МАГНИТОРЕЗОНАНСНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ (1H MРС) КАК МЕТОД ДИАГНОСТИКИ ОСОБЕННОСТЕЙ МЕТАБОЛИЗМА ГОЛОВНОГО МОЗГА У ПАЦИЕНТОВ С БОЛЕЗНЬЮ ПАРКИНСОНА

ВВЕДЕНИЕ

Метод ядерной магниторезонансной (ЯМР) спектроскопии позволяет изучать состав и структуру веществ на различных уровнях — от субмолекулярного до макроскопического. С помощью ЯМР можно исследовать квантовые эффекты, конформацию белков, а также in vivo анализировать метаболический состав различных тканей человеческого организма. Задачей метода ЯМР высокого разрешения в основном является идентификация новых химических соединений, установление их структуры, реакционной способности и изучение механизмов ре­акций с их участием. Клинические приложения ­метода ЯМР-спектроскопии in vivo (протонной магниторезонансной спектроскопии, или ¹H MРС) направлены на обнаружение отличий в содержании метаболитов — веществ извест­ной структуры. На каждом из трех этапов проведения исследований in vivo — сбор данных (включая выбор области локализации), их обработка и калибровка (выражение данных в стандартных биохимических единицах) — ЯМР является количественным методом анализа.

¹H MРС позволяет определять границу между нормой и патологическими изменениями, проявляющимися на раннем этапе развития заболевания, которые не выявляются обычными клиническими лабораторными исследованиями крови, ликвора, мочи. Особенностью метода МРС, в отличие от магниторезонансной томографии (МРТ), является его способность к обнаружению большого числа химических соединений, наблюдаемых в виде спектра ЯМР в выделенной области головного мозга. Несмотря на то что метод МРС активно развивается на протяжении двух последних десятилетий, лишь недавно были сформулированы основные аспекты его применения в клинической практике (Rud­kin T.M., Arnold D.L., 1999).

В спектрах ЯМР ткани головного мозга наблюдаются сигналы следующих метаболитов: N-аце­тил­аспартата (NAA), холинсодержащих соединений (Cho), креатина и креатинфосфата (Cr и РCr), глутамина (Gln), глутамата (Glt) и миоинозитола (mIns), а также сигнал лактата (Lac). Положе­ние спектральной линии (химический сдвиг (δ) ­выражается в миллионных долях (м.д.) рабочей час­тоты спектрометра), зависит от химического окружения соответствующей функциональной группы, а амплитуда сигнала в спектре ЯМР — от количества функциональных групп в каждой из молекул и от концентрации данного метаболита в ткани головного мозга (Bolinger L., Lenkinski R.E., 1992).

NAA содержится в основном внутри нейронов и аксонов и практически отсутствует во внеклеточном пространстве. Концентрация NAA — маркера функциональной активности нейронов — в сером веществе выше, чем в белом (Tallan H.H., 1957). В комплексе с Glt — важнейшим трансмиттером цент­ральной нервной системы — NAA существует в виде NAAGlt, и именно этот комплекс обеспечивает накопление Glt в клетках, а также выполняет протекторные и антитоксические функции. Интенсивность сигнала NAA (δ=2,02 м.д.) может характеризовать эффективность проводимой терапии и активность процессов восстановления функций головного мозга (Choi D.W., 1988).

Cr и PCr проявляются в спектрах в виде синглета, δ=3,04 м.д. (Lenkinski R.E., Schnall M.D., 1996; Ross B.D., Bluml S., 1996). Креатин частично поступает с пищей, а также синтезируется в печени, почках, поджелудочной железе. Соединяясь с фосфатной группой, креатинфосфат (КФ) выступает в качестве аккумулятора энергии в нейронах и мышцах, выполняя функции буфера для АТФ и АДФ. Показано (Ross B.D., Bluml S., 1996), что значение отношения Cr/PCr, за исключением опухолевой ткани и областей ишемического поражения головного мозга, является постоянной величиной, так что сигнал Cr может быть использован в качестве внутреннего стандарта для количественного определения содержания остальных метаболитов.

Сигнал Cho наблюдается в спектрах при δ=3,22 м.д. Основные холинсодержащие соединения, обнаруживаемые в спектрах, — ацетилхолин и фосфатидилхолин (Lenkinski R.E., Schnall M.D., 1996; Ross B.D., Bluml S., 1996).

Большая часть сигналов, наблюдаемых в спектрах ЯМР in vivo, относится к таким аминокислотам, как Gln и Glt, а также одному из основных нейротрансмиттеров — γ-аминобутирату. Резонансные линии β- и γ-протонов метильных групп Gln и Glt наблюдаются в интервале 2,1–2,5 м.д., а α-протонов метильных групп — при 3,8 м.д. Количественное содержание Gln определяется по интегральной интенсивности β-СН₃ группы Gln, наблюдаемой при 2,45 м.д. (Rudkin T.M., Arnold D.L., 1999).

mIns — алкоголят сахаров, физиологическая функция которого до настоящего времени полностью не выяснена. 70% интегральной интенсивности сигнала, наблюдаемого при 3,56 м.д., соответствует собственно mIns, 15% — миоинозитолмонофосфату, оставшаяся часть — глицину (δ=3,55 м.д.), а также сциллоинозитолу. mIns относится к инозитолдифосфату (IP₂) и диацилглицеролу, который является составной частью системы вторичных мессенджеров и регулирует высвобождение Са²⁺ из эндоплазматического ретикулума и митохондрий. Инозитолдифосфат и диацилглицерид образуются под действием фосфолипазы из фосфатидилинозитола, которые в свою очередь образуются из миоинозитола и диглицерида жирных кислот (CDP-ди­глицерида). В ряде работ обсуждается функция mIns как регулятора внутриклеточной осмоляции и накопителя глюкозы (Len­kinski R.E., Schnall M.D., 1996; Rudkin T.M., Arnold D.L., 1999).

В спектрах in vivo головного мозга взрослого человека в норме дублетный сигнал Lac (1,33 м.д.) не наблюдается. При патологии, связанной с нарушением процессов окислительного фосфорилирования в клетках головного мозга, содержание Lac резко возрастает. В работе H. Bruhn и соавторов (1989) показано, что концентрация Lac повышается при инсульте, в опухолях, а также при некоторых заболеваниях, вы­званных врожденным нарушением метаболизма.

В работах F. Federico и соавторов (1999), J. O’Neill и соавторов (2002), R.M. Camicioli и соавторов (2004), X.N. Zheng и соавторов (2004) отмечена возможность применения ¹H MРС в дифференциальной диагностике нейродегенеративных заболеваний.

Цель настоящей работы — исследовать методом ¹H MРС региональные и возрастные особенности метаболизма головного мозга пациентов с болезнью Паркинсона.

ОБЪЕКТ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Две группы пациентов были исследованы методами МРТ и in vivo ¹H MРС на МР-томографе Magnetom Vision (SIEMENS) с напряженностью магнитного поля 1,5 T. В первую группу вошли 40 па­циентов в возрасте от 43 до 73 лет (без признаков деменции), страдающих болезнью Паркинсона на протяжении 4–6 лет. Вторая группа, рассматриваемая нами как контрольная, включала 75 пациентов без признаков неврологических расстройств в возрасте от 18 до 73 лет. Для пациентов обеих групп спектры ¹H in vivo были получены в следующих участках головного мозга: в белом веществе — теменно-височная область, в сером веществе — затылочная зона коры, в области бледного шара и черной субстанции. Для изучения региональных особенностей метаболизма и релаксационных характеристик все измерения были проведены с использованием импульсной последовательности SVS STEAM со следующими параметрами сбора и обработки данных: TR/TE=
1500/270, 200, 155, 145, 135, 100, 50 и 20 мс, VOI=8 см³, NS=128. Для построения карты распределения метаболитов исследования проведены с использованием метода 2DCSI: TR/TE=1500/270, 200, 135 мс, VOI=80×80×20 см³, PN=16×16, NS=1, где TR — время повторения импульсов, ТЕ — время формирования сигнала эхо, VOI — объем области интереса, NS — количество накоплений.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1а–в представлены спектры, полученные в головном мозге пациента с болезнью Паркинсона (возраст — 52 года, длительность заболевания — 4 года).

Для сравнения на рис. 2 представлен спектр пациента контрольной группы (возраст — 38 лет), полученный в затылочной области левого полушария головного мозга.

Как следует из рис. 1 и 2, для пациентов с болезнью Паркинсона наблюдается существенное снижение интегральной интенсивности сигналов NAA и Cr и возрастание интегральной интенсивности пика Cho. Уменьшение отношения NAA/Cr в исследованных участках головного мозга для пациентов первой группы, по-видимому, связано с уменьшением содержания NAA. При сравнении экспериментальных данных для двух групп пациентов отмечается существенное уменьшение NAA/Cr в левом полушарии и незначительное — в правом. Нами не обнаружено зависимости коэффициента сокращения NAA/Cr от длительности заболевания и степени выраженности двигательных нарушений. Существенные отличия в значениях отношений NAA/Cho и Cho/Cr в белом веществе головного мозга для пациентов обеих исследованных групп отсутствуют, однако наблюдаются в области базальных ганглиев, что объясняется повышением содержания Cho, а не значительным сокращением NAA.

Результаты волюметрических МРТ-исследований в группе пациентов с болезнью Паркинсона свидетельствуют о незначительных атрофических процессах в лобно-височной области и отсутствии атрофии в области мозжечка и ствола головного мозга.

На рис. 3а и б приведен пример спектра пациента первой группы, полученный во время проведения леводопа-теста.

Возможности метода МРС для дифференциальной диагностики болезни Паркинсона и паркинсонического синдрома иллюстрирует спектр, приведенный на рис. 4а и б.

Из анализа спектров следует, что у пациентов с вторичным паркинсонизмом («паркинсонизм плюс»), по сравнению с пациентами с идиопатической формой болезни Паркинсона, соотношение NAA/Cr и NAA/Cho уменьшается, но при этом содержание NAA остается сравнимым по величине с наблюдаемым для пациентов контрольной группы.

В заключение отметим, что проведенное исследование позволило нам построить карты пространственного распределения содержания (концентрации) основных метаболитов. На основании анализа данных МРС исследований можно заключить о снижении содержания NAA и Cr, а также об увеличении Cho в ткани головного мозга пациентов с болезнью Паркинсона. Сравнение отношений NAA/Cr для пациентов обеих групп показывает существенное сокращение значений в обоих полушариях, наиболее значительное в теменно-височной и затылочной областях головного мозга у пациентов с болезнью Паркинсона. В то же время, уменьшение отношения NAA/Cr более выражено в левом полушарии по сравнению с правым. По-видимому, межполушарная асимметрия может служить своеобразным индикатором для характеристики степени нарушения неврологических функций, однако не отражает тяжести двигательных расстройств и зависимости от длительности заболевания. Величины отношений NAA/Cho и Cho/Cr для пациентов обеих групп отличаются незначительно. Возрастные и региональные отличия в содержании основных ­метаболитов пациентов контрольной группы и па­циентов с болезнью Паркинсона дают нам дополнительные сведения об особенностях метаболизма головного мозга при нейродегенеративных заболеваниях, а также позволяют оценивать динамику патологического процесса и эффективность его медикаментозной коррекции.

ВЫВОДЫ

1. Применение in vivo ЯМР-спектроскопии существенно расширяет возможности визуальной диагностики для изучения процессов нейродегенерации как при естественном старении, так и при патологии, в частности при болезни Паркинсона, а также позволяет проводить дифференциальную диагностику болезни Паркинсона и сходных по проявлению паркинсонических синдромов, таких как множественная системная атрофия.

2. Отличие в содержании метаболитов в левом и правом полушариях незначительно меняется в зависимости от возраста пациента и длительности заболевания, однако данное отличие увеличивается в зависимости от степени тяжести заболевания.

3. Для пациентов с болезнью Паркинсона — по сравнению со здоровыми людьми пожилого возраста — наблюдается снижение содержания NAA, Cr и увеличение Cho. Уменьшение отношения NAA/Cr более выражено в левом полушарии по сравнению с правым. В белом веществе полушарий головного мозга величины отношений NAA/Cho и Cho/Cr для пациентов с болезнью Паркинсона и здоровых людей пожилого возраста отличаются незначительно, а в области базальных ганглиев и черной субстанции — существенно.

ЛИТЕРАТУРА

• • Bolinger L., Lenkinski R.E. (1992) Localization in clinical MR spectroscopy. In: L.J. Berliner, J. Reuben (Eds.) Biological Magnetic Resonance Vol. 11: In Vivo Spectroscopy. Plenum Publishing Corp., New York, pp. 1–53.
  • Bruhn H., Frahm J., Gyngell M.L., Merboldt K.D., Hanic­ke W., Sauter R. (1989) Cerebral metabolism in man after acute stroke: new observations using localized proton NMR spectroscopy. Magn. Reson. Med., 9(1): 126–131.
  • Camicioli R.M., Korzan J.R., Foster S.L., Fisher N.J., Eme­ry D.J., Bastos A.C., Hanstock C.C. (2004) Posterior cingulate metabolic changes occur in Parkinson’s disease patients without dementia. Neurosci. Lett., 354(3): 177–180.
  • Choi D.W. (1988) Glutamate neurotoxicity and diseases of the nervous system. Neuron, 1(8): 623–634.
  • Federico F., Simone I.L., Lucivero V., Mezzapesa D.M., de Mari M., Lamberti P., Petruzzellis M., Ferrari E. (1999) Usefulness of proton magnetic resonance spectroscopy in differentiating parkinsonian syndromes. Ital. J. Neurol. Sci., 20(4): 223–229.
  • Lenkinski R.E., Schnall M.D. (1996) MR spectroscopy and the biochemical basis for neurological disease. In: S.W. Atlas (Ed.) Magnetic Resonance of the Brain and Spine. 2nd ed. Philadelphia, PA: Lippincott-Raven Publishers, pp. 1619–1653.
  • O’Neill J., Schuff N., Marks W.J. Jr, Feiwell R., Aminoff M.J., Weiner M.W. (2002) Quantitative ¹H magnetic resonance spectroscopy and MRI of Parkinson’s disease. Mov. Disord., 17(5): 917–927.
  • Ross B.D., Bluml S. (1996) New aspects of brain physiology. NMR Biomed., 9(7): 279–296.
  • Rudkin T.M., Arnold D.L. (1999) Proton magnetic resonance spectroscopy for the diagnosis and management of cerebral disorders. Arch. Neurol., 56(8): 919–926.
  • Tallan H.H. (1957) Studies on the distribution of N-acetyl-L-aspartic acid in brain. J. Biol. Chem., 224(1): 41–45.
  • Zheng X.N., Zhu X.C., Ruan L.X., Zhang L.J., Yuan M., Shang D.S., Liu Y. (2004) MRS study of lentiform nucleus in idiopathic Parkinson’s disease with unilateral symptoms. J. Zhejiang Univ. Sci., 5(2): 246–250.

>МАГНІТОРЕЗОНАНСНА СПЕКТРОСКОПІЯ (1H MРС) ЯК МЕТОД ДІАГНОСТИКИ ОСОБЛИВОСТЕЙ МЕТАБОЛІЗМУ ГОЛОВНОГО МОЗКУ У ПАЦІЄНТІВ З ХВОРОБОЮ ПАРКІНСОНА

Рогожин В О, Рожкова Зинаїда Залмановна, Карабань Н В

Резюме. Ядерна магніторезонансна спектроскопія in vivo (протонна магніторезонансна спектроскопія, або 1H MРС) — метод, який дає можливість виявляти зв’язок між змінами метаболічного складу біологічної тканини та функціями органів і організму в цілому як у процесі розвитку хвороби, так і під впливом проведеного лікування. 1H MРС значно розширює можливості візуальної діагностики і разом з різноманітними клінічними лабораторними методами допомагає клініцистам-неврологам об’єктивізувати відмінності між хворобою Паркінсона та вторинним (симптоматичним) паркінсонізмом, а також іншими нейродегенеративними захворюваннями центральної нервової системи.

Ключові слова:хвороба Паркінсона, функціональна активність мозку, магніторезонансна спектроскопія

>MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY (1H MRS) AS A TOOL FOR DIAGNOSTICS OF BRAIN METABOLISM SPECIFICITIES IN PARKINSON PATIENTS

Rogozhin V A, Rozhkova Z Z, Karaban N V

Summary. The in vivo nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H MRS) is a method for detecting the relationships between changes in metabolic composition of biological tissue and functions of organs and a whole organism, both during disease onset and under effects of chosen therapy. 1H MRS considerably widens the possibilities of visual diagnostic and, in combination with various clinical laboratory methods, helps clinicians-neurologists to objectively discern the differences between Parkinson’s disease and secondary (symptomatic) parkinsonism as well as other neurodegenerative diseases of the central nervous system.

Key words: Parkinson’s disease, brain functional activity, magnetic resonance spectroscopy