Biophysikalische Modellierung von eiseninduziertem MRT-Kontrast in Nigrosom 1 zur frühzeitigen Parkinsondiagnose

Fast zwanzig Jahre bevor der Tremor in Parkinson einsetzt, beginnen eisenreiche dopaminerge Neurone im Nigrosom 1 der Substantia Nigra abzusterben. Empfindlichere Methoden für das Erkennen dieses Absterben wären in der Lage Parkinson zu früher diagnostizieren und Therapieevaluation zu unterstützen.

Sehr vielversprechend dafür ist die Magnetresonanztomographie (MRT), da das Eisen im Neuromelanin der dopaminergen Neurone den MRT Kontrast stark beeinflusst (Abb. 1). Allerdings sind die genauen Mechanismen der Kontrastbildung in der Substantia Nigra bei Parkinson nicht bekannt, was Rückschlüsse vom MRT-Signal auf das Zellsterben einschränkt. Wir untersuchen den Einfluss von  Eisen  auf den MRT-Signalabfall, indem wir quantitative 3D Eisenhistologie mit quantitativer MRT an post-mortalem Hirngewebe und biophysikalischer Modellierung verbinden.

Wir haben ein biophysikalisches Modell entwickelt, das die chemische Form von Eisen sowie dessen ungleichmäßige Verteilung auf verschiedene Zelltypen berücksichtigt. Das Modell basiert auf quantitativen 3D Eisenkonzentrationskarten in Nigrosom 1, die wir über quantitative Ionenstrahlmikroskopie (PIXE) und histologische Eisenfärbungen erhalten haben. Wir konnten zeigen, dass das Eisen in dopaminergen Neuronen am stärksten zur effektiven transversalen Relaxationsrate (R2*) beiträgt, einem klinisch oft gemessenen MRT-Parameter.  Unser Modellvergleich zeigt, dass diese MRT-Relaxation gut durch ein Modell statischer Dephasierung beschrieben werden kann, in dem die Bewegung der Wassermoleküle vernachlässigt wird (Abb. 2). In dieser Näherung gibt R2* Aufschluss über den durchschnittlichen Eisengehalt von dopaminergen Neuronen (Yablonskiy und Haacke, MRM, 1994, 32, 6, 749-63). Die Präzision unserer Vorhersagen haben wir überprüft, indem wir sie mit MRT-Messungen des durch Eisen verursachten Kontrast verglichen haben, die wir vor und nach chemischer Eisenextraktion bei einer Feldstärke von 7 T aufgenommen haben.

Erstmals ist es uns gelungen, ein mechanistische Modell des eiseninduzierten MRT-Kontrasts in der Substantia Nigra zu entwickeln, das von fundamentalen physikalischen Gesetzmäßgikeiten abgeleitet worden ist und das die quantitative Eisenmikrostruktur berücksichtigt. In Zukunft kann dieses Wissen dazu genutzt werden, neuartige Methoden zur frühzeitigen Parkinsondiagnose zu entwickeln.

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