (MR) protokolov in omogoča neinvazivno ter relativno hitro kemijsko analizo človeških tkiv.

Gašper Zupan Katarina Šurlan Popovič

V medicini se najpogosteje uporablja vodikova protonska MRS (v nadaljevanju MRS). Obstajajo tudi druge (npr. ogljikova ali fluorova), ki pa so dolgotrajne, potrebujejo dodatno opremo in se izvajajo le v redkih raziskovalnih centrih 3, zato jih v tem prispevku ne bomo podrobneje omenjali. Morfološko MR slikanje temelji na zaznavi signala vodikovih protonov iz vode, ki so različno razporejeni v tkivih. MRS prav tako zaznava signale vodikovih protonov, vendar ne iz vode, ampak iz drugih molekul, kot so npr. lipidi in aminokisline, ki vsebujejo vodikove protone 4. Morfološko MR slikanje se osredotoča na zaznavo enega vrha (molekule vode), končni produkt pa predstavlja slika porazdelitve vode po različnih tkivih. MRS zaznava skupek vrhov, ki predstavljajo vodikov atom v različnih kemičnih okoljih. Končni produkt tako ni porazdelitev vode po tkivih, ampak krivulja – spekter3. Slika 1A prikazuje rezultat morfološkega MR slikanja možganov, Slika 1B pa spekter, ki ga dobimo, če uporabimo MRS.

Pri različnih jakostih magnetnega polja ima proton vodika različne resonančne frekvence. Pri moči magnetnega polja 1,5 tesla (T) resonančna frekvenca znaša okoli 64 MHz. Ko zajemamo spekter, zaznamo frekvenčne premike (ang. frequency shifts), ki ponazarjajo kemično raznolikost tkiva, ki ga preučujemo. Ker so frekvenčni premiki zelo majhni, se je razvila enota delcev na milijon (ppm), ki predstavlja enoto na x-osi spektra, medtem ko lahko na y-osi odčitamo amplitudo posameznega vrha 5. Frekvenčni premik se v praksi imenuje kemijski premik (ang. chemical shift), saj je odvisen od kemijske zgradbe opazovanega metabolita 3. Spekter lahko zanesljivo opazujemo le v majhnem geometrijskem prostoru (najboljša je oblika kocke 3), ki ga imenujemo voksel. Moderni MR tomografi omogočajo sočasno zaznavo spektrov v več vokslih (t. i. tehnika multivoksel) 6. MRS je neinvazivna metoda2 in preiskovanca ne izpostavlja radioaktivnemu sevanju4. Spekter zdrave možganovine posnet na MR tomografu z močjo magnetnega polja 3T Phlips Achieva iz Centra za klinično fiziologijo Medicinske fakultete v Ljubljani je prikazan na Sliki 1B.

Slika 1
Slika 1A: Morfološka MR slika pacienta z možganskim tumorjem, prikazani sta sagitalna in koronarna ravnina. MRS se izvede le v prostoru, ki ga natančno zamejimo. Ta prostor imenujemo voksel in je na sliki prikazan z rdečim kvadratkom. 1B: MR spekter zdrave možganovine v vokslu, ki je označen z rdečim kvadratkom. Cho – holin, NAA - N-acetil aspartat, Cr – kreatin, Glx – skupen vrh glutamata in glutamina, mI – mioinozitol.

Standardna MRS obravnava

MRS predstavlja pomembno funkcionalno diagnostično orodje, ki v povezavi z drugimi diagnostičnimi metodami z večjo gotovostjo postavi diagnozo 1. Z MRS lahko v živem organizmu opazujemo majhne, mobilne molekule s koncentracijo nad 0,5 mikromol/g. Tako z metodo MRS ni mogoče prikazati večine nevrotransmiterjev (izjeme so naštete v nadaljevanju) in nekaterih nemobilnih makromolekul, kot sta tudi DNK in RNK 3. Od moči magnetnega polja in parametra TE (ang. echo time) je odvisno, katere metabolite bomo lahko zaznali. Pri jakosti magnetnega polja 1,5 T in pri dolgem TE (144–288 ms) bomo dobro prikazali N-acetil aspartat (NAA), holin, kreatin, alanin in laktat. Pri isti jakosti in kratkem TE (pod 40 ms) bodo dobro vidni mioinozitol, glukoza in nekateri proteini ter lipidi 2. Prikažemo lahko tudi nevrotransmiterja glutamat in glutamin (skupna oznaka Glx) 2, s posebnim metodami urejanja spektra (ang. spectral editing) pa tudi nevrotrasmiter GABA ter antioksidant glutation 6. Sodobni MR tomografi, namenjeni vsakodnevni klinični praksi, imajo vgrajeno programsko opremo za avtomatsko analizo osnovnega spektra. V Centru za klinično fiziologijo preiskave opravljamo na napravi Philips Achieva z močjo magnetnega polja 3T. Na Sliki 1B so s kraticami označeni tudi vrhovi posameznih komponent spektra, analiziranih s pomočjo programa Spectroview.

Osnovne spremembe spektra pri možganskem tumorju so povečan holin, laktat in lipidi ter zmanjšanje NAA in kreatina 2. V možganovini lahko z MRS zaznamo okoli 30 različnih metabolitov 6, vendar pa se v vsakodnevni klinični praksi osredotočamo le na nekatere. Pri možganskih tumorjih, ki izrastejo iz podpornih celic (gliomov) in so zelo maligni, v večini primerov zaznamo večje koncentracije holina kot pri manj malignih oblikah. Vendar moramo paziti, kam postavimo voksel. V področjih velikih nekroz, ki so značilne za najbolj maligne oblike gliomov, lahko dobimo tudi spekter z nizko koncentracijo holina. Relativno zanesljiv in najpogosteje preučevan pokazatelj malignosti pri gliomih je razmerje med NAA in holinom. Študije so pokazale, da pri bolj malignih oblikah gliomov zaznamo povečane vrednosti lipidov, laktata in mioinozitola. Ob vsem tem se je treba zavedati, da je MRS visoko senzitivna in nizko specifična metoda 2, kar pomeni, da dobro prepoznava nenormalne spremembe metabolitov, vendar te spremembe ne moremo pripisati točno določenemu vzroku. Slika 2 prikazuje spekter možganskega tumorja z nizko malignostjo, ki je bil posnet v Centru za klinično fiziologijo Medicinske fakultete v Ljubljani in avtomatsko analiziran s programom Spectroview.

Slika 2
Slika 2A: MR slika istega preiskovanca kot iz Slike 1. Tokrat je prikazana transverzalna ravnina. Rdeči kvadratek ponazarja voksel, ki je v tem primeru postavljen v tumorsko tkivo. 1B: Spekter tumorskega tkiva, najverjetneje gre za nizkomaligni gliom. Cho – holin, NAA - N-acetil aspartat, Cr – kreatin, Glx – skupen vrh glutamata in glutamina, mI – mioinozitol.

Pomen zaznave metabolita 2-hidroksiglutarat z MRS

Metaboliti glutamat, glutamin in GABA imajo vrhove v prekrivajočih se območjih spektra, zato so dobro razločljivi le z MR tomografi z magnetnim poljem 3T in več 7. V tem območju so leta 2012 prvič opisali vrhove metabolita 2-hidroksiglutarat (2-HG) 8. 2-HG je onkometabolit, ki je posledica mutacije genov za izocitratdehidrogenazo 1 ali 2. Slednja mutacija je prisotna pri približno 70 % nizkomalignih gliomov in visokomalignih gliomov, ki so se razvili iz prej nizkomalignih oblik 9. Prisotnost mutacije je povezana z boljšim izhodom bolezni 10. Zato zaznava 2-HG z MRS predstavlja neinvazivno orodje za napoved uspešnosti zdravljenja. Študija iz 2013 je pokazala 86,4 % povezavo med spektroskopsko zaznanim 2-HG in genetsko ugotovljeno mutacijo v genu IDH1 8. Ameriška študija iz istega leta je ob optimizaciji protokola dokazala kar 100 % povezavo med spektroskopsko zaznanim 2-HG in genetsko ugotovljeno mutacijo v genu IDH1 ali IDH2. Med spektroskopsko negativnimi 2-HG ni bilo primera, kjer bi bila dokazana mutacija v omenjenih genih 11, kar pomeni, da gre za metodo s 100 % senzitivnostjo in specifičnostjo. Zaznava 2-HG z MRS je zanesljiva metoda za diagnosticiranje in prognoziranje bolnikov z gliomi. Kot kažejo dosedanje študije, je zanesljivo zaznavanje 2-HG z MRS možno z MR tomografi z močjo magnetnega polja 3T ali več 12. Prav tako je potrebna temeljita obdelava rezultatov z različnimi dodatnimi programskimi orodji, kot sta LCModel 13 ali Jmrui 14 15 (več na http://www.jmrui.eu). Pokazalo se je, da se 2-HG na MR tomografih moči 3T boljše prikaže pri daljšem TE 16. Omenjen metabolit lahko dobro prikažemo že s standardno sekvenco PRESS 11. Nekateri avtorji pa so poročali, da je prisotnost 2-HG mogoče dobro prikazati tudi z drugimi alternativnimi sekvencami, kot so na primer 2D LASER-COSY, 1D MEGA-LASER 17 in semi-LASER 18.

Zaključek

MRS je uveljavljena metoda za vsakodnevno klinično uporabo in ima največjo uporabnost v povezavi z drugimi funkcionalnimi in morfološkimi MR preiskavami 1. V prihodnosti lahko pričakujemo še pogostejšo uporabo MR tomografov z močjo 3T in več. Posledica tega bi bilo boljše razmerje med signalom in šumom pri zajemanju slik 3, kar bi povečalo kvaliteto MRS. Boljšo razmejitev posameznih metabolitov spektra lahko dosežemo tudi z metodami urejanja spektra, ki so uporabne predvsem v primeru, ko se metaboliti nahajajo v prekrivajočih se spektrih 6. MRS je funkcijska MR metoda, ki nam na hiter in neinvaziven način zazna metabolit, v nadaljnji analizi pa lahko pridobimo tudi absolutne ali relativne vrednosti določenih metabolitov v opazovanem tkivu, s tem pa MRS pomembno pripomore k postavitvi dokončne diagnoze.

    ___
  1. Hollingworth W, Medina LS, Lenkinski RE, Shibata DK, Bernal B, Zurakowski D, et al. A systematic literature review of magnetic resonance spectroscopy for the characterization of brain tumors. AJNR Am J Neuroradiol. 2006; 27(7): 1404-11. 

  2. Soares DP, Law M. Magnetic resonance spectroscopy of the brain: review of metabolites and clinical applications. Clin Radiol. 2009; 64(1): 12-21. 

  3. Blüml S. Magnetic Resonance Spectroscopy: Basics. V: Blüm, S, Panigrahy A, urednika. MR Spectroscopy of Pediatric Brain Disorders. Springer Science+Business Media, 2013: 11-23. 

  4. Nagel BJ, Kroenke CD. The use of magnetic resonance spectroscopy and magnetic resonance imaging in alcohol research. Alcohol Res Health. 2008; 31(3): 243-6. 

  5. Massé K. MR Spectroscopy Real-Time Quantification of in-vivo MR Spectroscopic data. Trondheim: Norwegian University of Science and Technology; 2009. 

  6. Zhu H, Barker PB. MR Spectroscopy and Spectroscopic Imaging of the Brain. Methods Mol Biol. 2011; 711: 203-26. 

  7. Watanabe H, Takaya N, Mitsumori F. Absolute Quantitation of Glutamate, GABA and Glutamine using Localized 2D Constant-time COSY Spectroscopy in Vivo. Magn Reson Med Sci 2014; 13(1): 25-32. 

  8. Elkhaled A, Jalbert LE, Phillips JJ, Yoshihara HA, Parvataneni R, Srinivasan R, et al. Magnetic resonance of 2-hydroxyglutarate in IDH1-mutated low-grade gliomas. Sci Transl Med 2012; 4: 116ra115. 

  9. Ward PS, Patel J, Wise DR, Abdel-Wahab O, Bennett BD, Coller HA, et al. The common feature of leukemia-associated IDH1 and IDH2 mutations is a neomorphic enzyme activity converting alpha-ketoglutarate to 2-hydroxyglutarate. Cancer Cell. 2010 16; 17(3): 225-34. 

  10. Sun H, Yin L, Li S, Han S, Song G, Liu N, et al. Prognostic significance of IDH mutation in adult low-grade gliomas: a meta-analysis. J Neurooncol 2013; 113: 277–284. 

  11. Choi C, Ganji SK, DeBerardinis RJ, Hatanpaa KJ, Rakheja D, Kovacs Z, et al: 2-hydroxyglutarate detection by magnetic resonance spectroscopy in IDH-mutated patients with gliomas. Nat Med 2012; 18: 624–629. 

  12. Kim H, Kim S, Lee HH, Heo H. In-Vivo Proton Magnetic Resonance Spectroscopy of 2-Hydroxyglutarate in Isocitrate Dehydrogenase-Mutated Gliomas: A Technical Review for Neuroradiologists. Korean J Radiol. 2016; 17(5): 620–632. 

  13. Provencher SW. Estimation of metabolite concentrations from localized in vivo proton NMR spectra. Magn Reson Med. 1993; 30(6): 672-9. 

  14. Naressi A, Couturier C, Devos JM, Janssen M, Mangeat C, de Beer R, Graveron-Demilly D. Java-based graphical user interface for the MRUI quantitation package. MAGMA. 2001; 12(2-3): 141-52. 

  15. Stefan D, Cesare FD, Andrasescu A, Popa E, Lazariev A, Vescovo E, et al. Quantitation of magnetic resonance spectroscopy signals: the jMRUI software package. Measurement Science and Technology 2009; 20(10): 104035. 

  16. Choi C, Ganji S, Hulsey K, Madan A, Kovacs Z, Dimitrov I, et al. A comparative study of short- and long-TE ¹H MRS at 3 T for in vivo detection of 2-hydroxyglutarate in brain tumors. NMR Biomed. 2013; 26(10): 1242-50. 

  17. Andronesi OC, Kim GS, Gerstner E, Batchelor T, Tzika AA, Fantin VR, et al. Detection of 2-hydroxyglutarate in IDH-mutated glioma patients by in vivo spectral-editing and 2D correlation magnetic resonance spectroscopy. Sci Transl Med. 2012; 4(116): 116ra4. 

  18. Berrington A, Voets NL, Plaha P, Larkin SJ, Mccullagh J, Stacey R, et al. Improved localisation for 2-hydroxyglutarate detection at 3T using long-TE semi-LASER. Tomography. 2016; 2(2): 94-105. 

Gašper Zupan, dr. med.
Medicinska fakulteta
Univerza v Ljubljani

doc. dr. Katarina Šurlan Popovič, dr. med., spec. radiologije
Klinični inštitut za radiologijo
Univerzitetni klinični center Ljubljana

Recenziral:
prof. dr. Dušan Šuput, dr. med.
Medicinska fakulteta
Univerza v Ljubljani

Prispelo: 14. november 2016
Sprejeto: 19. december 2016
Objavljeno: 29. januar 2017