МР-спектроскопия

Метод магнитно-резонансной спектроскопии (обычно сокращается до МР-спектроскопии или МРС) позволяет исследовать ткани на наличие и концентрацию различных метаболитов. Grossman и Yousem утверждали: «Если вам требуется это в помощь, вернитесь на страницу 1; всё, кроме болезни Канаван, характеризуется низким NAA и высоким холином». Возможно, это звучит излишне категорично, однако справедливо отметить, что МРС зачастую не добавляет много принципиально нового к общему МР-исследованию, но повышает специфичность и может помочь в повышении точности определения гистологической степени злокачественности.

Физические основы

Основной принцип, лежащий в основе МР-спектроскопии (МРС), заключается в том, что распределение электронов внутри атома приводит к тому, что ядра в различных молекулах испытывают воздействие слегка различающегося магнитного поля. Это приводит к незначительным различиям в резонансных частотах, которые, в свою очередь, дают слегка различающийся сигнал. Этот метод идентичен ядерному магнитному резонансу (ЯМР), используемому в аналитической химии, однако в научном сообществе ЯМР in vivo обычно называют МРС во избежание путаницы (и, возможно, слова «ядерный»).

МР-спектры могут быть получены от любого «ЯМР-активного» ядра, то есть ядра с ненулевым спином: наиболее часто встречаются протоны, углерод-13 и фосфор-31, а в клинической практике применяются практически исключительно протонные спектры (которые позволяют оценивать профили метаболитов in vivo). Фосфор-31 (P-31) обычно используется для оценки соотношения аденозинтрифосфата (АТФ) и фосфокреатина с другими метаболитами и может применяться для оценки энергетического статуса клетки.

Если обрабатывать исходный сигнал, в спектре будет преобладать вода, что сделает все остальные спектры невидимыми. Подавление сигнала воды поэтому входит в любую последовательность MRS, выполняясь либо с помощью инверсии-восстановления, либо с помощью методов селективного насыщения по химическому сдвигу (CHESS). Если подавление сигнала воды оказывается неэффективным, может наблюдаться общий наклон базовой линии, изменяющий относительную высоту пиков.

Магнитно-резонансная спектроскопия (MRS) выполняется с использованием различных импульсных последовательностей. Простейшая последовательность состоит из 90-градусного радиочастотного (РЧ) импульса без применения каких-либо градиентов с регистрацией сигнала РЧ-катушкой сразу после одиночного РЧ-импульса.

Многие последовательности, используемые для визуализации, также могут применяться и для спектроскопии (например, последовательность спин-эхо). Важное различие между последовательностью для визуализации и спектроскопической последовательностью заключается в том, что при спектроскопии считывающий градиент не используется во время приема радиочастотной катушкой сигнала от исследуемого пациента или объекта. Вместо использования частотной информации (обеспечиваемой считывающим или частотным градиентом) для получения пространственной информации или данных о положении, информация о частоте используется для идентификации различных химических соединений. Это возможно благодаря тому, что электронное облако, окружающее различные химические соединения, в разной степени экранирует представляющие спектроскопический интерес резонансные атомы в зависимости от конкретного соединения и конкретного положения атома в нем. Данное электронное экранирование приводит к незначительному различию наблюдаемой резонансной частоты атомов, что позволяет идентифицировать их с помощью MRS.

Пики​

Описаны многие тысячи пиков метаболитов, хотя большинство из них невозможно идентифицировать с помощью стандартных методик визуализации, и именно время эхо (TE) определяет количество измеряемых метаболитов: длинное TE (136-272 ms) по сравнению с коротким TE (10-50 ms).

Пики откладываются справа налево по оси x, а по оси y (высота) отображается величина химического сдвига, выраженная в миллионных долях (ppm). Причина использования ppm вместо сдвига частоты в герцах (Hz) заключается в том, чтобы спектры можно было сравнивать независимо от напряженности магнитного поля. В норме пики холина, креатина и NAA образуют прямую линию, которая при продолжении создает угол 45 градусов с осью x. Это известно как угол Хантера и может использоваться для быстрой оценки того, соответствует ли картина МРС норме с наибольшей вероятностью или нет.

Холин обычно происходит из холинсодержащих соединений, которые играют важную роль в синтезе и распаде клеточных мембран. Поэтому опухоли головного мозга обычно демонстрируют высокий пик холина вследствие усиленного мембранного метаболизма. NAA происходит из нормальной нейрональной или аксональной ткани. При опухолях головного мозга происходит утрата нейрональной ткани, что приводит к снижению пика NAA.

• липиды: резонируют при 1,3 ppm

• лактат: резонирует при 1,33 ppm

• аланин: резонирует при 1,48 ppm

• N-ацетиласпартат (NAA): резонирует при 2,0 ppm

• глутамин/глутамат: резонирует при 2,2-2,4 ppm 

• ГАМК (GABA): резонирует при 2,2-2,4 ppm

• 2-гидроксиглутарат: резонирует при 2,25 ppm

• цитрат: резонирует при 2,6 ppm 

• креатин: резонирует при 3,0 ppm

• холин: резонирует при 3,2 ppm

• мио-инозитол: резонирует при 3,5 ppm и 4,06 ppm

• вода резонирует при 4,7 ppm

Менее распространенные пики

• пропиленгликоль: резонирует при 1,14 ppm

• этанол: резонирует при 1,16 ppm

• ацетат: резонирует при 1,9 ppm

• ацетон: резонирует при 2,22 ppm

• ацетоацетат: резонирует при 2,29 ppm

• сукцинат: резонирует при 2,4 ppm

• метилсульфонилметан: резонирует при 3,15 ppm

• сцилло-инозитол: резонирует при 3,36 ppm

• таурин: резонирует при 3,4 ppm

• глюкоза: резонирует при 3,43 ppm и 3,8 ppm

• маннитол: резонирует на 3.78 ppm

• креатин (второй пик): резонирует на 3.95 ppm

• квартет лактата: резонирует на 4.11 ppm

NB: ppm = миллионная доля (parts per million)

Связанная патология

Глиома

МРС может помочь в определении степени злокачественности (grade). По мере повышения степени злокачественности уровни NAA и креатина снижаются, а холина, липидов и лактата — повышаются.

При глиомах уровень холина повышен за пределами зоны накопления контраста, что соответствует клеточной инфильтрации.

Неглиальные опухоли

Оценка может быть затруднена, но в целом при неглиальных опухолях пик NAA минимален или вовсе отсутствует.

Лучевые изменения

Дифференциальный диагноз между лучевыми изменениями и рецидивом опухоли может быть затруднителен. При рецидиве опухоли уровень холина будет повышен, тогда как при лучевых изменениях уровни NAA, холина и креатина будут низкими.

Ишемия и инфаркт

Уровень лактата увеличивается по мере перехода головного мозга на анаэробный метаболизм. При развитии инфаркта высвобождаются липиды и появляются их пики.

Инфекция 

Как и при всех процессах, разрушающих нормальную ткань головного мозга, NAA отсутствует. Внутри полостей бактериальных абсцессов определяются/повышены лактат, аланин, цитозольные кислоты и ацетат.

Следует отметить, что уровень холина снижен или отсутствует при токсоплазмозе, тогда как при лимфоме он повышен, что помогает дифференцировать эти два состояния.

Заболевания белого вещества

• прогрессирующая мультифокальная лейкоэнцефалопатия (ПМЛ) может сопровождаться повышением уровня мио-инозитола

• для болезни Канавана характерно повышение NAA

Печёночная энцефалопатия 

Выраженное снижение мио-инозитола и в меньшей степени холина. Глутамин повышен.

Митохондриальные заболевания

• Синдром Лея: повышение холина, снижение NAA и иногда повышение лактата

Менингиома

Может определяться пик аланина.

Мнемоника

My ChoCrNaaLa (подумайте о новом шоколадном энергетическом батончике или чем-то подобном)

• My: мио-инозитол (Myo-inositol) 3,5

• Cho: холин (Choline) 3,2

• Cr: креатин (Creatine) 3,0

• Naa: NAA 2,0

• L: лактат (Lactate) 1,3

История и этимология

О применении МРС для исследования интактных биологических тканей впервые сообщили две группы исследователей: Moon и Richards, использовавшие P-31 МРС для исследования интактных эритроцитов в 1973 году, и Hoult et al., применившие P-31 МРС для исследования иссечённой мышцы конечности крысы в 1974 году. Первый МР-спектр головного мозга человека in vivo был опубликован в 1985 году Paul A Bottomley.