Методы редактирования ¹H-магнитно-резонансной спектроскопии: лекция

ВВЕДЕНИЕ: Метод протонной магнитно-резонансной спектроскопии (МР-спектроскопия, МРС) позволяет определять концентрации метаболитов тканей в области интереса. Используемые в клинике импульсные последовательности МР-спектроскопии решают две главные проблемы: локализации вокселя и подавления сигнала воды. Полученные таким образом спектры являются наложением всех сигналов из области интереса, поэтому наиболее достоверно можно получить информацию только о небольшом количестве метаболитов, имеющих наибольшие концентрации. Остальные метаболиты имеют низкую концентрацию и/или имеют сложное расщепление пиков и при этом перекрыты более интенсивными сигналами. Метод выявления этих метаболитов в клинически доступных системах (<3T) — спектральное редактирование. В данной лекции кратко представлены методы спектрального редактирования, рассмотрены методы постобработки таких спектров и основные результаты исследований с применением спектрального редактирования. Методами спектрального редактирования показано, что концентрации γ-аминомасляной кислоты, лактата, аспартата, N-ацетиласпартата и N-ацетиласпартилглутамата, 2-гидроксиглутарата, глутатиона, глутамата изменяются при различных заболеваниях. Рассмотренные в данной лекции методы и результаты исследований позволят клиницистам предположить и апробировать новые подходы к диагностике заболеваний центральной нервной системы.

ЦЕЛЬ: Описать методы редактирования спектра ¹H-МРС в исследованиях на людях и представить некоторые основные результаты применения этих измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ: Использование наиболее эффективных методов редактирования, оптимизирующих информацию в протонных спектрах головного мозга человека,— технически крайне сложный процесс. Однако применение упоминаемых в лекции методик редактирования позволяет получить уникальную и неоценимую информацию о внутриклеточных концентрациях ряда важнейших метаболитов, что, безусловно, повышает уровень понимания процессов метаболизма головного мозга в норме и при различных заболеваниях.

1. Van der Graaf M. In vivo magnetic resonance spectroscopy: basic methodology and clinical applications // Eur. Biophys. J. 2010. Vol. 39, No. 4. P. 527–540. doi: 10.1007/s00249-009-0517-y.

2. Veeraiah P., Jansen J.F.A. Multinuclear Magnetic Resonance Spectroscopy at Ultra-High-Field: Assessing Human Cerebral Metabolism in Healthy and Diseased States // Metabolites. 2023. Vol. 13, No. 4. P. 577. doi: 10.3390/metabo13040577.

3. Yahya A., Mädler B., Fallone B.G. Exploiting the chemical shift displacement effect in the detection of glutamate and glutamine (Glx) with PRESS // J. Magn. Reson. 2008. Vol. 191, No. 1. P. 120–127. doi: 10.1016/j.jmr.2007.12.007.

4. Choi C., Ganji S.K., DeBerardinis R.J. et al. 2-hydroxyglutarate detection by magnetic resonance spectroscopy in IDH-mutated patients with gliomas // Nat. Med. 2012. Vol. 18, No. 4. Р. 624–629. doi: 10.1038/nm.2682.

5. Hurd R., Sailasuta N., Srinivasan R. et al. Measurement of Brain Glutamate Using TE-Averaged PRESS at 3T // Magn. Reson. Med. 2004. Vol. 51, No. 3. P. 435440. doi: 10.1002/mrm.20007.

6. Hancu I. Optimized Glutamate Detection at 3T // J. Magn. Reson. Imaging. 2009. Vol. 30, No. 5. P. 1155–1162. doi: 10.1002/jmri.21936.

7. Choi I.Y., Andronesi O.C., Barker P. et al. Spectral editing in 1H magnetic resonance spectroscopy: Experts’ consensus recommendations // NMR in Biomedicine. 2021. Vol. 34, No. 5. e4411. doi: 10.1002/nbm.4411.

8. McLean M.A., Busza A.L., Wald L.L. et al. In vivo GABA+ measurement at 1.5T using a PRESS‐localized double quantum filter // Magn. Reson. Med. 2002. Vol. 48. P. 233–241. doi: 10.1002/mrm.10208.

9. Edden R.A.E., Puts N.A.J., Harris A.D., Barker P.B., Evans C.J. Gannet: A batch-processing tool for the quantitative analysis of gamma-aminobutyric acid-edited MR spectroscopy spectra // Journal of Magnetic Resonance Imaging. 2014. Vol. 40, No. 6. P. 1445–1452. doi: 10.1002/jmri.24478.

10. Provencher S.W. Estimation of metabolite concentrations from localized in vivo proton NMR spectra // Magnetic Resonance in Medicine. 1993. Vol. 30, No. 6. P. 672–679. doi: 10.1002/mrm.1910300604.

11. Hui S.C.N., Saleh M.G., Zöllner H.J. et al. MRSCloud A cloud‐based MRS tool for basis set simulation // Magnetic Resonance in Med. 2022. Vol. 88, No. 5. P. 1994–2004. doi: 10.1002/mrm.29370.

12. Near J., Harris A.D., Juchem C. et al. Preprocessing, analysis and quantification in single‐voxel magnetic resonance spectroscopy: experts’ consensus recommendations // NMR in Biomedicine. 2021. Vol. 34, No. 5. e4257. doi: 10.1002/nbm.4257.

13. O’Gorman R.L., Michels L., Edden R.A., Murdoch J.B., Martin E. In vivo detection of GABA and glutamate with MEGA-PRESS: reproducibility and gender effects // J. Magn. Reson. Imaging. 2011. Vol. 33, No. 5. P. 1262–1267. doi: 10.1002/jmri.22520.

14. Craven A.R., Bhattacharyya P.K., Clarke W.T. et al. Comparison of seven modelling algorithms for g‐aminobutyric acid-edited proton magnetic resonance spectroscopy // NMR in Biomedicine. 2022. Vol. 35, No. 7. e4702. doi: 10.1002/nbm.4702.

15. Govindaraju V., Young K., Maudsley A.A. Proton NMR chemical shifts and coupling constants for brain metabolites // NMR in Biomedicine. 2000. Vol. 13, No. 3. P. 129–153. doi: 10.1002/1099–1492(200005)13:3<129::aid-nbm619>3.0.co;2-v.

16. Klunk W.E., Xu C., Panchalingram K., Mcclure R.J., Pettegrew J.W. Quantitative 1H and 31P MRS of PCA extracts of postmortem Alzheimer’s disease brain // Neurobiology of Aging. 1996. Vol. 17, No. 3. P. 349–357. doi: 10.1016/0197-4580(96)00035-8.

17. Menshchikov P.E., Semenova N.A., Akhadov T.A., Bozhko O.V., Varfolomeev S.D. An Increase in Cerebral g-Amino Butyric Acid Concentration in Children with Mild Traumatic Brain Injury in the Acute Phase: 1H MRS Study // Biophysics (Rus.). 2017. Vol. 62. P. 1009–1018.

18. Nadler J.V., Cooper J.R. N‐acetyl‐L‐aspartic acid content of human neural tumours and bovine peripheral nervous tissues // Journal of Neurochemistry. 1972. Vol. 19. P. 313–319. doi: 10.1111/j.1471-4159.1972.tb01341.x.

19. Menshchikov P., Ivantsova A., Manzhurtsev A. et al. Separate N‐acetyl aspartyl glutamate, N‐acetyl aspartate, aspartate, and glutamate quantification after pediatric mild traumatic brain injury in the acute phase // Magn. Reson. Med. 2020. Vol. 84, No. 6. P. 2918–2931. doi: 10.1002/mrm.28332.

20. Landim R.C.G., Edden R.A.E., Foerster B. et al. Investigation of NAA and NAAG dynamics underlying visual stimulation using MEGA-PRESS in a functional MRS experiment // Magn. Reson. Imaging. 2016. Vol. 34, No. 3. P. 239–245. doi: 10.1016/j.mri.2015.10.038.

21. Rowland L.M., Kontson K., West J. et al. In vivo measurements of glutamate, GABA, and NAAG in schizophrenia // Schizophr Bull. 2013. Vol. 39, No. 5. P. 10961104. doi: 10.1093/schbul/sbs092.

22. Pouwels P.J.W., Frahm J. Differential distribution of NAA and NAAG in human brain as determined by quantitative localized proton MRS // NMR Biomed. 1997. Vol. 10, No. 2. P. 73–78.

23. McKenna M.C. The glutamate-glutamine cycle is not stoichiometric: Fates of glutamate in brain // Journal of Neuroscience Research. 2007. Р. 3347–3358.

24. Yakovlev A., Manzhurtsev A., Menshchikov P. et al. Functional Magnetic Resonance Spectroscopy Study of Total Glutamate and Glutamine in the Human Visual Cortex Activated by a Short Stimulus // Biophysics. 2022. Vol. 67, No. 2. P. 265–273. doi: 10.1134/S0006350922020245.

25. Han J., Ma L. Study of the features of proton MR spectroscopy ((1)H-MRS) on amyotrophic lateral sclerosis // J. Magn. Reson. Imaging. 2010. Vol. 31, No. 2. P. 305–308. doi: 10.1002/jmri.22053.

26. Marsman A., Van Den Heuvel M.P., Klomp D.W.J. et al. Glutamate in Schizophrenia: A Focused Review and Meta-Analysis of 1H-MRS Studies // Schizophrenia Bulletin. 2013. Vol. 39, No. 1. P. 120–129. doi: 10.1093/schbul/sbr069.

27. Ramadan S., Lin A., Stanwell P. Glutamate and glutamine: A review of in vivo MRS in the human brain // NMR in Biomedicine. 2013. Vol. 26, No. 12. P. 16301646. doi: 10.1002/nbm.3045.

28. Gonenc A., Govind V., Sheriff S., Maudsley A.A. Comparison of spectral fitting methods for overlapping J-coupled metabolite resonances // Magn. Reson. Med. 2010. Vol. 64, No. 3. P. 623–628. doi: 10.1002/mrm.22540.

29. Wijtenburg S.A., Knight-Scott J. Very short echo time improves the precision of glutamate detection at 3T in 1H magnetic resonance spectroscopy // Journal of Magnetic Resonance Imaging. 2011. Vol. 34, No. 3. P. 645–652. doi: 10.1002/jmri.22638.

30. Snyder J., Wilman A. Field strength dependence of PRESS timings for simultaneous detection of glutamate and glutamine from 1.5 to 7 T // Journal of Magnetic Resonance. 2010. Vol. 203, No. 1. P. 66–72. doi: 10.1016/j.jmr.2009.12.002.

31. Schubert F., Gallinat J., Seifert F., Rinneberg H. Glutamate concentrations in human brain using single voxel proton magnetic resonance spectroscopy at 3 Tesla // NeuroImage. 2004. Vol. 21, No. 4. P. 1762–1771. doi: 10.1016/j.neuroimage.2003.11.014.

32. Ferguson B.R., Gao W-J. PV Interneurons: Critical Regulators of E/I Balance for Prefrontal Cortex-Dependent Behavior and Psychiatric Disorders // Front Neural Circuits. 2018. Vol. 12. P. 37. doi: 10.3389/fncir.2018.00037.

33. Donahue M.J., Rane S., Hussey E. et al. g-Aminobutyric Acid (GABA) Concentration Inversely Correlates with Basal Perfusion in Human Occipital Lobe // J. Cereb. Blood Flow Metab. 2014. Vol. 34. P. 532–541.

34. Yakovlev A., Gritskova A., Manzhurtsev A. et al. Dynamics of g-aminobutyric acid concentration in the human brain in response to short visual stimulation // MAGMA 2024. Vol. 37, No. 1. P. 39–51. doi: 10.1007/s10334-023-01118-7.

35. Gao F., Edden R.A.E., Li M. et al. Edited magnetic resonance spectroscopy detects an age-related decline in brain GABA levels // Neuroimage. 2013. Vol. 78. P. 7582. doi: 10.1016/j.neuroimage.2013.04.012.

36. Bollmann S., Ghisleni C., Poil S-S. et al. Developmental changes in gamma-aminobutyric acid levels in attention-deficit/hyperactivity disorder // Transl. Psychiatry 2015. Vol. 5, No. 6. e589. doi: 10.1038/tp.2015.79.

37. Simister R.J., McLean M.A., Barker G.J., Duncan J.S. Proton magnetic resonance spectroscopy of malformations of cortical development causing epilepsy // Epilepsy Res. 2007. Vol. 74. P. 107–115. doi: 10.1016/j.eplepsyres.2007.02.002.

38. Foerster B.R., Petrou M., Edden R.A.E. et al. Reduced insular g-aminobutyric acid in fibromyalgia // Arthritis Rheum. 2012. Vol. 64, No. 2. P. 579–583. doi: 10.1002/art.33339.

39. Mullins P.G., McGonigle D.J., O’Gorman R.L. et al. Current practice in the use of MEGA-PRESS spectroscopy for the detection of GABA // NeuroImage. 2014. Vol. 86. P. 43–52. doi: 10.1016/j.neuroimage.2012.12.004.

40. Yakovlev A., Manzhurtsev A., Menshchikov P. et al. The Effect of Visual Stimulation on GABA and Macromolecule Levels in the Human Brain in vivo // Biophysics (Russian Federation). 2020. Vol. 65. P. 51–57.

41. Mangia S., Tkáč I., Gruetter R. et al. Sustained neuronal activation raises oxidative metabolism to a new steady-state level: Evidence from[1] H NMR spectroscopy in the human visual cortex // Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism. 2007. Vol. 27, No. 5. P. 1055–1063. doi: 10.1038/sj.jcbfm.9600401.

42. Parsons D.W., Jones S., Zhang X. et al. An Integrated Genomic Analysis of Human Glioblastoma Multiforme // Science. 2008. Vol. 321. P. 1807–1812. doi: 10.1126/science.1164382.

43. Pope W.B., Prins R.M., Albert Th.M. et al. Non-invasive detection of 2-hydroxyglutarate and other metabolites in IDH1 mutant glioma patients using magnetic resonance spectroscopy // J. Neuroonco l. 2012. Vol. 107, No. 1. P. 197–205. doi: 10.1007/s11060-011-0737-8.

44. Andronesi O.C., Kim G.S., Gerstner E. et al. Detection of 2-Hydroxyglutarate in IDH-Mutated Glioma Patients by In Vivo Spectral-Editing and 2D Correlation Magnetic Resonance Spectroscopy // Sci. Transl. Med. 2012. doi: 10.1126/scitranslmed.3002693.

45. Dwivedi D., Megha K., Mishra R., Mandal P.K. Glutathione in Brain: Overview of Its Conformations, Functions, Biochemical Characteristics, Quantitation and Potential Therapeutic Role in Brain Disorders // Neurochem. Res. 2020. Vol. 45, No. 7. P. 1461–1480. doi: 10.1007/s11064-020-03030-1.

46. Marí M., De Gregorio E., De Dios C. et al. Mitochondrial Glutathione: Recent Insights and Role in Disease // Antioxidants. 2020. Vol. 9, No. 10. P. 909. doi: 10.3390/antiox9100909.

47. Emir U.E., Raatz S., McPherson S. et al. Noninvasive quantification of ascorbate and glutathione concentration in the elderly human brain // NMR Biomed. 2011. Vol. 2, No. 7. P. 888–894. doi: 10.1002/nbm.1646.

48. Bell C.J.M., Mehta M., Mirza L., Young A.H., Beck K. Glutathione alterations in depression: a meta-analysis and systematic review of proton magnetic resonance spectroscopy studies // Psychopharmacology. 2025. Vol. 242, No. 4. P. 717–724. doi: 10.1007/s00213-024-06735-1.

49. Kaiser L.G., Marjańska M., Matson G.B. et al. (1)H MRS detection of glycine residue of reduced glutathione in vivo // J. Magn. Reson. 2010. Vol. 202, No. 2. P. 259–266. doi: 10.1016/j.jmr.2009.11.013.

50. Chan K.L., Puts N.A.J., Snoussi K. et al. Echo time optimization for J‐difference editing of glutathione at 3T // Magnetic Resonance in Med. 2017. Vol. 77, No. 2. P. 498–504. doi: 10.1002/mrm.26122.