O-17 Magnetresonanztomographie (O-17-MRT)

Zellatmung

Abb. 1: Schematische Darstellung der Prozesse der Zellatmung zur Bereitstellung des universellen Energieträgers Adenosintriphosphat (ATP). ATP kann sowohl anaerob, durch den Prozess der Glykolyse, als auch aerob, durch die weitere Verstoffwechselung im Citratzyklus und der Atmungskette, metabolisiert werden. O2-17 wird dabei mit der Stoffwechselrate CMRO2 zu Wasser reduziert.

Sauerstoff ist eines der zentralen Elemente für den menschlichen Organismus und speziell für die Energieproduktion von Zellen ist er von großer Bedeutung. Bei der Bildung des Energie-trägers Adenosintriphosphat (ATP) wird Glukose gespalten und es entsteht über eine Reihe von komplexen Stoffwechselprozessen ATP (Abb. 1). Dieser Prozess kann sowohl anaerob als aerob ablaufen, wobei die aerobe Verstoffwechselung, bei der molekularer Blutsauerstoff im Zuge der oxidativen Phosphorylierung zu Wasser reduziert wird, etwa 15 mal mehr ATP pro Glukosemolekül liefert als der anaerobe Prozess. In gesundem Gewebe wird über 90% des benötigten ATP über den aeroben Prozess bereitstellt.

Sauerstoff-17 (O-17) & CMRO2

17O ist eines von drei stabilen Sauerstoffisotopen (16O, 17O, 18O). Es kommt mit einer natürlichen Häufigkeit von nur 0,037% vor und ist das einzige der drei Isotope, das einen Kernspin (I=5/2) besitzt und damit mit der NMR nachweisbar ist. 17O ist ungiftig und verhält sich für den menschlichen Stoffwechsel äquivalent zu 16O.
Auf Grund dieser Eigenschaften lässt sich durch die Gabe von hochangereichertem 17O-Gas (20-70%) der zelluläre Sauerstoffmetabolismus direkt mit der MRT nachweisen. Dabei wird 17O wie normaler Luftsauerstoff über die Lunge aufgenommen und über das Hämoglobin des Blutes zu den Zellen transportiert, wo die Reduktion zu Wasser stattfindet. Dieser Prozess führt zu einem Anstieg des 17O-MR-Signals, welcher von der Stoffwechselrate CMRO2 (engl. cerebral metabolic rate of oxygen consumption) abhängt (Abb. 1). Mit Hilfe geeigneter mathematischer Modelle zur Modellierung dieser Prozesse ist es mit dieser Methode schließlich möglich, die Rate CMRO2 absolut zu quantifizieren.
Aus der Literatur ist bekannt, dass Veränderungen des zellulären Sauerstoffmetabolismus bei verschiedensten Krankheitsbildern wie z.B. Alzheimer und Parkinson, aber auch in Tumoren vorliegen. Über die Methoden der 17O-MRT lassen sich ortsaufgelöste Informationen über den Energiestoffwechsel der Zellen gewinnen und auf diese Weise eventuelle pathologische Gewebsveränderungen im Gehirn detektieren.

O-17-Magnetresonanztomographie

Abb. 2: Ausgewählte transversale Schichten eins dreidimensionalen O-17-MR-Datensatzes mit einer nominellen räumlichen Auflösung von (5x5x5)cm3 aufgenommen in TAQ=10min bei 7 Tesla [1].

Auf Grund seiner physikalischen Eigenschaften liegt die relative Signalstärke des 17O-MR-Signals im Körper etwa um den Faktor 100000 unter dem Signal für Protonen (1H-MRT). Zusätzlich besitzt der 17O-Kern im Vergleich zu 1H ein elektrisches Quadrupolmoment, was zu einer sehr schnellen Relaxation des MR-Signals von 17O führt (T1,T2<8ms). Diese Eigenschaften machen für die direkte MR-Bildgebung mit 17O die Verwendung sehr starker Magnetfelder (B0>3T) sowie den Einsatz spezieller Aufnahmetechniken („ultra short echo time“ (UTE)-Pulssequenzen) notwendig.

In der Gruppe werden Techniken zur effizienten Datenaufnahme der 17O-MR-Signale entwickelt und für die spezifischen Anwendungen am Menschen optimiert. Hierdurch ist es erstmals möglich 17O MR-Aufnahmen des gesamten menschlichen Kopfes mit einer nominellen räumlichen Auflösung von (5x5x5)cm3 in einer Aufnahmedauer von TAQ=10min zu erreichen (Abb. 2).

Abb. 3: (a) Farblich kodierte Darstellung des maximalen O-17-Signalanstiegs während der Inhalation von angereichertem O-17 Gas (obere Reihe) und entsprechende O-17-Bilder (untere Reihe) dargestellt in 5 ausgewählten transversalen Schichten des menschlichen Gehirns. (b) Signal-Zeit-Verläufe ausgewählter ROIs in Bereichen grauer und weißer Substanz sowie eines Referenzsignals innerhalb des Bildes. Sowohl auf den Farbkarten als auch in den Zeitverläufen ist in Bereichen grauer Substanz ein deutlich höherer Signalanstieg unter O-17-Inhalation zu beobachten als in zentralen Bereichen weißer Substanz [1].

Für die Quantifizierung des Sauerstoffmetabolismus werden Messtechniken zur Durchführung und Auswertung von 17O2-Inhalationsexperimenten am 7T-MR-Tomographen entwickelt. In In-vivo-Experimenten an Probanden konnte gezeigt werden, dass die Atmung angereicherten 17O2 zu einem ortsabhängigen Anstieg des 17O-MR-Signals im Gehirn führt (Abb. 3a). Auf Grund der unterschiedlichen Stoffwechselraten zeigen weiße und graue Hirnsubstanz unterschiedliche Signalverläufe (Abb. 3b), über die der Sauerstoffumsatz CMRO2 quantifiziert werden kann.
Wir konnten die Durchführbarkeit der direkten Bestimmung des CMRO2 durch 17O-Bildgebung am Glioblastompatienten zeigen. Dabei konnte der Sauerstoffumsatz in den unterschiedlichen Geweben bestimmt werden, wobei große Unterschiede zwischen den einzelnen Tumorregionen festgestellt werden konnten.


 

[1] Hoffmann, S. H., Begovatz, P., Nagel, A. M., Umathum, R., Schommer, K., Bachert, P. and Bock, M. (2011). A measurement setup for direct 17O MRI at 7T. Magn Reson Med, 66:1109-15.
[2] Hoffmann, S. H., Nagel, A. M., Meise, F. M., Umathum, R. and Bock, M. (2011). In vivo relaxation parameters of oxygen-17 (17O). In: Proceedings of the 19th scientific meeting, International Society for Magnetic Resonance in Medicine, Montreal, p473.
[3] Hoffmann, S. H., Begovatz, P., Nagel, A., Umathum, R. and Bock, M. (2010). In vivo oxygen-17 (17O) MRI at 7 Tesla. In: Proceedings of the 18th scientific meeting, International Society for Magnetic Resonance in Medicine, Stockholm, p724.
[4] Hoffmann SH, Radbruch A, Bock M, Semmler W, Nagel AM. Direct 17O MRI with partial volume correction: first experiences in a glioblastoma patient. Magn Reson Mater Phy. 2014. doi: 10.1007/s10334-014-0441-8.

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