Spectroscopic analysis of metabolic profile in patients with relapsed multiple sclerosis

Galina G. Shkilnyuk; Шкильнюк Галина Геннадьевна; Andrey A. Bogdan; Богдан Андрей Александрович; Elena V.  Kryukova; Крюкова Елена Владимировна; Andrey M.  Petrov; Петров Андрей Михайлович; Tatyana N.  Trofimova; Трофимова Татьяна Николаевна; Igor D. Stolyarov; Столяров Игорь Дмитриевич

doi:10.54101/ACEN.2022.4.2

Спектроскопический анализ особенностей метаболического профиля у пациентов при обострении рассеянного склероза

Авторы: Шкильнюк Г.Г.¹, Богдан А.А.¹, Крюкова Е.В.¹, Петров А.М.¹, Трофимова Т.Н.¹, Столяров И.Д.¹
Учреждения:
1. ФГБУН «Институт мозга человека имени Н.П. Бехтеревой» Российской академии наук
Выпуск: Том 16, № 4 (2022)
Страницы: 12-17
Раздел: Оригинальные статьи
Дата подачи: 25.04.2022
Дата принятия к публикации: 01.06.2022
Дата публикации: 23.12.2022
URL: https://annaly-nevrologii.com/journal/pathID/article/view/841
DOI: https://doi.org/10.54101/ACEN.2022.4.2
ID: 841

Цитировать

Полный текст

Аннотация
Полный текст
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Введение. Для пациентов с ремиттирующим типом течения рассеянного склероза (РРС) характерно возникновение обострений, представляющих собой эпизоды неврологического дефицита и требующих уточнения тактики лечения.

Целью данного спектроскопического исследования было выявление обратимых метаболических изменений в веществе головного мозга у пациентов при клиническом обострении РРС и последующее динамическое наблюдение за ними после курса терапии внутривенными глюкокортикостероидами (ВГКС).

Материалы и методы. Пациентам c РРС проведено комплексное неврологическое и нейровизуализационное обследование, включающее оценку по расширенной шкале инвалидизации (EDSS), стандартную магнитно-резонансную томографию (МРТ) головного мозга, протонную магнитно-резонансную спектроскопию (¹H-МРС) до и после терапии ВГКС. Для получения метаболических показателей области семиовальных центров и поясных извилин применяли мультивоксельную ¹H-MРС.

Результаты. Показатели относительной концентрации метаболитов, полученные при помощи мультивоксельной ¹H-MРС в сером и белом веществе головного мозга, статистически различались внутри исследуемой когорты пациентов до и после терапии ВГКС. У 27% пациентов наблюдалось значительное восстановление соотношения N-ацетиласпартат/холин и снижение соотношения холин/креатин в передних половинах поясных извилин. В подгруппе пациентов с описанным метаболическим ответом на терапию отмечено значительное улучшение неврологических показателей по функциональной шкале стволовых функций по сравнению с группой, не показавшей метаболического ответа.

Выводы. Изучение потенциальных предикторов активности РРС и ответа на терапию ВГКС необходимо для выделения подгруппы обострений РРС, безусловно требующих пульс-терапии глюкокортикостероидными гормонами. Специфическая для РРС неоднородность патогенеза заболевания может проявляться в спектроскопическом профиле пациентов и выявляться раньше, чем на стандартной МРТ.

Ключевые слова

рассеянный склероз, обострение, мультивоксельная 1H-МР-спектроскопия, терапия глюкокортикостероидными гормонами, предикторы

Полный текст

Введение

Рассеянный склероз (РС) — хроническое иммуноопосредованное воспалительно-дегенеративное заболевание центральной нервной системы. Ключевой характеристикой большинства пациентов с ремиттирующим типом течения РС (РРС) является возникновение обострений, представляющих собой эпизоды неврологического дефицита, за которыми следуют периоды ремиссии [1].

Обострение РС должно быть тщательно подтверждено, другие причины неврологического дефицита, в том числе псевдообострения, исключены [2]. В настоящее время стандартом лечения обострений РС, ассоциированных с выраженным неврологическим ухудшением, является внутривенное введение глюкокортикостероидных гормонов (ВГКС) в высоких дозах [3].

Активность течения РС тесно связана с образованием новых очагов поражения в центральной нервной системе, которые включают сложную последовательность воспалительных, дегенеративных и репаративных процессов. Несмотря на то что магнитно-резонансная томография (МРТ) может дать «количественную» оценку активности заболевания и используется для мониторинга эффективности терапии, рентгенологическая картина не всегда коррелирует с клиническими проявлениями обострений. Кроме того, МРТ-оценка лимитирована в случае тонких, связанных с заболеванием изменений в структурно неизменённом белом и сером веществе головного мозга (ГМ). Протонная магнитно-резонансная спектроскопия (¹H-МРС) обладает уникальным потенциалом для характеристики изменений концентраций тканевых метаболитов при поражении ГМ, в некоторых случаях — даже в отсутствие области поражения на стандартных структурных МРТ-изображениях [4, 5]. Этот потенциал можно использовать для улучшения диагностики, более детального изучения патогенеза заболевания и мониторинга метаболического ответа на терапию.

Метаболитами, наиболее значимыми для спектроскопического исследования, являются N-ацетиласпартат (NAA), холин (Cho) и креатин (Cr) [6]. При РС метод ¹H-МРС оказывается особенно информативным, поскольку позволяет на основе резонансной интенсивности NAA объективно оценить процессы нейродегенерации как в поражённых, так и в непоражённых тканях ГМ, начиная с самых ранних стадий течения заболевания. Спектроскопическое измерение холинсодержащих соединений позволяет получить информацию о повреждении и восстановлении мембран клеток ГМ [6, 7].

В нашем исследовании использован мультивоксельный подход, позволивший улучшить пространственное разрешение в сравнении с одновоксельной МРС. Анализ проводился в двух анатомических срезах ГМ (перивентрикулярный срез: перивентрикулярное белое вещество, в основном область семиовального центра; наджелудочковый срез: поясные извилины). Указанная область спектроскопического анализа выбрана на основе предварительных результатов исследования и ранее опубликованных данных [8]. Проведена спектроскопическая оценка концентраций NAA (маркер целостности нейронов и их отростков, входит в состав миелина), Cr (отражает метаболизм аденозинтрифосфата), Cho и холинсодержащих соединений (маркеры метаболизма клеточных мембран).

Целью настоящего спектроскопического исследования было выявление особенностей метаболических изменений в ГМ у пациентов с клиническим обострением РС и проведение последующего анализа выявленных изменений после лечения высокими дозами ВГКС.

Материалы и методы

Одиннадцать пациентов с клинически определённым РРС набраны проспективно для сканирования и полного обследования с помощью МРТ и ¹H-MРС до и после ВГКС (10-дневный период между исследованиями). Все пациенты дали информированное письменное согласие; план исследования был одобрен Этическим комитетом Института мозга человека РАН. Пациенты в течение минимум 12 мес до настоящего обострения находились на стабильной патогенетической терапии РС первой линии без обострений (как клинических, так и радиологических). Обострение РС клинически оценивали как усиление неврологического дефицита: не менее чем на 2 балла на основе одной из функциональных систем или не менее чем на 1 балл на основе 2 функциональных систем и/или не менее чем на 1 балл общей инвалидизации по шкале EDSS, когда исходное значение EDSS было менее 4,0 или не менее 0,5 при начальном EDSS 4,0 и выше. В исследование включены пациенты с активными очагами и исключительно с контраст-негативными очагами по данным МРТ-исследования.

Оценка по EDSS, наличие патологии функциональных систем (зрительная, пирамидная, чувствительная, мозжечковая, стволовая, тазовые органы и когнитивная), а также индекс передвижения были оценены в пределах 1–2 дней до проведения МРТ и ¹H-МРС.

МРТ и ¹H-МРС выполнялись на аппарате «Philips Achieva 3T» («Philips»).

Структурное МРТ-обследование включало Т1- и Т2-взвешенные последовательности, T2-FLAIR в аксиальной и сагиттальной проекциях, диффузионно-взвешенные изображения и SWI импульсную последовательность. Для исключения активного процесса демиелинизации и визуализации очаговых изменений, накапливающих контрастное вещество, пациентам внутривенно болюсно вводили магневист («Bayer Pharma AG») и выполняли постконтрастное исследование.

¹H-МРС проводили с использованием 8-канальной приёмо- передающей матричной радиочастотной головной катушки. ¹H-МРС суправентрикулярных отделов белого вещества и медиальной коры лобных и теменных долей выполняли с использованием метода объёма-селекции Spin Echo (TE = 27 мс, TR = 2000 мс, 2 среза по 10 × 10 × 15 мм). Область интереса (FOV 220 × 190 × 30 мм) была не менее 100 × 80 мм), включая белое и серое вещество полушарий ГМ. Восемь полос REST (REgional Saturation Technique) применяли для подавления сигнала от жира костей черепа, протокол включал автоматические процедуры шиммирования «Pencil Beam» («PB-auto») и подавления сигнала доминирующего пика воды «excitation» (window = 140 Гц; second pulse angle = 300). Для анализа данных использовали программное обеспечение «Extended MR Workspace». Для оценки были выбраны воксели с FWHM < 0,1 для пиков воды и целевых метаболитов.

Мультивоксельная ¹H-МРС включала 2 среза: перивентрикулярное белое вещество семиовального центра, лобной и теменной медиальной коры и суправентрикулярную медиальную кору лобных долей.

Для обработки данных спектроскопии применяли стандартный пакет программ «SpectroView». Из анализа были исключены воксели области боковых желудочков, содержащие ликвор. Результаты представлены в виде соотношений метаболитов следующим образом: NAA к Cr, NAA к Cho, Cho к Cr.

Для представления исходных характеристик пациентов использовалась описательная статистика. Статистический анализ проведён с использованием программы «SPSS 26.0» («SPSS Inc.»). Результаты обрабатывали с использованием непараметрических тестов и точного критерия Фишера. Для зависимых переменных использовали знаковый ранговый критерий Вилкоксона. Статистически значимыми считали различия при р < 0,05.

Результаты

Для купирования обострения пациенты получали лечение высокими дозами ВГКС (метилпреднизолон, 1000 мг внутривенно в течение 5 дней). Среднее время от начала обострения до начала лечения составило 3 дня (диапазон 1–11 дней).

В ходе исследования проведён анализ относительных концентраций метаболитов (NAA/Cho и Cho/Cr) в сером веществе (область поясных извилин) и перивентрикулярном белом веществе ГМ до и после терапии ВГКС. После курса лечения статистически значимое увеличение значений NAA/Cho и снижение Cho/Cr выявлено у 3 (27%) пациентов (рис. 1–4, таблица) в области поясных извилин. Интересно, что после лечения отношение Cho/Cr в перивентрикулярном срезе статистически значимо снизилось только у 1 пациента с метаболическим ответом на уровне поясных извилин.

Рис. 1. Динамика спектроскопической оценки NAA/Cho до и после терапии ВГКС (медиана) в поясных извилинах в подгруппе пациентов, показавших метаболический ответ.

Fig. 1. NAA/Cho spectroscopic assessment before and after the IVGC treatment (median) in the cingulate gyri in the metabolic response group.

Рис. 2. Динамика спектроскопической оценки Cho/Cr до и после терапии ВГКС (медиана) в поясных извилинах в подгруппе пациентов, показавших метаболический ответ.

Fig. 2. Cho/Cr spectroscopic assessment before and after the IVGC treatment (median) in the cingulate gyri in the metabolic response group.

Рис. 3. Метаболический профиль серого вещества поясных извилин пациентов с РРС.

Fig. 3. The metabolic profile of the cingulate gyri grey matter in the RMS patients.

Рис. 4. Пациент С.

A — до терапии ВГКС: T2WI, множественные очаги демиелинизирующей природы с выраженным перифокальным отёком в белом веществе лобных и теменных долей; B — после терапии ВГКС: выраженный регресс нескольких ранее обнаруженных патологических очагов.

Fig. 4. Patient S.

A — before the IVGC treatment: T2WI, multiple peripherally edematic demyelination foci in the frontal and parietal white matter; B — after the IVGC treatment: significant regression in several previously detected lesions.

Динамика спектроскопической оценки NAA/Cho и Cho/Cr до и после терапии ВГКС в поясных извилинах

NAA/Cho and Cho/Cr spectroscopic assessment before and after the IVGC treatment in the cingulate gyri

Пациент Patient	Динамика концентрации метаболитов Metabolite concentration changes over time	Медиана (Q₁; Q₃) Median (Q₁; Q₃)	р
Г.В. \| GV	NAA/Cho2–NAA/Cho1	0,1448 (–0,0525; 0,2099)	0,010
	Cho/Cr2–Cho/Cr1	–0,0600 (–0,1000; –0,0150)	0,005
A.И. \| AI	NAA/Cho2–NAA/Cho1	0,1678 (0,0195; 0,2327)	0,005
	Cho/Cr2–Cho/Cr1	–0,0349 (–0,0566; –0,0259)	0,005
П.A. \| PA	NAA/Cho2–NAA/Cho1	0,2378 (0,0041; 0,4394)	0,028
	Cho/Cr2–Cho/Cr1	–0,1366 (–0,2008; –0,0396)	0,008

На основании данных МРС мы разделили исследуемых пациентов на две подгруппы с положительным и отрицательным метаболическим ответом на терапию ВГКС. Между этими подгруппами не наблюдалось различий по возрасту, полу, продолжительности заболевания от времени постановки диагноза, наличию активных очагов на МРТ. Клиническая картина (оценивалась с помощью шкалы EDSS) улучшалась после курса ВГКС: медиана 3,5 (2,0–5,5) до терапии и 2,5 (1,5–4,5) после терапии. Однако корреляция между данными EDSS и уровнями исследуемых метаболитов до и после терапии была относительно слабой.

В исследуемых подгруппах пациентов уровни холина (Naa/Cho, Cho/Cr) до терапии были статистически достоверно разными (р < 0,05). В подгруппе пациентов с положительным метаболическим ответом наблюдалось статистически значимое улучшение неврологических показателей по функциональной шкале стволовых функций (FS brainstem) по сравнению с подгруппой с отсутствием метаболического ответа.

Следует отметить, что у 1 пациента из группы с метаболическим ответом на ВГКС на T2-МРТ-изображениях при МРС наблюдалось значительное уменьшение объёма нескольких обнаруженных до терапии очагов и умеренное восстановление (снижение) интенсивности пика холина (рис. 4). Большинство описанных случаев метаболических ответов представлены у пациентов с РРС с клинически подтверждённым обострением, но отсутствием контраст-позитивных T1-очагов на МРТ.

Обсуждение

Клиническая и нейровизуализационная картины обострений при РС не всегда коррелируют между собой, тем не менее МРТ отводится важная роль в диагностике РС [9]. Данные МРС могут дополнять МРТ-диагностику путём одновременного определения нескольких биохимических маркеров патологических изменений в период обострения РС в пределах и за пределами T2-видимых очагов [10].

Учитывая, что метаболические нарушения у пациентов с РС не ограничиваются участками поражения, а имеют диффузный характер [11, 12], нами был выполнен мультивоксельный МРС-анализ с оценкой показателей в сером и белом веществе ГМ. Более того, исследуемая группа была представлена пациентами с клинически подтверждённым обострением РРС, но включение в группу не ограничивалось наличием у пациентов контраст-позитивных T1-МРТ-очагов.

Важно отметить, что реализованный метод объём-селекции Spin Echo позволил за сравнительно короткое время (11 мин) просканировать основную часть лобных и теменных долей (2 спектроскопических среза ГМ по 1,5 см каждый) с коротким временем TE = 27 мс.

В нашем исследовании показано диффузное изменение относительных концентраций метаболитов, оценённых с помощью мультивоксельной МРС в сером (NAA/Cho и Cho/Cr) и белом (Cho/Cr) веществе ГМ, данные показатели статистически различались внутри исследуемой группы пациентов. Примерно у трети пациентов после терапии ВГКС наблюдалось значительное восстановление соотношения NAA/Cho и снижение Cho/Cr в области поясных извилин, а у одного из них — снижение соотношения Cho/Cr в белом веществе перивентрикулярного среза.

При сравнении соотношения NAA/Cr до и после лечения ВГКС статистически значимых различий не обнаружено, т.к., по-видимому, изменения вызваны, главным образом, снижением уровня холина. Это согласуется с ранее опубликованными данными, указывающими на то, что соотношение NAA/Cr в очагах РС снижается в острый период обострения и восстанавливается в течение нескольких недель и даже месяцев [13].

В предыдущих исследованиях сообщалось о возрастании соотношения Cho/Cr в активных (гадолиний-позитивных) очагах при РС [14, 15]. Относительная концентрация холина может служить характеристикой уровня мембранных фосфолипидов, выделяющихся при активном процессе демиелинизации и ремиелинизации, и отражать плотность задействованных в воспалении клеток и клеток глии, участвующих в процессах репарации [16, 17].

В нашем исследовании выявлены пациенты, у которых в ответ на терапию ВГКС отношение Cho/Cr как в наджелудочковом, так и в перивентрикулярном срезах значительно снижалось. Учитывая диффузный характер метаболических изменений в ГМ пациентов с РРС, в анализ данных МРС были включены гадолиний-позитивные и гадолиний-негативные очаги, а также структурно неизменённое белое и серое вещество ГМ (исходя из данных структурных МРТ-снимков). Кроме того, в каждой подгруппе (с описанным метаболическим ответом и с его отсутствием) были пациенты как с гадолиний-позитивными, так и с исключительно гадолиний-негативными очагами, а также с разными уровнями относительных концентраций метаболитов (NAA/Cho и Cho/Cr) в сером веществе ГМ до терапии ВГКС. Полагаем, что эти данные имеют значительный потенциал для будущих исследований на расширенной когорте пациентов уровня холина в течение нескольких месяцев после терапии ВГКС.

Согласно ранее опубликованным данным, холин считается биомаркером метаболизма клеточных мембран, повышение которого опережало возможности обнаружения очагов при стандартном МРТ-исследовании на Т2 и Т2-FLAIR импульсных последовательностях структурных изображений. Предполагается, что в неизменённом белом веществе ГМ может иметь место воспаление, не видимое на МРТ, предшествующее образованию очага. 1 H-МРС способна выявлять увеличение интенсивности пика холина на самых ранних фазах патологического процесса [18, 19]. Таким образом, оценка метаболического профиля вещества ГМ у пациентов с РС позволяет персонализировать терапию обострений РРС у пациентов и предотвратить повреждение тканей за счёт ослабления эффектов воспаления.

Современные предикторы, основанные на клинических данных [20] или данных МРТ [21], могут быть полезны для оценки инвалидизации, но имеют ограниченную специфичность при характеристике и количественной оценке патологических изменений при РРС [12, 22].

В настоящее время высокие дозы ВГКС являются терапией первой линии при обострениях РС, их своевременное назначение позволяет сократить продолжительность и выраженность обострения. Однако лечение обострений ВГКС не оказывает влияния на течение самого заболевания. Предполагается, что полученные результаты позволят избежать излишнего назначения ВГКС [23].

Предикторы активности заболевания и ответа на терапию обострений могут быть полезны для оценки степени необходимости терапии ВГКС, возможности избежать побочных эффектов. Ранее было предпринято несколько попыток найти связь между соотношением концентраций метаболитов и показателями инвалидизации при РС [24, 25]. В нашей работе корреляция между одновременной оценкой по шкале инвалидизации EDSS и уровнем исследуемых метаболитов была относительно слабой. При этом в подгруппе пациентов с метаболическим ответом наблюдалось значительное улучшение показателей по функциональной шкале стволовых функций по сравнению с референтной подгруппой.

В подгруппе пациентов с положительным метаболическим ответом на терапию ВГКС выявлено значительное увеличение соотношения концентраций NAA/Cho после лечения по сравнению с исходным измерением, что, по нашему мнению, может свидетельствовать о положительном ответе на лечение. Стандартное структурное МРТ-исследование не даёт чёткой корреляции с клинической оценкой инвалидизации при РС. По данным литературы, корреляция между объёмом поражения Т2 и изменением балла по шкале EDSS наиболее очевидна в первом пятилетнем периоде заболевания и отсутствует в четвертом и в дальнейшем. Вероятно, механизмы, приводящие к прогрессированию инвалидизации, могут изменяться со временем [26], и стандартных методов визуализации недостаточно для объяснения всего спектра патогенеза заболевания и причин формирования очагов поражения в центральной нервной системе [27]. Поскольку метаболические изменения могут предшествовать структурно-анатомическим, протонная МРС позволяет значительно улучшить понимание патогенеза РС и обеспечить мониторинг эффективности лечения.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешних источников финансирования при проведении исследования.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Об авторах