Verwendung von Advanced Multi-Echo NODDI zur Verbesserung des Verständnisses der mikrostrukturellen Dynamik bei Schlaganfällen

Ezequiel Farrher, Kuan-Hung Cho, Chia-Wen Chiang, Ming-Jye Chen, Sheng-Min Huang, Li-Wei Kuo, Chang-Hoon Choi, N. Jon Shah

24. Juli 2025

Diese Forschungsarbeit untersucht, inwiefern eine präzise mathematische Modellierung des diffusions- und transversalrelaxationsgewichteten MRT-Signals unser Verständnis der Kaskade biophysikalischer Mechanismen verbessern kann, die nach dem Auftreten eines ischämischen Schlaganfalls im Hirngewebe ausgelöst werden.

Ein ischämischer Schlaganfall löst eine Kaskade biologischer Veränderungen im Hirngewebe aus, darunter Zellschwellungen, Axonbeading und mikrostrukturelle Desintegration. Eines der wichtigsten nicht-invasiven Instrumente zur Untersuchung dieser Prozesse in vivo ist die Diffusions-MRT, die durch die Messung der Wasserdiffusionseigenschaften Zugang zu den strukturellen Eigenschaften des Gewebes auf mesoskopischer Längenskala, d. h. weit unterhalb der Bildauflösung, ermöglicht. In den letzten zehn Jahren wurde das NODDI-Modell (Neurite Orientation Dispersion and Density Imaging) intensiv genutzt, um kompartiment-spezifische Informationen über die Dichte und Ausrichtung von Neuriten (d. h. Axonen und Dendriten) zu gewinnen. Das herkömmliche NODDI-Modell ist jedoch durch seine Empfindlichkeit gegenüber der Echozeit (TE) eingeschränkt: Die Signalanteile der Kompartimente werden durch Unterschiede in der transversalen Relaxation (T2) zwischen den Gewebekompartimenten beeinflusst, was zu einer Verzerrung der Schätzung der mikrostrukturellen Parameter führen kann. Das Multi-Echo-NODDI-Modell (MTE-NODDI) wurde entwickelt, um diese Einschränkung zu beheben, indem mehrere Echozeiten einbezogen werden, wodurch T2-Effekte von diffusionsgesteuerten Signalkomponenten getrennt werden können. Dennoch behält MTE-NODDI eine vereinfachende Annahme einer festen, gehirnweiten intrinsischen Diffusionsfähigkeit (d) bei, was in pathologischem Gewebe wie ischämischen Läsionen unrealistisch ist.

In dieser Studie bewerteten die Autoren die Anwendbarkeit eines verbesserten Schätzansatzes von MTE-NODDI in einem Rattenmodell mit Verschluss der mittleren Hirnarterie (MCAo). In dieser neuartigen Version wurde eine modifizierte Parameter-Schätzungsstrategie, bei der die intrinsische Diffusionsfähigkeit freigegeben wird, mittels Computersimulationen und experimentellen MRT-Daten untersucht, während Maßnahmen zur Minderung der Parameter-Degeneration und -Instabilität ergriffen wurden.

Dieser Ansatz ermöglicht eine genauere Quantifizierung der Diffusions- und T2-Eigenschaften, nicht nur innerhalb des ischämischen Gewebes, sondern auch in gesundem Hirngewebe. Mit Hilfe dieser Technik wurde in der Studie die räumlich-zeitliche Entwicklung der Gewebeeigenschaften nach einem Schlaganfall beobachtet. Die Ergebnisse deuten auf eine signifikante Verringerung der intrinsischen Diffusionsfähigkeit im ischämischen Kern hin, die sich auf andere MTE-NODDI-Parameter auswirkte. Bemerkenswert ist, dass der Anteil des Signals, das von freier Flüssigkeit stammt, im betroffenen Gewebe erheblich zunahm, was von früheren Ergebnissen mit konventioneller MRT abweicht. Die Messungen der Wasserprotonenrelaxation (T2-Werte) innerhalb und außerhalb der Neuriten zeigten ebenfalls deutliche Anstiege, was Veränderungen des Wassergehalts, der Mikrostruktur und der chemischen Zusammensetzung des Gewebes widerspiegelt.

Allgemeiner betrachtet zeigten die Ergebnisse eine heterogene Dynamik zwischen dem ischämischen Kern und dem umgebenden peri-infarktalen Gewebe, was unterschiedliche Muster des pathologischen Fortschreitens in verschiedenen Regionen unterstreicht. Parameter wie der Anteil an freiem Wasser, die Wasserbeweglichkeit und kompartiment-spezifische Relaxationszeiten folgten unterschiedlichen zeitlichen Verläufen, was die Komplexität der Gewebeumgestaltung nach einer Ischämie verdeutlicht. Diese fortschrittlichen quantitativen Messungen ermöglichen ein detaillierteres und mechanistischeres Verständnis der biophysikalischen Prozesse, die einem Schlaganfall zugrunde liegen.

Insgesamt stellt diese Arbeit einen wesentlichen Fortschritt in der quantitativen MRT von Schlaganfällen dar und bietet einen Rahmen für die genaue, kompartiment-spezifische Charakterisierung der Gewebemikrostruktur in vivo. Die Methodik liefert wichtige Erkenntnisse, die sowohl in die präklinische Forschung als auch in die Interpretation klinischer Bildgebung einfließen können und letztlich die Entwicklung verbesserter Diagnose- und Therapiestrategien unterstützen.

   Origionalpublikation: On the use of multi-echo NODDI MRI with released intrinsic diffusivity for the assessment of tissue diffusion and relaxation properties in experimental ischaemic stroke