Aquisição de Dados Padronizados para Ressonância Magnética Sensível à Neuromelanina da Substância Negra

Summary

Este protocolo mostra como adquirir dados de ressonância magnética sensíveis à neuromelanina da substância negra.

Abstract

O sistema dopaminérgico desempenha um papel crucial na cognição saudável (por exemplo, recompensa de aprendizagem e incerteza) e distúrbios neuropsiquiátricos (por exemplo, doença de Parkinson e esquizofrenia). A neuromelanina é um subproduto da síntese de dopamina que se acumula nos neurônios dopaminérgicos da substância negra. A ressonância magnética sensível à neuromelanina (NM-MRI) é um método não invasivo para medir a neuromelanina nesses neurônios dopaminérgicos, fornecendo uma medida direta da perda de células dopaminérgicas na substância negra e uma medida proxy da função da dopamina. Embora a RM-NM tenha se mostrado útil para o estudo de vários distúrbios neuropsiquiátricos, ela é desafiada por um campo de visão limitado na direção inferior-superior, resultando na perda potencial de dados da exclusão acidental de parte da substância negra. Além disso, o campo carece de um protocolo padronizado para a aquisição de dados de NM-MRI, um passo crítico para facilitar estudos multissite em larga escala e tradução para a clínica. Este protocolo descreve um procedimento passo a passo de colocação de volume NM-MRI e verificações de controle de qualidade on-line para garantir a aquisição de dados de boa qualidade que cobrem toda a substância substancial.

Introduction

A neuromelanina (NM) é um pigmento escuro encontrado nos neurônios dopaminérgicos da substância negra (SN) e nos neurônios noradrenérgicos do locus coeruleus (LC)^1,2. A NM é sintetizada pela oxidação ferro-dependente da dopamina citosólica e da norepinefrina e é armazenada em vacúolos autofágicos no soma³. Aparece pela primeira vez em humanos por volta dos 2-3 anos de idade e se acumula com a idade^de 1,4,5.

Dentro dos vacúolos contendo NM dos neurônios SN e LC, o NM forma complexos com ferro. Esses complexos NM-ferro são paramagnéticos, permitindo a visualização não invasiva da NM por meio de ressonância magnética (RM)^6,7. As ressonâncias magnéticas (RNM) que podem visualizar a RNM são conhecidas como IRM sensível à NM (NM-MRI) e utilizam efeitos de transferência de magnetização direta ou indireta para fornecer contraste entre regiões com alta concentração de NM (por exemplo, a SN) e a substância branca circundante ^8,9.

O contraste de transferência de magnetização é o resultado da interação entre prótons de água ligados macromolecularmente (que são saturados pelos pulsos de transferência de magnetização) e os prótons de água livre circundantes. Na NM-MRI, acredita-se que a natureza paramagnética dos complexos NM-ferro encurta o T₁ dos prótons de água livre circundantes, resultando em efeitos reduzidos de magnetização-transferência, de modo que regiões com maior concentração de NM parecem hiperintensas nos exames NM-MRI¹⁰. Por outro lado, a substância branca ao redor do SN tem um alto conteúdo macromolecular, resultando em grandes efeitos de magnetização-transferência, de modo que essas regiões parecem hipointensas nos exames de NM-MRI, proporcionando assim alto contraste entre o SN e a substância branca circundante.

No SN, o NM-MRI pode fornecer um marcador de perda de células dopaminérgicas¹¹ e função do sistema dopaminérgico¹². Esses dois processos são relevantes para vários transtornos neuropsiquiátricos e são apoiados por um vasto corpo de trabalho clínico e pré-clínico. Por exemplo, anormalidades na função da dopamina têm sido amplamente observadas na esquizofrenia; estudos in vivo utilizando tomografia por emissão de pósitrons (PET) mostraram aumento da liberação estriatal de dopamina 13,14,15,16 e aumento da capacidade de síntese de dopamina 17,18,19,20,21,22 . Além disso, estudos post-mortem mostraram que pacientes com esquizofrenia têm níveis aumentados de tirosina hidroxilase – a enzima limitante da taxa envolvida na síntese de dopamina – nos gânglios da base²³ e SN^24,25.

Vários estudos investigaram padrões de perda de células dopaminérgicas, particularmente na doença de Parkinson. Estudos post-mortem revelaram que os neurônios dopaminérgicos pigmentados do SN são o principal local de neurodegeneração na doença de Parkinson 26,27, e que, embora a perda de células SN na doença de Parkinson não esteja correlacionada com a perda celular no envelhecimento normal^28, está correlacionada com a duração da doença ²⁹ . Ao contrário da maioria dos métodos para investigar o sistema dopaminérgico, a não invasividade, o custo-efetividade e a falta de radiação ionizante fazem da RM-NM um biomarcador versátil³⁰.

O protocolo NM-MRI descrito neste trabalho foi desenvolvido para aumentar a reprodutibilidade da NM-MRI dentro e entre sujeitos. Este protocolo garante a cobertura total do SN, apesar da cobertura limitada dos exames de RM-NM na direção inferior-superior. O protocolo faz uso de imagens sagitais, coronais e tridimensionais (3D) ponderadas em T1 (T1w), e os passos devem ser seguidos para alcançar o posicionamento adequado da pilha de fatias. O protocolo descrito neste trabalho tem sido utilizado em múltiplos estudos^31,32 e foi extensivamente testado. Wengler et al. completaram um estudo sobre a confiabilidade desse protocolo no qual as imagens de NM-MRI foram adquiridas duas vezes em cada participante ao longo de vários dias³². Os coeficientes de correlação intraclasse demonstraram excelente confiabilidade teste-reteste deste método para análises baseadas em região de interesse (ROI) e voxelwise, bem como alto contraste nas imagens.

Protocol

NOTA: A pesquisa realizada para desenvolver este protocolo foi realizada em conformidade com as diretrizes do Conselho de Revisão Institucional do Instituto Psiquiátrico do Estado de Nova York (IRB #7655). Um sujeito foi escaneado para gravação do vídeo do protocolo e o termo de consentimento livre e esclarecido foi obtido. Consulte a Tabela de Materiais para obter detalhes sobre o scanner de ressonância magnética usado neste protocolo. 1. Parâmetros de aquisição da RN…

Representative Results

A Figura 4 mostra os resultados representativos de uma participante de 28 anos, do sexo feminino, sem distúrbios psiquiátricos ou neurológicos. O protocolo NM-MRI garante a cobertura completa do SN, alcançada seguindo a etapa 2 do protocolo descrito na Figura 1, e imagens satisfatórias de NM-MRI seguindo a etapa 3 do protocolo. Excelente contraste entre o SN e as regiões vizinhas da substância branca com concentração insignificante de NM (isto é, crus …

Discussion

O sistema dopaminérgico desempenha um papel crucial na cognição saudável e distúrbios neuropsiquiátricos. O desenvolvimento de métodos não invasivos que podem ser usados para investigar repetidamente o sistema dopaminérgico in vivo é fundamental para o desenvolvimento de biomarcadores clinicamente significativos. O protocolo descrito aqui fornece instruções passo a passo para a aquisição de imagens NM-MRI de boa qualidade do SN, incluindo a colocação do volume NM-MRI e verificações de controle …

Materials

3T Magnetic Resonance Imaging

General Electric

GE SIGNA Premier with 48-channel head coil