Unterschiede zwischen Myelin im Kortex und der weißen Substanz: eine Herausforderung für MRT-basierte Myelinbiomarker
Myelin, die fetthaltige Substanz, die zur Isolierung von Axonen dient, besteht aus einer Vielzahl von Lipiden, Proteinen und Wasser. Es ist die Hauptkontrastquelle in Magnetresonanzbildern (MRT) des menschlichen Gehirns. Alle MRT-Parameter, einschließlich der longitudinalen und transversalen Relaxationsraten (R1, R2, R2 *), der Protonendichte (PD), des Magnetisierungstransfers (MT) und der magnetischen Suszeptibilität, sind aufgrund unterschiedlicher biophysikalischer Mechanismen sensibel auf die Gewebemyelinisierung. Daher können quantitative MR-Parameter dazu verwendet werden, die Gehirnentwicklung, die kortikalen Myeloarchitektur, Plastizität und Neurodegeneration am lebenden Menschen zu untersuchen.
Die Mechanismen, die der Empfindlichkeit von MRT-Parametern gegenüber Gewebemyelinisierung zugrunde liegen, sind nur teilweise bekannt, und die Validierung von MRT-basierten Myelinbiomarkern ist schwierig, da Methoden zur histologischen Myelinquantifizierung fehlen. Klassische histologische Methoden (Färbungen und Immunhistochemie) liefern keine quantitativen Informationen über den Myelingehalt und spiegeln nur einige der verschiedenen Myelinkomponenten wider. Kürzliche methodische Entwicklungen zur Lipidquantifizierung bieten eine vielversprechende Alternative. In diesem Projekt untersuchen wir die Lipidbildgebung mithilfe der Matrix-unterstützten-Laserdesorption / -ionisation (MALDI) als Methode zur Validierung von MRT-basierten Myelin-Biomarkern und wir vergleichen sie mit histologischen Myelin-Färbungen in post-mortalen menschlichen Gehirngewebeproben. Die folgenden beiden Abbildungen zeigen einige Ergebnisse, die wir bisher erzielt haben.
Abbildung 1 zeigt, dass alle von uns untersuchten Myelinfärbungen und quantitativen MR-Parameter einen hohen Kontrast zwischen weißer und grauer Substanz bieten, wobei die weiße Substanz einen höheren Myelingehalt aufweist. Die im Kortex aufgedeckten Myelinisierungsmuster unterschieden sich jedoch zwischen Färbungen und MRT-Parametern. In der Silberfärbung und der Immunhistochemie (Anti – basisches Myelinprotein) war ein Gradient des Myelingehalts von der pialen Grenze bis zur Grenze der weißen Substanz auffällig, der den in R2 * - und PD-Karten beobachteten Mustern ähnelte. Bei der Färbung mit Luxol Fast Blue wurde eine Hyperintensität der kortikalen Schicht IV beobachtet, die dem in den R1-Karten gefundenen Muster entsprach. Unsere Ergebnisse zeigen, dass verschiedene histologische Färbungen für den Myelinnachweis ähnliche, aber differenzierte Informationen zur Gewebemyelinisierung liefern, insbesondere im Kortex. Unterschiede zwischen histologischen Methoden entsprechen möglicherweise Unterschieden in der Spezifität zwischen MRT-basierten Myelinmarkern.
Abbildung 2 zeigt ein Durchschnitts-MALDI-Massenspektrum in menschlichem Gehirngewebe mit Peaks, die verschiedenen Lipidklassen widerspiegeln. Beispielhafte Lipidkarten für ausgewählte m/z-Verhältnisse sind ebenfalls dargestellt. MALDI zeigte unterschiedliche Zusammensetzung von Lipiden in weißer und grauer Substanz, kortikalen Schichten und in der radiatio optica. Dies ist wichtig für die Interpretation von Myelin-Biomarkern auf R1- und MT-Basis, da wir wissen, dass die Lipidzusammensetzung die Relaxationseigenschaften myelinisierter Fasern beeinflussen kann. Die Kombination der Informationen aus allen Lipidkarten mit einer Hauptkomponentenanalyse legt das Vorhandensein von zwei Hauptlipidkomponenten nahe (angegeben als PCA1 und PCA2). Die Lipide der ersten Komponente befinden sich überwiegend in der weißen Substanz, weisen ebenfalls einen intrakortikalen Gradienten auf und spiegeln höchstwahrscheinlich den lokalen Myelingehalt wider. Die Lipide der zweiten Komponenten sind vor allem im primären visuellen Kortex lokalisiert. Wir steleln die Komponentenkarten den quantitativen MRT-Karten gegenüber.
Unsere bisherigen Ergebnisse legen nahe, dass Unterschiede in der Lipidzusammensetzung des Kortex und in den Faserbündeln der weißen Substanz bei der Interpretation von MRT-basierten Karten der Gehirnmyelinisierung berücksichtigt werden sollten und dass eine Hauptkomponentenanalyse von MALDI-MSI-Lipidkarten verwendet werden kann, um einen histologischer Myelin-Biomarker zur Validierung quantitativer MRT-Parameter zu erhalten.