CEST MRI zur Untersuchung von Metabolismus und Funktion im Gehirn: Einblicke durch Opto-fMRI und MR Spektroskopie

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Cornelius Faber; Professorin Dr. Verena Hörr
• Fachliche Zuordnung: Medizinische Physik, Biomedizinische Technik ; Molekulare Biologie und Physiologie von Nerven- und Gliazellen
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406818964

Chemical Exchange Saturation Transfer (CEST) und Chemical Exchange Spin-Lock (CESL) MRT sind vielversprechende Methoden für die metabolische Bildgebung. Für die Detektion spezifischer Neurometabolite bietet CEST/CESL MRT, im Vergleich zur NMR Spektroskopie (MRS), eine erhöhte Sensitivität und verbesserte räumliche und zeitliche Auflösung. In den letzten Jahren sind CEST-Protokolle für eine Vielzahl an Metaboliten entwickelt worden. Anwendungen in den verschiedensten Disziplinen (z.B. Onkologie, muskuloskeletale Bildgebung, Neurowissenschaften) wurden publiziert. Wir haben jüngst CEST MRT verwendet, um Änderungen der Glukosekonzentration (glucoCEST) nach sensorischer Stimulation zu messen. Wir konnten zeigen, dass funktionelle CEST MRT (CEST-fMRT) eine vielversprechende Methode ist, um erhöhte glykolytische Aktivität während neuraler Aktivierung zu detektieren. Eine generelle Limitierung der CEST-fMRT ist es, dass Signaländerungen nicht eindeutig einem bestimmten Metaboliten zugeordnet werden können. Dies ist besonders in der funktionellen Bildgebung problematisch, da eine Vielzahl an Metaboliten an der neuralen Aktivierung beteiligt ist.Ziel dieses Projektes ist es, die Beiträge dreier wichtiger Neurometabolite Glukose, Laktat und Glutamat, zum funktionellen CEST/CESL-Signal zu entschlüsseln. Dazu sollen neue CEST/CESL-fMRI-Techniken entwickelt werden, um die Kopplung zwischen Energie-Metabolismus und synaptischer Transmission zu untersuchen.Wir werden unsere CEST/CESL-fMRT-Protokolle auf zwei Hochfeld-Kleintier-MRT-Scannern, in Frankreich und Deutschland implementieren, und damit Konzentrationsänderungen dieser Metaboliten im Rattenhirn messen. Um die Spezifität der CEST/CESL-fMRT zu überprüfen und die Beiträge einzelner Metabolite zu trennen, werden die französischen Partner lokalisierte 1H und indirekte 1H-{13C} MRS-Techniken einsetzen. Um zellspezifische Beiträge zum CEST/CESL-Signal zu entschlüsseln, werden die deutschen Partner optogenetische Methoden simultan zur MRT verwenden. Mittels viraler Transduktion werden Opsine und Fluoreszenz-Reporter-Proteine für Kalzium, Laktat oder Glutamat in Neuronen oder Astrozyten exprimiert. Zelltyp-spezifische Messungen des Fluoreszenzsignals auf sensorische oder zelltyp-spezifische (optogenetische) Stimulation wird es ermöglichen, die Beiträge individueller Komponenten zum funktionellen CEST/CESL-Signal zu entschlüsseln.Als Ergebnis dieses Projektes sollen validierte Akquisitions-Protokolle für die funktionelle Bildgebung zur Verfügung stehen und ein verbessertes Verständnis der Mechanismen des CEST-Signals erreicht werden. Damit kann die Methodik auf andere Organe übertragen und an zukünftigen Hochfeld-MRT-Systemen auch am Menschen eingesetzt werden. Aus neurophysiologischer Sicht wird dieses Projekt grundlegende Einblicke in die metabolische Kopplung der glial-neuronal-vaskulären Einheit liefern und somit zu einem besseren Verständnis der funktionellen Bildgebung beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Fawzi Boumezbeur, Ph.D.; Luisa Ciobanu, Ph.D.