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Resumo

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

Resumo

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.

Introdução

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 idadede 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 SN24,25.

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 normal28, 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 estudos31,32 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.

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Protocolo

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 RNM

  1. Prepare-se para adquirir imagens T1w de alta resolução usando uma sequência de eco gradiente de aquisição rápida (MPRAGE) preparada por magnetização 3D com os seguintes parâmetros: resolução espacial = 0,8 x 0,8 x 0,8 mm3; campo de visão (FOV) = 176 x 240 x 240 mm3; tempo de eco (TE) = 3,43 ms; tempo de repetição (TR) = 2462 ms; tempo de inversão (TI) = 1060 ms; ângulo de inversão = 8°; fator de imagem paralelo no plano (ARC) = 2; fator de imagem paralelo através do plano (ARC) = 233; largura de banda = 208 Hz/pixel; tempo total de aquisição = 6 min 39 s.
  2. Prepare-se para adquirir imagens NM-MRI usando uma sequência de eco recordada gradiente bidimensional (2D) com contraste de transferência de magnetização (2D GRE-MTC) com os seguintes parâmetros: resolução = 0,43 x 0,43 mm2; FOV = 220 x 220 mm2; espessura de fatia = 1,5 mm; 20 fatias; folga de corte = 0 mm; TE = 4,8 ms; TR = 500 ms; ângulo de inversão = 40°; largura de banda = 122 Hz/pixel; Deslocamento de frequência MT = 1,2 kHz; Duração do pulso MT = 8 ms; Ângulo de inversão MT = 670°; número de médias = 5; tempo total de aquisição = 10 min 4 s.
    NOTA: Embora os resultados exibidos tenham usado esses parâmetros de aquisição de RM, esse protocolo é válido para vários protocolos de imagem T1w e NM-MRI. O protocolo NM-MRI deve cobrir ~25 mm na direção inferior-superior para garantir a cobertura completa do SN.

2. Colocação do volume de NM-MRI

  1. Adquira uma imagem T1w de alta resolução (≤1 mm de tamanho de voxel isotrópico). Use a reformatação on-line diretamente após a aquisição da imagem para criar imagens T1w de alta resolução alinhadas à linha de comissura anterior-comissura posterior (AC-PC) e à linha média.
    1. Realize a reformatação on-line usando o software fornecido pelo fornecedor (por exemplo, se adquirir dados em um scanner GE: Reconstrução MultiPlanar (MPR) em Planejamento; se adquirir dados em um scanner Siemens: MPR no Cartão de Tarefas 3D; se adquirir dados em um scanner Philips: MPR no Modo de Renderização do Pacote VolumeView).
      1. Crie reconstruções multiplanares da imagem 3D T1w no plano axial perpendicular à linha AC-PC para cobrir todo o cérebro com o mínimo de espaço de fatia.
      2. Crie reconstruções multiplanares da imagem 3D T1w no plano coronal perpendicular à linha AC-PC para cobrir todo o cérebro com o mínimo de espaço de fatia.
      3. Crie reconstruções multiplanares da imagem 3D T1w no plano sagital paralelo à linha AC-PC para cobrir todo o cérebro com o mínimo de espaço de fatia.
  2. Carregue as vistas sagital, coronal e axial da imagem T1w de alta resolução reformatada e certifique-se de que as linhas de referência que descrevem a localização de cada fatia exibida estejam presentes.
  3. Identifique a imagem sagital que mostra a maior separação entre o mesencéfalo e o tálamo (Figura 1A). Para fazer isso, inspecione visualmente as fatias sagitais da imagem T1w reformatada até que a fatia que mostra essa maior separação seja identificada.
  4. Usando a imagem sagital do final da etapa 2.3, identifique visualmente o plano coronal que delineia o aspecto mais anterior do mesencéfalo (Figura 1B).
  5. Utilizando a imagem coronal do final da etapa 2.4, identifique visualmente o plano axial que delineia a face inferior do terceiro ventrículo (Figura 1C).
  6. Na imagem sagital do final da etapa 2.3, alinhar o limite superior do volume da RM-NM ao plano axial identificado na etapa 2.5 (Figura 1D).
  7. Mover o limite superior do volume NM-MRI 3 mm na direção superior (Figura 1E).
  8. Alinhar o volume da RM-NM à linha média nas imagens axiais e coronais (Figura 1F).
  9. Adquira as imagens NM-MRI.

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Figura 1: Imagens que exibem o procedimento passo a passo de colocação de volume NM-MRI. Linhas amarelas indicam a localização das fatias usadas para a colocação do volume, conforme descrito no protocolo. (A) Primeiro, identifica-se a imagem sagital com maior separação entre o mesencéfalo e o tálamo (etapa 2.3 do protocolo). (B) Em segundo lugar, usando a imagem de A, o plano coronal que delineia o aspecto mais anterior do mesencéfalo é identificado (passo 2.4). (C) Em terceiro lugar, na imagem coronal do plano identificado em B, identifica-se o plano axial que delineia a face inferior do terceiro ventrículo (etapa 2.5). (D) Em quarto lugar, o plano axial identificado em C é exibido na imagem sagital de A (etapa 2.6). (E) Em quinto lugar, o plano axial de D é deslocado 3 mm na direção superior, e este plano indica o limite superior do volume NM-MRI (passo 2.7). (F) A colocação final do volume da RM-NM onde a imagem coronal corresponde a C, a imagem sagital corresponde a A e a imagem axial corresponde ao plano axial em E. O volume da RM-NM está alinhado à linha média do cérebro nas imagens coronal e axial e à linha AC-PC na imagem sagital (etapa 2.8). Parte dessa figura foi reimpressa com permissão da Elsevier de 30. Abreviaturas: NM-MRI = ressonância magnética sensível à neuromelanina; AC-PC = comissura anterior-comissura posterior. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

3. Verificações de controle de qualidade

  1. Certifique-se de que as imagens de NM-MRI adquiridas cobrem todo o SN e que o SN é visível nas imagens centrais, mas não nas imagens mais superiores ou mais inferiores do volume NM-MRI. Caso contrário (Figura 2), repita as etapas 2.3-2.9 para garantir o posicionamento correto do volume NM-MRI. Se o participante se moveu significativamente desde a aquisição da varredura T1w de alta resolução, repita as etapas 2.1-2.9.

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Figura 2: Exemplo de uma aquisição de NM-MRI que falhou na primeira verificação de controle de qualidade (etapa 3.1 do protocolo). Cada uma das 20 fatias NM-MRI exibidas da mais inferior (imagem superior esquerda) para a mais superior (imagem inferior direita); a janela/nível da imagem foi ajustada para exagerar o contraste entre a substantia nigra e a crus cerebri. As setas laranjas nas fatias 15-19 mostram a localização da substância negra nessas fatias. A seta vermelha na fatia mais superior (fatia 20) mostra que a substância negra ainda é visível nesta fatia e, portanto, a aquisição falha na verificação de qualidade. Abreviação: NM-MRI = ressonância magnética sensível à neuromelanina. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

  1. Verifique se há artefatos, particularmente aqueles que passam pelo SN e pela substância branca circundante, inspecionando visualmente cada fatia da ressonância magnética NM adquirida.
    1. Procure mudanças abruptas na intensidade do sinal com um padrão linear que não respeite os limites anatômicos normais. Por exemplo, isso pode aparecer como uma região de baixa intensidade que é ladeada por duas regiões de alta intensidade.
    2. Se o artefato for o resultado de vasos sanguíneos (Figura 3A), retenha as imagens NM-MRI, pois esses artefatos provavelmente sempre estarão presentes.
    3. Se os artefatos forem o resultado do movimento da cabeça do participante (Figura 3B), lembre-o de ficar o mais imóvel possível e readquirir as imagens de NM-MRI de acordo com a etapa 3.2.5.
    4. Se os artefatos forem ambíguos (Figura 3C), readquira as imagens NM-MRI de acordo com a etapa 3.2.5. Após a reaquisição, se os artefatos permanecerem presentes, prossiga com essas imagens, pois elas provavelmente são biológicas e não resultado de problemas de aquisição.
    5. Se as imagens NM-MRI passarem na verificação de controle de qualidade na etapa 3.1, copie o posicionamento do volume NM-MRI anterior. Se as imagens NM-MRI falharem na verificação de controle de qualidade na etapa 3.1, repita as etapas 2.3-2.9 para garantir o posicionamento correto do volume NM-MRI (ou etapas 2.1-2.9 se o participante se moveu significativamente).

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Figura 3: Exemplos de aquisições de NM-MRI que falharam na segunda verificação de controle de qualidade (etapa 3.2 do protocolo). Apenas uma fatia representativa é mostrada para cada caso. (A) Uma aquisição de NM-MRI que falha na verificação de controle de qualidade devido a um artefato de vaso sanguíneo (setas vermelhas) que é o resultado do vaso sanguíneo identificado pelas setas azuis. (B) Uma aquisição de NM-MRI que falha na verificação de controle de qualidade devido a artefatos de movimento (setas vermelhas). (C) Uma aquisição de NM-MRI que falha na verificação de controle de qualidade devido a um artefato ambíguo (setas vermelhas). Abreviação: NM-MRI = ressonância magnética sensível à neuromelanina. Por favor, clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Resultados

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 ...

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Discussão

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 ...

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Divulgações

Os Drs. Horga e Wengler relataram ter patentes para análise e uso de imagens de neuromelanina em distúrbios do sistema nervoso central (WO2021034770A1, WO2020077098A1), licenciados para a Terran Biosciences, mas não receberam royalties.

Agradecimentos

O Dr. Horga recebeu apoio do NIMH (R01-MH114965, R01-MH117323). O Dr. Wengler recebeu apoio do NIMH (F32-MH125540).

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Materiais

NameCompanyCatalog NumberComments
3T Magnetic Resonance ImagingGeneral ElectricGE SIGNA Premier with 48-channel head coil

Referências

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