Optimizacija tehnik magnetno resonančnega slikanja za napoved uspeha trombolize (2018-2021)

Financiranje: ARRS – Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS

Šifra: J3-9288

Vodja: prof. dr. Igor Serša, Institut Jožef Stefan

Trajanje: 1.7.2018―30.6.2021

Letni obseg financiranja: 1142 ur razreda D

Veda: Medicina

Sodelujoče RO: - Institut Jožef Stefan

- Medicinska fakulteta, Univerza v Ljubljani

- Univerzitetni klinični center Ljubljana

Vsebinski opis projekta:

V projektu smo proučevali možganske krvne strdke pri pacientih z akutno ishemično možgansko kapjo in sicer smo si zadali za cilj najti povezave med parametri, ki jih dobimo pri slikanju možganskih krvnih strdkov s parametri poteka interventnega zdravljenja in tudi s končnim izidom zdravljenja ter najti ustrezno metodo slikanja, ki te parametre optimalno prikaže. Znano je namreč, da je pri ishemični možganski kapi ključna čim prejšnja rekanalizacija s strdkom zaprte žile, pri čemer uporabljamo trombolitično in/ali mehansko odstranjevanje krvenega strdka. V obeh primerih je uspeh močno povezan z mikroskopsko zgradbo strdka, deležem eritrocitov in trombocitov in z njimi povezano gostoto fibrinske mreže. Slednja je namreč odgovorna za porozno strukturo krvnega strdka in s tem tudi na njegov prepustnost za dostop trombolitičnega sredstva kakor tudi za mehansko trdnost strdka in s tem povezano težavnostjo njegove mehanske odstranitve. Natančna ocena zgradbe in sestave strdkov je torej pomembna tudi pri načrtovanju zdravljenja in prognozi uspeha rekanalizacije.

V projektu smo uspeli pokazati, da nam tako standardno CT slikanje kot tudi naprednejše metode magnetno resonančnega slikanja (T2 in ADC kartiranje) omogočajo pridobiti parametre relevantne za načrtovanje zdravljenja in napoved končnega izida zdravljenja. Pri tem je med obema metodama bistvena razlika ta, da je CT slikanje že sedaj del standardne slikovne diagnostike pacientov s sumom na možgansko kap v domačih urgentnih centrih, med tem ko lahko rezultate MR slikanje visoke ločljivosti zaenkrat dobimo le na možganskih strdkih in vitro, torej strdkih pridobljenih z mehansko trombetomijo. V naših raziskavah smo pokazali, da lahko s CT slikanjem pri ishemični kapi ne določimo le mesto strdka (zapore) in njegovo dolžino, ampak tudi izmerimo radio-gostoto strdka v enotah Hounsfielda (HU) (COBISS.SI-ID 79857923). To je podatek, ki je običajno prezrt, mi pa smo pokazali, da je radio-gostota strdka pokazatelj pomemben tako za oceno težavnosti rekanalizacije zaprte žile kot tudi za končni izid zdravljenja kapi. Z obema uporabljenima metodama MR kartiranja (T2 in ADC) smo pridobili natančnejše podatke o zgradbi strdka (COBISS.SI-ID 32890919). Ti podatki zopet korelirajo tako s potekom rekanalizacije žilne zapore, kot tudi s končnim izidom zdravljenja. Kot najobčutljivejši parameter se je izkazala variabilnost ADC. V primeru mehanske rekanalizacije žilne zapore je ta parameter najbolje napovedal njeno težavnost.

Kot rezultat tega projekta smo v laboratoriju za slikanje z magnetno resonanco razvili/implementirali še dve novi MR slikovni metodi in sicer slikanje difuzijskega tenzorja (COBISS.SI-ID 108348931) in oceno električne prevodnosti vzorca na osnovi MR slikanja tokovne gostote s pomočjo merjenja razpada magnitudnega MR signala (COBISS.SI-ID 106745859). Obe metodi omogočata pridobivanje novih kontrastnih parametrov, ki so uporabni za karakterizacijo strdkov.

Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS

Projektni sklopi in njihova realizacija:

Osnovna hipoteza tega raziskovalnega projekta je, da pri slikanju bolnikov s sumom na ishemično možgansko kap lahko dobimo za diagnostiko več uporabnih parametrov kot se jih sedaj uporablja. To velja tako za osnovno nativno CT slikanje kot tudi v primeru naprednejšega multiparametričnega slikanja z magnetno resonanco, ki se zaenkrat še ne uporablja v naših centrih urgentne medicine, v tujini pa že. Za obe slikovni mododaliteti (CT in MRI) smo v projektu to hipotezo tudi potrdili. Projekt smo v fazi prijave razdelili na 6 raziskovalnih sklopov od katerih se zadnja dva nista izvajala zaradi polovičnega obsega financiranja. Delo na vsakem od teh štirih sklopov, zastavljeni cilji in njena realizacija je sledeča:

1. Pridobivanje vzorcev možganskih krvnih strdkov (cilj je pridobiti večje število vzorcev možganskih krvni strdkov za analizo)

V okviru projekta smo pridobili možganske krvne strdke 30 bolnikov z možgansko kapjo. Ti so bili pridobljeni s postopkom trombektomije pri tistih bolnikih pri katerih predhodno trombolitično zdravljenje ni imelo željenega učinka in se žilna zapora ni sprostila. Možganski strdki, ki so bili vključeni v analizo, so bili vsi iz področja srednje možganske arterije (MCA). Za vse pridobljene strdke smo podrobno spremljali vse pomembne podatke trombektomičnega posega, to je čas začetka posega s trombektomično napravo do vzpostavitve toka krvi skozi zaprti segment žile, število potrebnih prehodov s trombektomično napravo. Za vsakega bolnika smo imeli zabeležene tudi vse njegove klinične parametre in dostop do CT slik pacientov in možnostjo njihove naknadne analize. Za študijo smo pridobili predhodno soglasje etične komisije št. 0120-99/2021/7. Pridobivanje vzorcev strdkov je potekalo predvsem v prvi polovici projekta, v nadaljevanje pa je bilo oteženo zaradi prehoda na nov način mehanske rekanalizacije na UKC Lj, ki temelji na sesalni odstranitvi (sistem Penumbra), pri kateri se strdek odstrani po fragmentih, tako da njegova slikovna analiza po odstranitvi ni več možna. Pred tem je bil uporabljan sistem MERCI, kjer so bili strdki odstranjeni v enem kosu in skoraj »nepoškodovani«.

2. Optimizacija metod MR slikanja za T1, T2, ADC in MT mapiranje (cilj je razviti metode, ki bodo omogočale visokoločljivo slikanje možganskih krvnih strdkov z magnetno resonanco)

V naslednji fazi smo vsak pridobljen krvni strdek čim prej po pridobitvi odnesli na IJS, kjer smo ga MR slikali na 2,35 T sistemu za visokoločljivo slikanje. Slikanje je vključevalo naslednje metode: 3D T1 obteženo, kartiranje relacijskega časa T2 in kartiranje navidezne difuzijske konstante (ADC). Ti rezultati so objavljeni v članku [1]. Poleg tega smo implementirali/razvili še dve MR slikovni metodi in sicer DTI slikanje [3] in slikanje električne prevodnosti [4]. Zaradi zmanjšanega/prekinjenega dostopa do vzorcev krvnih strdkov ti metodi še nista bili uporabljeni za slikanje možganskih krvnih strdkov.

V primeru DTI gre sicer za uveljavljeno metodo, ki je poleg v raziskovalni rabi na kliničnih MR sistemih že vse bolj dostopna tudi kot del naprednejše komercialne programske opreme. V primeru našega sistema za MR mikroskopijo te slikovne metode še nismo imeli in je tudi ni bilo možno kupiti, zato smo jo morali razviti sami. To delo je vključevalo nov pulzni program za zajem DWI slik pri gradientih v različnih smereh prostora in program za izračun DTI tenzorja iz DWI slik. Na osnovi diagonalizacije DTI tenzorja smo lahko nato izračunali vse tri lastne vrednosti in lastne vektorje, njegovo frakcijsko anizotropijo in srednjo vrednost difuzije. Nadalje smo razili programe za prikaz difuzijskega tenzorja z difuzijskimi elipsoid in še posebej smo ponosni na zahteven program, ki lahko iz prostorske slike DTI tenzorja sledi vlaknom tkiva, kar je v literaturi znani kot difuzijska traktografija. Uspeh naše implementacije DTI metode je tudi izredna prostorska ločljivost, ki jo metoda ima. Dosegli smo namreč ločljivost 35 mikrometrov, kar je vsaj en velikostni red bolje od rezultatov dobljenih na kliničnih MRI sistemih. Ravno ta visoka ločljivost odpira tudi nova zanimiva področja uporabe na analizi tkiv med katera nedvomno sodijo tudi krvni strdki. Iz našega dela na razvoju DTI metode je doslej nastala ena magistrska naloga, še ena magistrska naloga je v pripravi. Objavili pa smo tudi znanstveni članek iz naših rezultatov uporabe DTI metode za analizo medialnega živca [3]. Enako metodo bomo uporabili tudi za DTI slikaje možganskega krvnega strdka, takoj ko nam bo tak vzorec spet dostopen.

Metoda za oceno električne prevodnosti je bila razvita povsem na novo. Doslej objavljeni pristopi za oceno prevodnosti iz slik tokovne gostote namreč temeljijo na pridobivanju slik tokovne gostote iz faze MR signala. V tem delu je bilo prvič predstavljeno novo spoznanje, namreč da prisotnost električnega toka v vzorcu povzroči nastanek dodatnega gradienta magnetnega polja, ki vodi do porušitve homogenosti magnetnega polja v vzorcu in posledično do hitrejšega razpada MR magnitudnega signala. Ta metoda je bila zaenkrat preverjena le na testnih vzorcih in bo potrebno njeno pravo uporabnost za analizo tkiv, med katere spadajo tudi krvni strdki, šele dokazati. Vendar je gotovo, da gre v tem primeru za povsem nov kontrastni mehanizem, ki doslej še ni bil pogosto uporabljan. Po večini je namreč kontrast v MR slikah posledica različnih NMR relaksacijskih časov tkiv ali različnih difuzijskih lastnosti. Glede na to, da je ta metoda nova, je bila ugodno sprejeta s strani najpomembnejše revije s področja slikanja z magnetno resonanco »Magnetic Resonance in Medicine« in tam tudi objavljena [4].

3. Histološka in IHC analiza pridobljenih možganskih krvnih strdkov (cilj histološke analize je pridobiti natančno informacijo o morfologiji ter sestavi krvnih strdkov)

Po končani preiskavi strdka z magnetno resonanco smo tega dali naprej v histološko analizo. Pri tem smo vsak strdek prerezali v vzdolžni smeri in analizirali centralno rezino z imuno histološko analizo in sicer z nespecifičnim barvanjem s hematoksilinom in eozinom (HE), in s specifičnimi barvanji z monoklonskimi protitelesi na prisotnost eritrocitov (Anti-Human glikoforin A, GPA) in na prisotnost trombocitov (Anti-Human Integrin β-3/CD61, CD61). Ti rezultati so objavljeni v člankih [1,2].

4. Statistična analiza MR map in IHC slik, načrtovanje napovednih modelov za zdravljenje kapi (cilj je potrditi obstoj korelacij med MR slikami, IHC slikami ter parametri trombektomije)

Za vsakega bolnika smo pridobili poleg kliničnih parametrov in parametrov postopka mehanske rekanalizacije še tri tipe slik odstranjenega možganskega strdka in sicer visokoločljive MR slike, histološke slike (HE, GPA, CD61) ter CT sliko. Vse pridobljene slike strdkov smo analizirali tako, da smo iz njih pridobili karakteristične parametre in sicer iz MRI slik smo določili povprečno vrednost T2 in ADC, variabilnost T2 in ADC, določili smo lahko tudi dolžni odstranjenega strdka. Iz rentgenskih slik smo določili povprečno rentgensko gostoto strdka (v enotah Hounsfield, HU). Histološke slike pa so nam omogočile določitev deleža eritrocitov ter trombocitov v pridobljenih strdkih. Tako pridobljene parametre različnih vrst slik smo nato analizirali na prisotnost možnih korelacij med njimi.

V primeru analize MR slik smo ugotovili, da obstaja negativna korelacija med deležem eritrocitov in povprečno vrednostjo ADC ter pozitivna korelacija med deležem eritrocitov in povprečno vrednostjo T2. Pozitivno korelacijo smo pokazali tudi med dolžino strdka in časom postopka trombektomije do vzpostavitve pretoka krvi skozi zaprto srednjo možgansko arterijo (rekanalizacijo). Zelo očitna je bila tudi korelacija med številom prehodov trombektomične naprave in časom do rekanalizacije. Pokazali smo, da obstaja očitna razlika med strdki, ki so pri odstranjeni samo z enim prehodom tormbetomične naprave in tistimi za katere je bilo potrebnih več prehodov in sicer imajo slednji precej nižjo povprečno vrednost ADC in precej višjo variabilnost ADC od strdkov odstranjenih z enim prehodom trombektomične naprave. Te rezultate smo objavili v članku [1] in v vabljenem predavanju [5].

V primeru obdelave CT slik smo pokazali, da je možno iz njih pridobiti tudi podatke o radio-gostoti (HU), ki so pokazatelj kompaktnosti strdka. Strdki z večjo radiogostoto imajo namreč večjo koncentracijo eritrocitov in s tem tudi hemoglobina (železa), ki je večji absorbent rentgenskih žarkov. Ker se gostejši strdki težje topijo v postopku trombolize in se jih zaradi njihove večje kompaktnosti in torej tudi mehanske trdnosti težje mehansko odstranijo pri postopku trombektomije, obstaja pozitivna korelacija med težavnostjo rekanalizacije zaprte možganske žile in izmerjeno radio-gostoto strdka. Pokazali smo tudi, da je bolje kot meriti absolutno vrednost radio-gostote meriti razliko izmerjene radio-gostote na okludiranem mestu žile (v našem primeru so to bila MCA mesta) in njenem simetričnem normalnem mestu na drugi polovici možganov. Te izsledke smo objavili v članku [2].

Bibliografske reference

1. VIDMAR, Jernej, BAJD, Franci, MILOŠEVIČ, Zoran, KOCIJANČIČ, Igor, JEROMEL, Miran, SERŠA, Igor. Retrieved cerebral thrombi studied by T2 and ADC mapping : epreliminary results. Radiology and oncology. [Print ed.]. 2019, vol. 53, no. 4, str. 427-433, v. ISSN 1318-2099. DOI: 10.2478/raon-2019-0056. [COBISS.SI-ID 32890919]

2. VILTUŽNIK, Rebeka, VIDMAR, Jernej, FABJAN, Andrej, JEROMEL, Miran, MILOŠEVIČ, Zoran, KOCIJANČIČ, Igor, SERŠA, Igor. Study of correlations between CT properties of retrieved cerebral thrombi with treatment outcome of stroke patients. Radiology and oncology. [Print ed.]. 2021, vol. 55, no. 4, str. 409-417, graf. prikazi, tabeli. ISSN 1318-2099. DOI: 10.2478/raon-2021-0037. [COBISS.SI-ID 79857923]

3. AWAIS, Kanza, SNOJ, Žiga, CVETKO, Erika, SERŠA, Igor. Diffusion tensor imaging of a median nerve by magnetic resonance : a pilot study. Life. 2022, vol. 12, iss. 5, str. 748-1-748-13, ilustr. ISSN 2075-1729. https://www.mdpi.com/2075-1729/12/5/748, DOI: 10.3390/life12050748. [COBISS.SI-ID 108348931]

4. SERŠA, Igor. Electric current detection based on the MR signal magnitude decay. Magnetic resonance in medicine. [Online ed.]. [in press] 2022, 10 str., ilustr. ISSN 1522-2594. DOI: 10.1002/mrm.29278. [COBISS.SI-ID 106745859]

5. SERŠA, Igor. Magnetic resonance microscopy of blood clots. V: 10th Kraków Workshop on Novel Applications of Imaging and Spectroscopy in Medicine, Biology and Material Sciences, 23-25 September, 2019 Kraków, Poland. Str. 25-26. [COBISS.SI-ID 32729639]