Application of the 9.4T MRI system with a cryo-coil to study demyelination in the animal model of multiple sclerosis

Abstract

Praca doktorska opisuje zastosowanie różnorodnych technik badawczych na systemie do obrazowania magnetyczno-rezonansowego (MR) w polu 9,4T w celu badań procesów demielinizacji w modelu mysim stwardnienia rozsianego (łac. sclerosis multiplex, SM). Wiele istniejących chorób neurologicznych jest obecnie diagnozowanych w późnych stadiach rozwoju. Spowodowane jest to brakiem metod umożliwiających diagnozę na wczesnym, pre-symptomatycznym etapie co pozwoliłoby na efektywne leczenie. Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe (ang. MRI) dostarcza wysokiej jakości obrazów z bardzo dobrym kontrastem tkanek miękkich dzięki różnicy w czasach relaksacji pomiędzy tkankami co związane jest z ich różnym składem chemicznym. Ponieważ SM powoduje zmiany w ilości i strukturze mieliny (główny składnik istoty białej), obrazowanie magnetyczno-rezonansowe potencjalnie mogłoby wykryć te zmiany bazując na pomiarach zmian czasów relaksacji a w konsekwencji umożliwić wczesną diagnozę tej groźnej i do tej pory nieuleczalnej choroby. Do skutecznego obrazowania mieliny, a stąd diagnozy SM, potrzebny jest jednak odpowiedni kontrast pomiędzy białą a szarą istotą. Niestety czasy relaksacji istoty białej i szarej, w szczególności czas T2, są bardzo krótkie i porównywalne ze sobą co powoduje trudności natury technicznej w ich obrazowaniu i zróżnicowaniu na uzyskanych obrazach MR. Dlatego, aby otrzymać najwyższy możliwy kontrast, wymagany jest bardzo dobry stosunek sygnału do szumu (ang. SNR) oraz właściwa i zoptymalizowana sekwencja impulsowa. W pracy zastosowany został system do obrazowania oparty o magnes nadprzewodzący o natężeniu pola magnetycznego 9,4T wyposażony w cewkę kriogeniczną. Tak wysokie pole oraz chłodzona cewka pozwoliły na otrzymanie maksymalnego sygnału i stąd maksymalnej rozdzielczości obrazu. W celu pomiarów krótkich czasów relaksacji T2 mieliny badane były sekwencje obrazujące oparte o echo spinowe (SE) oraz dwu- i trójwymiarowe sekwencje tzw. ultra short echo time (UTE). W dalszej kolejności zastosowana została sekwencja inversion recovery ultra short echo time (IR-UTE), która dodatkowo wprowadziła ważenie czasem T1. Wyniki badań pokazały, że technika obrazowania IR-UTE pozwala na pomiary czasów relaksacji T1 i T2 mieliny w modelu zwierzęcym ale nie umożliwia obrazowania wielowarstwowego in vivo ze względu na długi czas pomiaru. Dlatego została także przetestowana sekwencja o nazwie “segmented magnetization prepared rapid gradient echo (MP-RAGE)”, która pozwoliła na otrzymanie wysokiej jakości obrazów 3D istoty szarej i białej w akceptowalnym dla badań czasie akwizycji. Co więcej, testowane były różnego typu impulsy selektywne radiowej częstości (rf), np. Version S, Mao oraz Levitt-Freeman, które pozwalają na odpowiednie ogniskowanie magnetyzacji w niejednorodnym polu B0 generowanym przez magnes i podatność magnetyczną próbki oraz w niejednorodnym polu B1 produkowanym przez cewkę powierzchniową użytą w badaniach. Impulsy te pozwalają na zmniejszenie artefaktów związanych z echami stymulowanymi. Badania in vivo poprzedzone były badaniami fantomów w celu znalezienia optymalnych parametrów sekwencji, kształtu impulsu rf oraz odpowiedniego ułożenia cewki powierzchniowej. Wyniki badań in vivo zostały potwierdzone badaniami ex vivo MRI o wysokiej zdolności rozdzielczej oraz badaniami histopatologicznymi. Do badań zmian zawartości mieliny zastosowany został kupryzonowy model MS, w którym zmiany w istocie białej odzwierciedlają zmiany występujące u człowieka. W wyniku prac otrzymane zostały trójwymiarowe obrazy mózgu przy użyciu zoptymalizowanych sekwencji IR-UTE oraz MP-RAGE, które umożliwiły detekcję mieliny i jej zaniku. Następnie zostały obliczone średnie wartości sygnału w wybranych obszarach mózgu reprezentujących szarą i białą materię oraz płyn mózgowo-rdzeniowy. W celu kwantyfikacji wyników wykonano histogramy różnych warstw mózgu u myszy zdrowych i poddanych diecie kupryzonowej. Histogramy pokazały, że zawartość mieliny w ciele modzelowatym i korze mózgowej jest statystycznie różna u zwierząt chorych w porównaniu z grupą kontrolną. Wyniki badań pokazały, że zastosowane metody obrazowania (IR-UTE oraz MP-RAGE) z użyciem krio-cewki w polu 9,4T uwidaczniają kontrast pomiędzy białą i szarą materią, przewyższając obecne metody oceny demielinizacji w mózgu mysim in vivo. Cele pracy były następujące: 1) ocena wartości badawczej obrazowania magnetyczno- rezonansowego w wysokim polu magnetycznym mikrostruktur mózgu zawierających rożne ilości mieliny w modelu mysim MS; 2) zbadanie czy obrazowanie rezonansowe w wysokim polu magnetycznym przy użyciu krio-cewki oraz odpowiednich sekwencji impulsowych może pokazać uszkodzenia mieliny występujące w kupryzonowym modelu zwierzęcym MS. Cele te zostały osiągnięte i wyniki pokazały, że zoptymalizowany system pracujący w polu 9.4T, może istotnie być użyty do oceny ubytków w zawartości mieliny w mózgu myszy w modelu zwierzęcym MS. Wyniki pokazują potencjał zastosowania zaproponowanych metod obrazowania MR w przyszłych badaniach klinicznych stwardnienia rozsianego. Wszystkie badania na zwierzętach zostały przeprowadzone za zgodą Komisji Etyki.

The thesis contains description of the application of the 9.4T MRI system using various pulse sequences and a radiofrequency (rf) cryo-coil to study demyelination in the animal model of multiple sclerosis (MS). Many neurodegenerative diseases, among them MS, are currently diagnosed in late stage due to the lack of proper technique that could enable pre-symptomatic diagnosis, hence efficient treatment. MRI provides superior contrast that depends not only on tissue density and water content but on tissue relaxation times, hence their chemical composition. Because MS is associated with changes in myelin (the major part of white matter) structure and its content, MRI could potentially detect these alterations based on relaxation measurements providing early MS diagnosis. However, for efficient imaging of myelin, and thus potential detection of MS, high contrast between white matter (WM) and gray matter (GM) is needed. Unfortunately, their relaxation times (in particular T2) are short and comparable to each other, causing difficulties in their differentiation. Furthermore, very short T2 of myelin makes its direct visualisation difficult. Therefore, to obtain maximum contrast, high signal-to-noise ratio (SNR), a proper and optimal pulse sequence must be selected. We applied the 9.4T MRI system equipped with a cryo-coil for maximum sensitivity hence image resolution. To detect short T2 values of myelin we investigated application of spin echo (SE) based and ultra short echo time (UTE) pulse sequences. To further enhance capability of the method to detect myelin we applied the inversion recovery UTE (IR-UTE) pulse sequence with non-selective inversion rf pulse to provide additional T1 weighting. The studies showed, the IR-UTE pulse sequence is indeed suitable for T1 and T2 myelin measurements in the animal model, but it requires long acquisition time for multi-slice MRI. Therefore, we applied the segmented magnetization prepared rapid gradient echo (MP-RAGE) pulse sequence that provided high quality 3D images of white and gray matter. Furthermore, we also investigated refocusing efficacy of various types of selective rf pulses, such as Version S, Mao and Levitt-Freeman. These pulses allow improved spin refocusing in inhomogeneous B1 produced by the surface RF coil and inhomogeneous B0 generated by the magnet and susceptibility of samples, hence avoiding artifacts caused by stimulated echoes. In vivo experiments were preceded with phantom studies to find the optimal parameters of the pulse sequences, shape of the rf pulse and rf coil configuration. The in vivo results were confirmed with high resolution ex vivo MRI and with histopathology. A cuprizone mouse model of MS was used to mimic myelin lesions (demyelinisation) occurring in MS patients. The 3D MR images of the brain were obtained using the IR-UTE and MP-RAGE pulse sequences with optimized parameters for myelin detection and changes of its content. The average signal intensities of different brain regions representing white matter (WM), gray matter (GM) and cerebrospinal fluid (CSF) were calculated. To quantify the results, histograms of different slices in control and cuprizone treated animals were calculated. The histograms showed differences in the control and cuprizone treated animals, in particular, they showed that loss of myelin in the corpus callosum (cc) and cerebral cortex was statistically significant between healthy and cuprizone-treated animals. We concluded that the application of the IR-UTE and MP-RAGE methods provided excellent WM/GM contrast improving the current assessment of demyelination in a mouse brain in vivo. The aim of the thesis was to: 1) assess the capability of high field MRI to image brain microstructures containing various amount of myelin in the mouse brain; 2) investigate if high field MRI can be optimized to assess myelin lesions occurring in the cuprizone mouse model of MS. These aims were accomplished and the thesis results show that the 9.4T MRI system, when the cryo-coil is used and the pulse sequences are optimized, can be indeed used to asses myelin losses in the animal model of MS, showing potential for future clinical applications of the proposed method for MS diagnosis. All animal experiments were approved by the local Ethical Committee.