Standardisierte Datenerfassung für Neuromelanin-sensitive Magnetresonanztomographie der Substantia nigra

Neuromelanin (NM) ist ein dunkles Pigment, das in dopaminergen Neuronen der Substantia nigra (SN) und noradrenergen Neuronen des Locus coeruleus (LC)^1,2 vorkommt. NM wird durch die eisenabhängige Oxidation von zytosolischem Dopamin und Noradrenalin synthetisiert und in autophagischen Vakuolen im soma³ gespeichert. Es tritt erstmals beim Menschen im Alter von 2-3 Jahren auf und reichert sich mit dem Alter^von 1,4,5 Jahren an.

Innerhalb der NM-haltigen Vakuolen von SN- und LC-Neuronen bildet NM Komplexe mit Eisen. Diese NM-Eisen-Komplexe sind paramagnetisch und ermöglichen eine nichtinvasive Visualisierung der NM mittels Magnetresonanztomographie (MRT)^6,7. MRT-Scans, die NM visualisieren können, werden als NM-sensitive MRT (NM-MRT) bezeichnet und verwenden entweder direkte oder indirekte Magnetisierungstransfereffekte, um einen Kontrast zwischen Regionen mit hoher NM-Konzentration (z. B. SN) und der umgebenden weißen Substanz zu erzeugen ^8,9.

Der Magnetisierungstransferkontrast ist das Ergebnis der Wechselwirkung zwischen makromolekular gebundenen Wasserprotonen (die durch die Magnetisierungstransferpulse gesättigt sind) und den umgebenden freien Wasserprotonen. In der NM-MRT wird angenommen, dass die paramagnetische Natur von NM-Eisen-Komplexen das_T1 der umgebenden freien Wasserprotonen verkürzt, was zu reduzierten Magnetisierungs-Transfer-Effekten führt, so dass Regionen mit höherer NM-Konzentration auf NM-MRT-Scans hyperintensiv erscheinen¹⁰. Umgekehrt hat die weiße Substanz, die das SN umgibt, einen hohen makromolekularen Gehalt, was zu großen Magnetisierungs-Transfer-Effekten führt, so dass diese Regionen auf NM-MRT-Scans hypointensiv erscheinen und somit einen hohen Kontrast zwischen dem SN und der umgebenden weißen Substanz bieten.

In der SN kann die nm-MRT einen Marker für den dopaminergen Zellverlust¹¹ und die Dopaminsystemfunktion¹² liefern. Diese beiden Prozesse sind für mehrere neuropsychiatrische Erkrankungen relevant und werden durch eine Vielzahl klinischer und präklinischer Arbeiten unterstützt. Zum Beispiel wurden Anomalien in der Dopaminfunktion bei Schizophrenie häufig beobachtet; In-vivo-Studien mit Positronen-Emissions-Tomographie (PET) haben eine erhöhte striatale Dopaminfreisetzung 13,14,15,16 und eine erhöhte Dopaminsynthesekapazität gezeigt 17,18,19,20,21,22 . Darüber hinaus haben Post-mortem-Studien gezeigt, dass Patienten mit Schizophrenie erhöhte Spiegel von Tyrosinhydroxylase – dem geschwindigkeitsbegrenzenden Enzym, das an der Dopaminsynthese beteiligt ist – in den Basalganglien²³ und SN^24,25 haben.

Mehrere Studien haben Muster des dopaminergen Zellverlusts untersucht, insbesondere bei der Parkinson-Krankheit. Post-mortem-Studien haben gezeigt, dass die pigmentierten dopaminergen Neuronen des SN der primäre Ort der Neurodegeneration bei der Parkinson-Krankheit sind^26,27, und dass, während der SN-Zellverlust bei der Parkinson-Krankheit nicht mit dem Zellverlust bei normalem Altern korreliert ist 28^, sondern mit der Dauer der Krankheit^{korreliert ist 29} . Im Gegensatz zu den meisten Methoden zur Untersuchung des dopaminergen Systems machen die Nichtinvasivität, die Kosteneffizienz und das Fehlen ionisierender Strahlung die NM-MRT zu einem vielseitigen Biomarker³⁰.

Das in dieser Arbeit beschriebene NM-MRT-Protokoll wurde entwickelt, um sowohl die Reproduzierbarkeit der NM-MRT innerhalb als auch zwischen den Probanden zu erhöhen. Dieses Protokoll gewährleistet eine vollständige Abdeckung des SN trotz der begrenzten Abdeckung von NM-MRT-Scans in die untergeordnete Richtung. Das Protokoll verwendet sagittale, koronale und axiale dreidimensionale (3D) T1-gewichtete (T1w) Bilder, und die Schritte sollten befolgt werden, um eine korrekte Platzierung des Slice-Stacks zu erreichen. Das in diesem Artikel beschriebene Protokoll wurde in mehreren Studien^31,32 verwendet und ausgiebig getestet. Wengler et al. führten eine Studie zur Zuverlässigkeit dieses Protokolls durch, bei der NM-MRT-Bilder bei jedem Teilnehmer zweimal über mehrere Tage hinweg aufgenommen wurden³². Intra-Klassen-Korrelationskoeffizienten zeigten eine ausgezeichnete Test-Retest-Zuverlässigkeit dieser Methode für ROI-basierte und voxelweise Analysen sowie einen hohen Kontrast in den Bildern.