Physiologischer Hintergrund

Abb. 1: Modell der Natrium-Kalium-Pumpe (Na+-K+-ATPase). In gesundem Gewebe enthalten Zellen eine hohe Konzentration von Kaliumionen, wohingegen Natriumionen eine niedrige Konzentration aufweisen. Dieser Konzentrationsgradient wird von der Natrium-Kalium-Pumpe aufrechterhalten.
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Natriumionen (23Na) sind wichtig für die zelluläre Homöostase und das Zellüberleben. Gesundes Gewebe weist eine extrazelluläre Natriumkonzentration ([Na+]ex = 145 mM) auf, die die intrazelluläre Konzentration ([Na-]in = 10-15 mM) um etwa einen Faktor zehn übersteigt (Abb. 1). Mit 23Na-MRT können volumen- und relaxationsgewichtete Signale dieser Kompartimente gemessen werden, weswegen die 23Na-MRT ein vielversprechendes diagnostisches Hilfsmittel für den Nachweis pathologischer Prozesse, die eine Änderung des 23Na-Ionengradient bewirken, darstellt.

Physikalische und technische Herausforderungen

Abb. 2: Na-23-Bilder eines gesunden, menschlichen Gehirns aufgenommen bei drei unterschiedlichen Feldstärken (1.5 / 3 / 7 T).
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Die 23Na-MRT ist anspruchsvoll, da der 23Na-Kern einen Spin von 3/2 und ein elektrisches Quadrupolmoment aufweist, was zu schneller, bi-exponentieller Transversalrelaxation in Gewebe führt. Deshalb sind Pulssequenzen mit sehr kurzen Echozeiten (TE) eine Grundvoraussetzung für die 23Na-MRT.
Da die Gesamtnatriumkonzentration nur etwa 50 mM in Hirngewebe und etwa 30 mM im Muskel beträgt und die MR Sensitivität von 23Na um einen Faktor zehn kleiner ist als die Sensitivität von  1H, leidet die 23Na-MRT unter einem ca. 20.000 mal kleineren in vivo Signal. Diese Sensitivitätsgrenze kann teilweise durch kürzere Repetitionszeiten (TR) kompensiert werden, da die longitudinalen Relaxationszeiten T1 sehr viel kürzer sind, verglichen mit der 1H-Bildgebung. Dennoch bleibt die Gesamtsensitivität um mehr als einen Faktor 2.000 kleiner.

Abb. 3: Ausgewählte Bilder von dreidimensionalen Na-23 in vivo Hirnaufnahmen. Die Bilder in der ersten Zeile wurden mit einer konventionellen, dreidimensionalen Radialsequenz (3D-RAD) aufgenommen, die Bilder in der unteren Zeile mit einem dichteangepassten Abtastschema (DA-3D-RAD). Die DA-3D-RAD-Sequenz erzeugt Bilder mit einem signifikant höheren SNR und weist weniger Bildartefakte auf. Parameter: TE = 0.2 ms; TR = 50 ms; B0 = 3 T; Auflösung: 4 x 4 x 4 mm3; Aufnahmezeit: 10 min 50 s. Mehr Bilder sind in Referenz [1] veröffentlicht.
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Da das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ungefähr linear mit der Magnetfeldstärke ansteigt, profitiert die 23Na-MRT von einer größeren Magnetfeldstärke (Abb. 2).
Um das SNR weiter zu verbessern, wurde eine optimierte Pulssequenz entwickelt, die auf einer dichteangepassten k-Raum-Aufnahme basiert. In Abb. 3 werden 23Na-MR-Bilder, die mit dieser neuen dichteangepassten,- 3D radialen Auslesetechnik aufgenommen wurden,- mit Bildern verglichen, die mit einer konventionellen,- 3D radialen Auslese aufgenommen wurden.
Bei gleicher Messzeit ist das SNR um bis zu 80% höher, B0-Inhomogenitätsartefakte sind weniger ausgeprägt und anatomische Strukturen sind besser zu erkennen [1].

Mit dieser neu entwickelten Pulssequenz und der hohen Magnetfeldstärke (7 T) können 23Na-Bilder mit einer isotropen Auflösung von 2.5 x 2.5 x 2.5 mm3 aufgenommen werden.

Trennung von unterschiedlichen Natriumkompartimenten

In der Mehrzahl der bisherigen 23Na-MRT-Studien zur Untersuchung pathologischer Prozesse wurde die Gesamtnatriumkonzentration des Gewebes gemessen. Jedoch wäre die gezielte Beurteilung des intra- oder extrazellulären Natriums (vgl. Abb. 1) aussagekräftiger für den eigentlichen pathologischen Prozess. Bei vielen Krankheiten ist das intrazelluläre Natrium erhöht. Inversion Recovery (IR) und Tripelquantengefilterte (TQF) 23Na-MRT sollen eine Gewichtung in Richtung des intrazellulären Natriums ermöglichen.

Inversion Recovery (IR) Natrium-MRT

Ein IR-Experiment kann dazu genutzt werden das Signal von Natriumionen mit einer bestimmten longitudinalen Relaxationszeit (z.B. Natriumionen in reiner Kochsalzlösung, in Blut oder in vasogenen Ödemen) zu unterdrücken. Um zu prüfen, ob eine 23Na-Sequenz eine Gewichtung hin zu intrazellulärem Natrium ermöglicht, wurde Paramyotonia congenita - eine seltene Muskel-Ionenkanal-Erkrankung - als klinisches Modell verwendet. Bei dieser Krankheit führt eine Provokation des Muskels (z.B. Kühlung) zu einem Anstieg der intrazellulären Natriumkonzentration. Dieser Anstieg kann reproduzierbar induziert werden. Der zugrundeliegende pathogene Mechanismus beruht auf einem Gatingdefekt des Natriumionenkanals (vgl. Abb. 1). 23Na- und 1H-MRT wurden vor und nach der Provokation (Kühlung) eines Unterschenkels durchgeführt. Obwohl das provozierte Bein eine starke Muskelschwäche aufweist, kann in konventionellen 1H-Bildern keine Veränderung festgestellt werden, wohingegen 23Na-MRT eine Visualisierung der Pathophysiologie ermöglicht (Abb. 4). Eine ausführlichere Beschreibung der verwendeten Methoden befindet sich in [2]. Diese Methoden wurden auch bei Untersuchungen von Hirntumorpatienten eingesetzt [3].

Abb. 4: H-1-MR- und Na-23-MR-Bilder eines Paramyotonia congenita Patienten vor und nach der Provokation des rechten Unterschenkelmuskels (*, dh. das Bein auf der linken Seite des Bildes). Zwei Referenzröhrchen wurden verwendet um das Signal zu normieren (1: 51,3 mmol/l reine Kochsalzlösung; 2: 51,3 mmol/l NaCl und 5% Agarose). Die Provokation bewirkt einen Anstieg der intrazellulären Natriumkonzentration und eine Depolarisation der Zellen, was zur Muskelschwäche führt. Diese Änderungen sind nur in der Na-23-MRT sichtbar. Der Signalanstieg ist in Na-23-IR-Bildern am stärksten ausgeprägt. Teile der Abbildung sind aus Referenz [2] übernommen.
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Tripelquantengefilterte/biexponentiell-gewichtete Natrium-MRT
 
Der Kernspin von 3/2 ermöglicht einige einzigartige Phänomene, wie die Anregung von Tripelquantenkohärenzen [4]. Diese Kohärenzen höherer Ordnung werden nur in Natriumionen mit eingeschränkter Beweglichkeit angeregt und weisen ein schnelles, bi-exponentielles Relaxationsverhalten auf. Da das tripelquantengefilterte Signal hauptsächlich von Natriumionen aus dem Intrazellulärraum erzeugt wird, stellt diese Bildgebungstechnik ein vielversprechendes, nicht invasives Hilfsmittel für den frühzeitigen Nachweis von pathologischen Veränderungen auf zellulärer Ebene dar. Jedoch leidet die Tripelquantenfiltertechnik unter einem niedrigen SNR, da nur ein Bruchteil des Natriumsignals zu Tripelquantenkohärenzen angeregt und zur Detektion wieder umgewandelt wird. Deshalb arbeiten wir daran die SNR-Effizienz von tripelquantengefilterten Natriumbildern durch die Entwicklung von neuen Pulssequenzen und Filtertechniken zu verbessern. Mit diesem Ziel wurde ein neuer Kontrast entwickelt, welcher eine starke Gewichtung zu intrazellulärem Natrium erlaubt, jedoch nicht unter einer erheblichen Reduzierung des Signals durch die Filterung leidet [5]. Diese Bildgebungstechnik führt zu einem Signal, welches weniger von äußeren Bedingungen abhängt und somit geeignet ist um zukünftig den intrazellulären Natriumgehalt quantitativ zu bestimmen. Diese biexponentielle Gewichtungsmethode konnte weiter entwickelt werden und letztendlich mit stark reduzierter Messzeit bei hohem SNR realisiert werden [6].


References:
[1]  Nagel AM, Laun FB, Weber MA, Matthies C, Semmler W, Schad LR. Sodium-MRI Using a Density-Adapted 3D Radial Acquisition Technique. Magn Reson Med 2009 Dec; 62(6):1565-73.
[2] Nagel AM, Amarteifio E, Lehmann-Horn F, Jurkat-Rott K, Semmler W, Schad LR, Weber MA. 3 Tesla sodium inversion recovery magnetic resonance imaging allows for improved visualization of intracellular sodium content changes in muscular channelopathies. Investigative radiology 2011;46(12):759-766.
[3] Nagel AM, Bock M, Hartmann C, Gerigk L, Neumann JO, Weber MA, Bendszus M, Radbruch A, Wick W, Schlemmer HP, Semmler W, Biller A. The potential of relaxation-weighted sodium magnetic resonance imaging as demonstrated on brain tumors. Investigative radiology 2011;46(9):539-547.
[4] Matthies C, Nagel AM, Schad LR, Bachert P. Reduction of B(0) inhomogeneity effects in triple-quantum-filtered sodium imaging. Journal of Magnetic Resonance 2010;202(2):239-244.
[5] Benkhedah N, Bachert P, Semmler W, Nagel AM. Three-dimensional biexponential weighted 23Na imaging of the human brain with higher SNR and shorter acquisition time. Magn Reson Med. 2013; 70(3):754-65.
[6] Benkhedah N, Bachert P, Nagel AM. Two-pulse biexponential-weighted Na imaging. J Magn Reson. 2014; 240C:67-76.


Auf dem hier vorgestellten Gebiet bieten wir unterschiedliche Themen für Diplom-/Master-, Bachelor- und Doktorarbeiten an. Das Ziel der Arbeiten ist die Entwicklung innovativer Bildgebungstechniken um die Bildqualität weiter zu verbessern und eine bessere Trennung unterschiedlicher Natriumkompartimente zu erreichen. Bitte kontaktieren Sie uns für eine genaue Beschreibung der möglichen Themen.

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