CEST MRI zur Untersuchung von Metabolismus und Funktion im Gehirn: Einblicke durch Opto-fMRI und MR Spektroskopie
Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Untersuchung von Stoffwechselvorgängen bildet die Grundlage für das Verständnis von physiologischen Abläufen, zum Beispiel im Gehirn oder bei der Entstehung verschiedener Erkrankungen. Mit der sogenannten Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) Magnetresonanz-Tomographie (MRT) und der Magnetresonanz-Spektroskopie (MRS) stehen mächtige Instrumente zur molekülspezifischen nicht-invasiven Beobachtung des Stoffwechsels zur Verfügung. Die CEST-MRT bietet gegenüber der MRS den Vorteil von ortsaufgelöster Information und höherer Sensitivität. Allerdings sind die Beiträge einzelner Metaboliten mitunter schwierig zu trennen, was eine Limitation der Anwendbarkeit der CEST-MRT darstellt. In diesem Projekt haben wir einen multimodalen Ansatz verfolgt, um die Beiträge einzelner Metaboliten zum gemessenen CEST-Signal zu entschlüsseln. Dabei haben wir uns auf die für den Gehirnstoffwechsel wichtigen Metaboliten Glukose, Glutamat und Laktat konzentriert. Zunächst haben wir verschiedene Signalpräparationsverfahren getestet, die CEST mit der sogenannten CESL-Methode verglichen und eine Line-Scanning-CEST-Methode entwickelt, die eine sehr schnelle Datenaufnahme ermöglicht. Bei CESL trat das Phänomen der sogenannten Rabi-Oszillationen auf, wofür wir verschiedene Korrekturverfahren implementieren konnten. Mit Line-Scanning-CEST konnten wir die Mutarotationskinetik verschiedener Zucker in vitro untersuchen sowie verschiedene Metabolite in vivo detektieren. Um CEST für den Einsatz in der funktionellen Bildgebung des Gehirns zu kalibrieren haben wir optogenetische Verfahren eingesetzt. So ist es, nach Entwicklung mehrerer Korrekturverfahren für hämodynamische Artefakte, erstmalig gelungen Laktatwerte im Gehirn von Ratten mittels einer optischen Faser und eines genetisch exprimierten Sensors zu messen. Die Zusammenführung der verschiedenen Experimente zeigte, dass das physiologische CEST-Signal im Gehirn von Glukose dominiert wird und das sogenannte glucoCEST-Verfahren den vielversprechendsten Ansatz für eine alternative Metaboliten-basierte funktionelle Bildgebung darstellt. Darüber hinaus konnten wir zeigen, dass sich CEST sehr gut eignet, um zum einen den Glukosestoffwechsel im Herzen zu untersuchen und zum anderen Tumore zu charakterisieren sowie ein Ansprechen von Krebstherapien frühzeitig zu detektieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Functional MRI Readouts From BOLD and Diffusion Measurements Differentially Respond to Optogenetic Activation and Tissue Heating. Frontiers in Neuroscience, 13.
Albers, Franziska; Wachsmuth, Lydia; Schache, Daniel; Lambers, Henriette & Faber, Cornelius
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Probing activation‐induced neurochemical changes using optogenetics combined with functional magnetic resonance spectroscopy: a feasibility study in the rat primary somatosensory cortex. Journal of Neurochemistry, 150(4), 402-419.
Just, Nathalie & Faber, Cornelius
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A comparison of different CEST quantification techniques in vitro and in vivo. EMIM 2020
Schache D.; Bardin S.; Lambers H.; Flament J.; Boumezbeur F.; Faber C.; Ciobanu L. & Hoerr V.
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A cortical rat hemodynamic response function for improved detection of BOLD activation under common experimental conditions. NeuroImage, 208, 116446.
Lambers, Henriette; Segeroth, Martin; Albers, Franziska; Wachsmuth, Lydia; van Alst, Timo Mauritz & Faber, Cornelius
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nteraction between fitting and analytical approaches to improve quantitative CEST analysis. ESMRMB
Schache D.; Lambers H.; Bardin S.; Boumezbeur F.; Ciobanu L.; Faber C. & Hoerr V.
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Glucose mutarotation kinetics determined by ultrafast CEST Line Scanning. ESMRMB 2021
Schache D.; Bardin S.; Ciobanu L.; Faber C. & Hoerr V.
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A comparison between neuronal network based multi-pool Lorentzian fitting and conventional glucoCEST quantification. SAMS 2022
Schache D.; Nienkötter A.; Hoffmann E.; Gerwing M.; Jiang X. & Hoerr V.
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Fiber-based lactate recordings with fluorescence resonance energy transfer sensors by applying an magnetic resonance-informed correction of hemodynamic artifacts. Neurophotonics, 9(03).
Lambers, Henriette; Wachsmuth, Lydia; Thomas, Dominik; Boumezbeur, Fawzi; Hoesker, Vanessa; Pradier, Bruno & Faber, Cornelius
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Ultrafast CEST line scanning as a method to quantify mutarotation kinetics. Journal of Magnetic Resonance, 342, 107270.
Schache, Daniel; Bardin, Solène; Ciobanu, Luisa; Faber, Cornelius & Hoerr, Verena
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A novel method for multipool Lorentzian line-shape fitting of CEST MRI Z-spectra to improve accuracy in quantification of lactate and glucose contributions. ESMRMB 2023
Lippe C.; Schache D. & Hoerr V.
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Cardiac CEST MRI under the influence of short saturation pulses – an analysis approach. ISMRM 2023
Schache D.; Peddi A.; Nahardani A.; Faber C. & Hoerr V.
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In vivo CEST MRI to assess and identify myocardial infarction by using natural D-glucose as a contrast agent. ISMRM 2023
Peddi A.; Schache D.; Nahardani A.; Kuhlmann M.; Wildgruber M.; Faber C. & Hoerr V.
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Multiparametric chemical exchange saturation transfer MRI detects metabolic changes in breast cancer following immunotherapy. Journal of Translational Medicine, 21(1).
Hoffmann, Emily; Schache, Daniel; Höltke, Carsten; Soltwisch, Jens; Niland, Stephan; Krähling, Tobias; Bergander, Klaus; Grewer, Martin; Geyer, Christiane; Groeneweg, Linda; Eble, Johannes A.; Vogl, Thomas; Roth, Johannes; Heindel, Walter; Maus, Bastian; Helfen, Anne; Faber, Cornelius; Wildgruber, Moritz; Gerwing, Mirjam & Hoerr, Verena
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The impact of vasomotion on analysis of rodent fMRI data. Frontiers in Neuroscience, 17.
Lambers, Henriette; Wachsmuth, Lydia; Lippe, Chris & Faber, Cornelius
