Projekt 02FMTHH16

Schlaganfallbildgebung mittels Magnetic Particle Imaging (MPI)

Ausgangssituation & Zielsetzung

Trotz aller Fortschritte in der Behandlung des akuten Schlaganfalls durch Thrombolyse und mechanische Thrombektomien ist Zeit der wichtigste Faktor für eine erfolgreiche Behandlung von Schlaganfallpatienten, da in jeder Minute, in der keine Behandlung erfolgt, zwei Millionen Nervenzellen zugrunde gehen. So spielt neben der raschen klinischen Einordnung insbesondere die zügige Bildgebung eine entscheidende Rolle in der schnellen und akkuraten Diagnosestellung. Neben der Differenzierung zwischen ischämischem Schlaganfall und Blutung, sollte die Schlaganfallbildgebung innerhalb kürzester Zeit idealerweise auch Informationen über das Alter des Schlaganfalls, Penumbra (noch vitales, aber gefährdetes Hirngewebe), Gefäßanatomie (Stenosen, Gefäßverschlüsse) und Bluthirnschranke liefern. Jede Verzögerung um 15 Minuten führt dazu, dass mehr Patienten an den Folgen eines Schlaganfalles versterben.

MPI ist eine neue Bildgebungsmodalität, mit der die räumliche Verteilung superparamagnetischer Eisenoxidpartikel (SPIO) bestimmt werden kann. Dafür wird keine ionisierende Strahlung benötigt, sondern eine Kombination von räumlich und zeitlich konstanter und variierender Magnetfelder genutzt.

Nach intravasaler Applikation eines Kontrastmittels kann MPI, aufgrund einer hohen zeitliche Auflösung von 21,5 Millisekunden, sowohl das Gefäßsystem dreidimensional darstellen, als auch zusätzliche Informationen über Perfusion, Blutvolumen und andere Parameter liefern. Die Datenakquise erfolgt dabei in Echtzeit und damit so schnell, dass MPI allen anderen Bildgebungsverfahren in diesem Bereich überlegen ist, ohne die Nebenwirkungen durch Strahlenbelastung oder Kontrastmittel, die entweder nephrotoxisch sind oder sich im Kleinhirn ablagern können. Innerhalb weniger Sekunden werden so Informationen über Schlaganfallgröße und vorgeschaltete Stenosen erhoben, für die die MRT mehrere Minuten ermöglicht.

Zusätzlich können MPI-Scanner so kompakt gebaut werden, dass ein Einsatz direkt am Patientenbett möglich ist.

Primärer Endpunkt dieser Arbeit war es herauszufinden ob MPI als neue Bildgebungstechnik in der Lage ist, Schlaganfälle zu detektieren und das in ähnlicher Qualität wie die Standardverfahren CT oder MRT.

Vorgehensweise und Methoden

Zum ersten Mal konnten wir mit unseren Arbeiten zeigen, dass MPI eine vielversprechende Bildgebungsmethode zur Beurteilung der zerebralen Perfusion und von Schlaganfällen ist. Zurzeit gibt es keine Technik zur kontinuierlichen Überwachung der zerebralen Perfusion. MPI-Scanner können so kompakt gebaut werden, dass sie für die kontinuierlichen Überwachung der zerebralen Perfusion bei Patienten mit Schlaganfall, Blutungen und Subarachnoidal-blutungen am Patientenbett geeignet sind. MPI könnte so die Versorgung von Schlaganfall-patienten deutlich verbessern.

Abb1: Schlaganfallbildgebung mittels “Magnetic particle imaging” im Mausschlaganfallmodell: Nach Verschluss der linken A. carotis communis (ACC) und A. cerebri media erfolgte die Bildgebung mittels MPI. Panel A zeigt das mit der MRT-Sequenz koregistrierte MPI-Signal. Dargestellt ist das Anfluten des Kontrastmittels über die Zeit. Es zeigt sich deutlich eine reduzierte Perfusion in der linken Hemisphäre (oberste Reihe, siehe Stern). Die sagittale Darstellung des MPI-Signals ergibt zusätzlich Aufschluss über die Gefäßanatomie, es zeigt sich deutlich der Gefäßabbruch der linken ACI (unterste Reihe, siehe Stern), im Vergleich dazu ist die rechte ACC durchgängig (mittlere Reihe). Der Bolusverlauf des Kontrastmittels ist in Panel B dargestellt, mit entsprechend geringem Anfluten in der linken Hemisphäre (Kurvenverlauf mit gefülltem Quadrat). Aus dem Bolusverlauf können dann die typischen Parameterkarten berechnet werden, beispielhaft ist in Panel C das zerebrale Blutvolumen dargestellt (CBV).

Ergebnisse

Unsere Ergebnisse (Abb. 2) konnten zeigen, dass der Elastizitäts-Modul im Inneren einer kalzifizierten Lakune signifikant höher ist als in der benachbarten Knochenmatrix (p<0,01). Auch die Härte der kalzifizierten Lakunen war höher als die der umgebende Knochenmatrix (p<0,01). Zudem ergab sich kein Unterschied im Elastizitäts-Modul (E-Modul) oder der Härte der Knochenmatrix, unabhängig von ihrer Nähe zur mineralisierten Osteozytenlakune. Die beobachteten mechanischen Festigkeitsunterschiede zeigten sich bei den gesunden Kontrollen und den Osteoporose-Patientinnen gleichermaßen.

Unsere Resultate zeigen, dass kalzifizierte Lakunen einen lokalen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Knochenmatrix haben. Diese tritt unabhängig von Osteoporose auf. Jedoch gewinnt die Änderung der lokalen Mikromechanik in Osteoporose-Patient*innen an Bedeutung, da kalzifizierte Lakunen dort häufiger auftreten. Diese lokalen Veränderungen in alterndem Knochen wurden bisher vernachlässigt, könnten jedoch insbesondere in Osteoporose-Patient*innen das Frakturrisiko wesentlich beeinflussen.


Beteiligte

Dr. Peter Ludewig

Projektleitung

Klinik und Poliklinik für Neurologie

Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf

Prof. Dr. Tobias Knopp
Institut für Biomedizinische Bildgebung
TUHH


Drittmittelprojekte und Drittmittelanträge

MAGneTISe(MAGNETIC PARTICLE IMAGING FOR THE TREATMENT AND IMAGING OF STROKE) http://euronanomed.net/wp-content/uploads/2018/08/MAGneTISe.pdf


Publikationsliste

P. Ludewig, N. Gdaniec, J. Sedlacik, S. Behr, S. J. Kemp, R. M. Ferguson, A. P. Khandhar, K. M. Krishnan, J.Fiehler, C. Gerloff, T. Knopp and T. Magnus, 6th International Workshop on Magnetic Particle Imaging (IWMPI 2016). Magnetic particle imaging in a mouse model of acute ischemic stroke. 51