Entschlüsselung der pathophysiologischen Prozesse, induziert durch eine Querschnitt­lähmung: Anwendung von MRT basierter in vivo und ex vivo Histologie (ERA-Net NEURON)

Rückenmarksverletzungen werden zumeist durch Traumata wie Verkehrs- oder Sportunfälle verursacht. Sie sind verheerende und das Leben verändernde Ereignisse, führen häufig zu Lähmungen und haben langfristige Auswirkungen auf die Gesundheit, wirtschaftliche und soziale Aspekte. Nach einer traumatischen Rückenmarks­verletzung treten im ersten Jahr nach der Verletzung oberhalb dieser umfangreiche morphometrische Veränderungen (das heißt Volumenverlust) im zentralen Nervensystem auf. Paraplegie (Lähmung der unteren Extremitäten) und Tetraplegie (Lähmung der Beine und Arme) schränken die Lebensqualität des betroffenen Menschen ebenso drastisch und dauerhaft ein wie die Erwerbsfähigkeit. Diese negativen Folgen treten ein, da die funktionelle Genesung nach einer Rückenmarksverletzung begrenzt ist und die Mehrheit der Patienten langfristig unter starken Beeinträchtigungen leidet. Während ein Rehabilitationstraining das klinische Bild nach einer Rückenmarksverletzung verbessern kann, was den größten Nutzen für das Leben der Patienten darstellt, sind die degenerativen Prozesse sowie die Mechanismen, die eine neurologische und funktionelle Heilung unterstützen, bislang nicht gut aufgeklärt.

Die jüngsten Entdeckungen haben unser Verständnis für die Regeneration des zentralen Nervensystems und der funktionellen Genesung in Tiermodellen der Rückenmarksverletzung befördert. Einige könnten in Behandlungen mit Nutzen für Patienten übertragen werden, jedoch hängt ihr Erfolg von sorgfältig geplanten klinischen Studien ab. Folglich ist es notwendig, Biomarker auf der Basis nicht-invasiver Bildgebung zu entwickeln und diese mit den zugrunde liegenden mikroskopischen Gewebeveränderungen und den daraus resultierenden  Beeinträchtigungen zu korrelieren. Solche Biomarker könnten beitragen, die Erkrankungsprozesse zu verstehen, da sie die Gewebeveränderungen im Krank­heits­verlauf nachverfolgen könnten.

Modernste nicht-invasive MRT-Verfahren sind in der Lage, strukturelle Veränderungen wie die Gewebeatrophie zu messen und so unser Verständnis der Pathologie zu verbessern. Kürzlich haben Studien gezeigt, dass es machbar ist, solche Verfahren oberhalb der Stelle der Verletzung (d. h. im Gehirn) von Patienten mit Rückenmarksverletzung anzuwenden. Mittels MRT-basierter in vivo Histologie – ein in der Entwicklung befindlicher Teilbereich der Magnet­resonanztomografie - wollen wir die fehlende Verbindung zwischen den gemessenen MRT-Signalen und den Veränderungen im Gehirn herstellen, was uns dabei helfen wird, die Erkrankungsprozesse bei einer Rückenmarksverletzung zu erklären und besser zu verstehen. Zusätzlich werden modernste biophysikalische Modelle entwickelt werden, um die Mikrostrukturänderungen zu verstehen, die den beobachteten morphometrischen Veränderungen zugrunde liegen.

Derzeit entwickeln wir Messprotokolle für die quantitative Multiparameter-Kartierung und die diffusionsgewichtete Magnetresonanztomo­grafie (dMRT), die das Signal-Rausch-Verhältnis maximieren und die Qualität der Aufnahmen im somatomotorischen Kortex und in der kortikospinalen Bahn verfeinern. Die Multiparameter-Kartierung wird insbesondere optimiert, um Off-Resonance-Artefakte und Radiofrequenz-Transmissionsfeld-Inhomogenitäten unter Beibehaltung einer hohen räumlichen Auflösung zu minimieren. Die Optimierung der diffusionsgewichteten Bildgebung (DWI) umfasst die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses, der räumlichen Auflösung, der diffusionswichtenden b‑Faktoren sowie die Reduktion von Artefakten. Zur Sicherstellung eines ausreichenden Signal-Rausch-Verhältnisses entwickeln wir MRT-Pulssequenzen mit nicht-kartesischen k-Raum Auslesetrajektorien und gleichzeitiger genauer Messung der Trajektorien, wobei wir die besonderen Möglichkeiten des 3T Siemens CONNECTOM Scanners mit 300 mT/m Gradientenamplituden und eines Skope Feldkamera-Systems an unserem Institut nutzen.

Dieses Projekt wird gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF).

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