Dokument: Metabolic investigations in patients with hepatic encephalopathy by magnetic resonance imaging and spectroscopy

Titel:Metabolic investigations in patients with hepatic encephalopathy by magnetic resonance imaging and spectroscopy
Weiterer Titel:Metabolische Untersuchungen von Patienten mit Hepatischer Enzephalopathie mittels Magnetresonanzbildgebung und -spektroskopie
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URN (NBN):urn:nbn:de:hbz:061-20200116-103341-6
Dokumententyp:Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Autor: Zöllner, Helge [Autor]
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Dateien vom 12.01.2020 / geändert 12.01.2020
Beitragende:Prof. Dr. Alfons Schnitzler [Gutachter]
Prof. Dr. Heinzel, Thomas [Gutachter]
Stichwörter:Magnetic Resonance Imaging, Magnetic Resonance Spectroscopy, Hepatic Encephalopathy, MRS, MRI, MRT, HE
Dewey Dezimal-Klassifikation:600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften » 610 Medizin und Gesundheit
Beschreibungen:Hepatic encephalopathy (HE) is a neuropsychiatric disease and a common complication in liver cirrhosis. Several pathogenetic concepts of HE have been proposed in the literature, yet the interplay between those concepts remain a matter of debate. A key factor is attributed to dysfunctional hepatic clearance of neurotoxins in particular, ammonia and its subsequent accumulation in the brain. The neurotransmitter balance in the brain is altered during the detoxification of ammonia, and in consequence, the cognitive, visual, sensorimotor, and eye-hand coordination abilities are hampered. These changes vary from subtle attention and motor deficits to flapping tremor, stupor, and in extreme cases, hepatic coma.
To further explore the mechanisms of HE, this dissertation describes improvements of magnetic resonance (MR) imaging and spectroscopy methods to gather metabolic information from brain tissue. In the process, a brain ammonia- or HE-sensitive MR imaging method was established. Thus, the metabolic MR imaging technique chemical exchange saturation transfer (CEST) was optimized for ammonia sensitivity, and subsequently applied in a clinically well-defined cohort of HE patients. Additionally, a simulation framework was designed to investigate limitations in the analysis of γ-aminobutyric acid (GABA)+ due to signal-to-noise ratio (SNR) and linewidth constraints during the acquisition of GABA-edited magnetic resonance spectroscopy (MRS) in deep brain regions. Finally, the neurometabolism in the cerebello-thalamo-cortical pathway of HE patients was investigated with GABA-edited MRS.
For the CEST optimization, several model solutions (ammonia, BSA + ammonia & tissue homogenate + ammonia) with varying ammonia concentrations were used to find optimal saturation parameters for an ammonia-weighted contrast. To scrutinize the mechanisms underlying the CEST experiments, protein denaturation and aggregation were assessed in the BSA sample. Finally, the optimal parameters were determined and tested in a healthy control and two patients suffering from HE.
In agreement with literature, it was found that amide proton transfer-weighted (APTw) CEST contrast changes in the model solutions were introduced through protein denaturation mediated by ammonia, and an ammonia-sensitive MR imaging contrast was therefore established.
In a subsequent study, further phantom measurements revealed ammonia to be the primary driver of the observed contrast changes, while changes associated with other neurometabolites were negligible.
In an application study, a cohort of 14 healthy controls, 10 minimal HE and 10 manifest HE patients underwent computer neuropsychometry, critical flicker frequency (CFF) measurements, and blood sample testing prior to the CEST imaging. The processing pipeline of the CEST data included movement correction, magnetization transfer ratio asymmetry (MTRasym) analysis, B0- and B1-correction as well as normalization to minimize possible confounders of the CEST effect. Finally, all MTRasym datasets were normalized to a template (created from the study cohort) to establish pixel-based group statistics over the whole brain volumes.
A reduction of APTw signals was found in the cerebellum and the occipital cortex of manifest HE patients. These reduction correlated with blood ammonia levels, as well as several neuropsychometric scores, including motor performance and reaction times. Additionally, increased APTw signals were associated with individual CFF, and thalamic APTw signal alterations were linked to gamma-glutamyltransferase levels.
This in vivo study showed patterns and correlations previously found in 13NH3-positron emission tomography (PET) studies, which supports the interpretation that APTw imaging is sensitive to ammonia concentrations. The presented results substantiate literature findings on the involvement of the cerebellum in HE, which is proposed to be involved in motor skill deterioration
in HE patients. Additionally, neurotransmitter level alterations, slowed neural oscillations, and decreased visual performance are a common finding in HE, potentially linked to ammonia detoxification in the visual cortex.
In the future, the implementation of more advanced CEST techniques may allow to better distinguish underlying contributions - e.g. from CEST mediated by ammonia and contributions from nuclear Overhauser enhancement (NOE) mediated by hepatocerebral degeneration.
In vivo MR spectroscopy suffers from low SNR and poor linewidth, resulting in overlapping metabolic resonances. To investigate the impact of spectral quality on data modeling, a nearly noise-free template spectrum was created as the mean of 48 in vivo data sets. Several line broadening and noise level combinations were used to create different scenarios of B0 homogeneity and GABA+ SNR by manipulating template. 100 spectra per condition were quantified with two commonly used MRS quantification tools (Gannet 3.0 and Tarquin). The GABA+ estimation error was quantified as the relative difference between the known modeled GABA+ resonance in the template spectrum, and the modeled GABA resonance of the manipulated spectra. Furthermore, fit error, standard deviation, and the number of rejected spectra were calculated for each combination, and the agreement between the simulations and two in vivo scenarios with varying linewidth and the GABA+ SNR was quantified.
The GABA+ estimation error was found to be below 5 % over the entire range of GABA+ SNR for medium linewidth (9.7 Hz) for Gannet 3.0 or all linewidth expect 10.6 Hz for Tarquin. The standard deviation over 100 measurements varied between 3.1 and 17 % for Gannet 3.0 and between 1 and 11 % for Tarquin over the in vivo relevant GABA+ SNR range between 26 and
The results are in line with other studies on the impact of SNR on the quantification of GABA+. Simulations and in vivo scenarios showed good agreement. The results suggest that GABA-edited
studies can be realized for voxels with low GABA+ SNR at the cost of higher group-level variance. Furthermore, B0 homogeneity had negligible effects on the GABA+ modeling. Also, the developed simulation framework could be used to test other quantification approaches.
In a final study, the neurometabolism in the cerebello-thalamo-cortical pathway of HE patients was investigated with GABA-edited spectroscopy. The voxels were designed based on the implications drawn from the previous simulation study. The cohort included 16 healthy controls and 16 HE patients (2 minimal HE, 14 HE I), who were assessed via CFF testing, Grooved PEG board testing for motor performance, and blood sample testing. GABA-edited MEscher-GArwood Point RESolved Spectroscopy (MEGA-PRESS) MRS was employed in the cerebellum, the thalamus, and the motor cortex. The GABA-edited difference spectra were analyzed with Gannet 3.0, while the OFF spectra were post-processed with FID-A and quantified with LCModel v6.3.
The preliminary results showed increased GABA-to-creatine levels in the cerebellum linked to visual and motor performance scores, which is in line with recent animal and transcranial magnetic stimulation studies. No GABA changes were found in the thalamus and the motor cortex, which contrasts the findings of the animal studies. Further, systemic effects on glutamine, myo-inositol, and aspartate were found in all regions, and were closely linked to visual and motor performance scores. Increased glutamine and myo-inostiol depletion are linked to ammonia detoxification and commonly reported in HE, while changes in aspartate are not reported, yet. Furthermore, increased levels of glutathione, a putative marker of oxidative stress, were found in all regions.
The preliminary results indicate an active involvement of the cerebellum in the alterations of the cerebello-thalamo-cortical pathway in HE.
The principal results of the present dissertation are the ammonia sensitivity of optimized APTw imaging, and the interpretation of APTw signals as a brain ammonia level correlate. Therefore,
APTw imaging could be used to facilitate the understanding of the pathogenesis of HE. Furthermore, the simulation framework for MR spectroscopy could be used during the design and data quality evaluation of GABA-edited MRS studies. Finally, increased levels of GABA in the cerebellum and other systemic effects affecting the neurometabolism in the cerebello-thalamo-cortical
pathway were found in HE patients.

Die hepatische Enzephalopathie (HE) ist eine neuropsychiatrische Erkrankung, die infolge einer Leberzirrhose auftreten kann. Die Pathogenese der HE ist Gegenstand der aktuellen Forschung und wird in verschiedene Konzepte unterteilt. Ausschlaggebend ist hierbei die verminderte Filterung von Neurotoxinen durch die Leber, wie beispielsweise Ammoniak, welches sich anschließend im Gehirn sammelt. Durch die Belastung mit Neurotoxinen kommt es zu einer Verschiebung des Neurotransmittergleichgewichts im Gehirn und infolgedessen zu einer Veränderung der kognitiven, visuellen, sensorimotorischen und visuomotorischen Fähigkeiten des Patienten. Die Schwere der Symptome variiert zwischen subtilen Defiziten (Aufmerksamkeit- und Motordefizite) und mit Fortschreiten der Krankheit Asterixis, Stupor bis hin zum hepatischen Koma.
Die vorliegende Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung einer HE- bzw. Ammoniaksensitiven Magnetresonanz (MR)-Bildgebungsmethode. Dazu wurde eine Optimierung an einer metabolischen chemical exchange saturation transfer (CEST) Bildgebung im Hinblick auf ihre Sensitivität für Ammoniak durchgeführt und in einer Kohorte von HE Patienten getestet. Zusätzlich wurde eine Simulation entwickelt, welche die Modellierung von GABA+ in ’spectral edited’ MR-Spektroskopie unter Berücksichtigung verschiedener Signal-zu-Rausch-Verhältnisse (SNR) und Linienbreiten untersucht. Diese Bedingungen spielen vor allem bei der Untersuchung von tiefen Hirnregionen eine Rolle. Schlussendlich wurde der Neurometabolismus der HE innerhalb der cerebello-thalamo-kortikalen Nervenbahn mittels GABA-editierter MRS untersucht.
Im Verlauf der Arbeit wurden verschiedene Modelllösungen (Ammoniak, Albumin + Ammoniak & Ammoniak + Gewebehomogenisat) mit variierender Ammoniakkonzentration verwendet, um die optimalen Sättigungsparameter des Ammoniak-gewichteten Kontrasts zu finden. Weitergehend wurde die Denaturierung und Aggregation der Proteine bestimmt, um die zugrundeliegenden Mechanismen des CEST-Effekts zu evaluieren. Die optimalen Parameter wurden an einem gesunden Probanden und zwei HE-Patienten getestet.
In Übereinstimmung mit der Literatur zeigte sich die Amidprotonentransfer-gewichtete (APTw) CEST-Bildgebung sensitiv für Proteindenaturierung. Durch Phantommesungen wurde gezeigt, dass die Kontraständerungen durch veränderte Proteinfaltung induziert wurden. Damit konnte ein ammoniaksensitiver MR-Bildkontrast etabliert werden.
In einer anschließenden Studie deckten weitere Phantommessungen auf, dass hauptsächlich Ammoniak die Kontraständerungen hervorruft, wohingegen der Einfluss anderer Neurometaboliten vernachlässigbar ist. Anschließend wurde eine Kohorte von 14 gesunden Kontrollen, 10 Patienten mit minimaler HE sowie 10 Patienten mit manifesten HE vor der MR Untersuchung psychometrisch getestet. Zusätzlich wurden Bluttests und eine Ermittlung der kritischen Flimmerfrequenz durchgeführt.
Die Nachverarbeitung der CEST-Daten umfasste eine Bewegungskorrektur, die Quantifizierung des CEST Effekts mittels einer Asymmetrieanalyse, eine Korrektur der B0- und B1-Effekte, sowie eine Normalisierung, um die möglichen Relaxationseffekte des CEST-Effekts zu minimieren.
Zuletzt wurden die CEST-Bilder in ein gemeinsames Koordinatensystem normalisiert, welches basierend auf den gemeinsamen Eigenschaften der Studienkohorte erstellt wurde.
Eine Verminderung des APTw-Signals wurde im Kleinhirn und im okzipitalen Kortex beobachtet. Das Ausmaß dieser Verminderung korrelierten zusätzlich mit den Blutammoniakwerten sowie mehreren neuropsychometrischen Testergebnissen, welche motorische Leistung und Reaktionszeiten umfassten. Zusätzlich wurden erhöhte APTw-Signale im Putamen mit der kritischen Flimmerfrequenz, und APTw-Signaländerungen im Thalamus konnten mit gamma-Glutamyltransferase Konzentrationen in Verbindung gebracht werden.
Die in vivo Studie zeigte vergleichbare Verteilungen und Korrelationen wie verschiedene 13NH3-PET Studien, was die Interpretation stärkt, dass APTw-Bildgebung sensitiv für Ammoniakkonzentrationen ist. Die Entdeckung untermauert die Beteiligung des Kleinhirns in der HE, welche in der Literatur als Auslöser der reduzierten motorischen Fähigkeiten bei HE-Patienten diskutiert wird. Veränderungen in Neurotransmittersystemen, verlangsamte neuronale Oszillationen und die verminderte Fähigkeit zur visuellen Differenzierung sind typische Beobachtungen in der HE, welche dem Ammoniakentgiftungspozess im visuellen Areal zugeschrieben werden.
Eine Überlagerung benachbarter Resonanzen in der in-vivo-MR-Spektroskopie wird durch ein niedriges SNR und erhöhte Linienbreiten hervorgerufen. Zur Untersuchung der Auswirkungen der spektralen Qualität auf die Modellierung der Daten wurde der Mittelwert aus 48 in-vivo-Spektren zur Erstellung eines rauschfreien Musterspektrums verwendet. Anschließend wurde das Musterspektrum mit unterschiedlichen Linienverbreiterungen und Rauschwerten manipuliert, um variierende Magnetfeldhomogenität und GABA+ SNR Bedingungen zu simulieren.
Jeweils 100 Spektren wurden mit zwei verschiedenen Programmen (Gannet 3.0 und Tarquin) zur Analyse von MRS-Daten modelliert. Der GABA+-Messfehler wurde als relative Differenz zwischen dem Musterspektrum und den modellierten GABA+-Resonanzen der manipulierten Spektren berechnet. Außerdem wurden der Fehler des Fits, die Standardabweichung sowie die Zahl der abgelehnten Spektren bestimmt. Der GABA+-Messfehler war kleiner als 5 % über den gesamten GABA+-SNR Bereich für mittlere Linienbreiten (9,7 Hz) für Gannet 3.0 und allen Linienbreiten außer 10,6 Hz für Tarquin. Die Standardabweichung im Bereich in-vivo-relevanter GABA+-SNR -Werte variierte zwischen 3,1 und 17 % für Gannet 3.0 und zwischen 1 und 11 % für Tarquin.
Diese Ergebnisse bestätigen andere Studien zur Auswirkung des SNR auf die Quantifizierung von GABA. Außerdem zeigte sich eine gute Übereinstimmung zwischen den Simulationen und den
in-vivo-Szenarien. Dies legt nahe, dass GABA-editierte MR-Spektroskopie-Studien in Regionen mit geringerem GABA+ SNR durchgeführt werden können, jedoch auf Kosten einer höheren Varianz.
Zusätzlich zeigte sich, dass die Magnetfeldhomogenität vernachlässigbare Effekte auf die Modellierung des GABA-Signals hat.
In der letzten Studie wurde der Neurometabolismus der cerebello-thalamo-kortikalen Nervenbahn mittels GABA-editierter MRS untersucht. Die Voxeldimensionen wurden entsprechend der Indikation aus der Simulationsstudie entworfen. Die vorläufige Kohorte umfasste 16 gesunde Kontrollprobanden und 15 HE Patienten (2 minimal HE, 14 HE I), bei denen zuvor die CFF ermittelt, Messungen der motorischen Leistung (grooved peg board) erstellt und Bluttests durchgeführt wurden. GABA-editierte MEGA-PRESS MR Spektroskopie wurde im Kleinhirn, Thalamus und Motorkortex durchgeführt. Die Differenzspektren wurden mit Gannet 3.0 analysiert, während die OFF Spektren mit FID-A verarbeitet und mit LCModel v6.3 quantifiziert wurden.
Die vorläufigen Ergebnisse zeigten erhöhte GABA-Konzentrationen im Kleinhirn, welche mit den Änderungen in der visuellen Wahrnehmung und den motorischen Fähigkeiten verknüpft waren.
Diese Ergebnisse wurden auch innerhalb von Tierversuchen und einer aktuellen TMS-Studie in der Literatur gezeigt. Im Gegensatz zum Tiermodell wurden in der aktuellen Studie im Thalamus und Motorkortex dagegen keine Änderungen in den GABA Konzentrationen festgestellt.
Weiterhin wurden systemische Veränderungen der Konzentrationen von Glutamin, Myo-Inositol und Aspartat festgestellt, welche zusätzlich mit Änderungen der visuellen Wahrnehmung und den motorischen Fähigkeiten verbunden waren. Glutamin und Myo-Inositol sind im Gehirn von HE-Patienten durch die Stoffwechselprozesse zur Auflösung des Ammoniaks verändert, während Veränderungen in Aspartat Konzentrationen in vivo bisher nicht festgestellt wurden. Zusätzlich wurden erhöhte Glutathion-Konzentrationen in allen Regionen festgestellt, welche vielfach ein Indikator für erhöhten oxidativen Stress darstellt. Die vorläufigen Ergebnisse zeigen die wichtige Rolle des Kleinhirns für HE-spezifischen Änderungen der cerebello-thalamo-kortikalen Verbindung.
Zusammenfassend wurde in der vorliegenden Dissertation die Ammoniak-Sensitivität der APTw Bildgebung und die Interpretation der APTw-Signale als Korrelat des Gehirn-Ammoniakspiegels festgestellt. Deshalb kann die APTw Bildgebung zur weiteren Untersuchung der Pathogenese der HE verwendet werden. Die entwickelten Simulationen können zum Entwerfen und zur Evaluation der Datenqualität von GABA-editierten MR-Spektroskopie-Studien verwendet werden.
Schlussendlich wurden erhöhte GABA-Konzentrationen im Kleinhirn und systemische Effekte auf den Neurometabolismus der cerebello-thalamo-kortikalen Nervenbahnen in der HE gefunden.
Fachbereich / Einrichtung:Medizinische Fakultät
Dokument erstellt am:16.01.2020
Dateien geändert am:16.01.2020
Promotionsantrag am:26.09.2019
Datum der Promotion:19.12.2019
Status: Gast