Imaging funzionale cerebrale: la spettroscopia a risonanza magnetica STORIA, EVOLUZIONE E TRAGUARDI DI UNA NON RECENTE APPLICAZIONE CLINICA

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2 Imaging funzionale cerebrale: la spettroscopia a risonanza magnetica STORIA, EVOLUZIONE E TRAGUARDI DI UNA NON RECENTE APPLICAZIONE CLINICA a cura di Ruggiero e Maria Luisa Calabrese Introduzione Il termine imaging funzionale racchiude una serie di tecniche di RM capaci di studiare l encefalo, valutandone caratteristiche strutturali (imaging di diffusione, perfusione e trattografia), biochimiche (spettroscopia) e di attivazione neuronale (fmri). In particolare, la spettroscopia protonica con risonanza magnetica (MRS) permette di valutare in vivo, con tecnica non invasiva, i livelli di alcuni metaboliti in specifiche aree cerebrali, selezionate dall operatore e di rilevare anomalie biochimiche che contribuiscono, assieme all indagine RM convenzionale, ad una diagnosi differenziale delle lesioni focali. Erroneamente si è portati a credere che la spettroscopia a RM sia una recente applicazione clinica, in realtà questa è stata la prima applicazione scoperta. Il concetto iniziale per l applicazione medica della Risonanza magnetica nucleare (come si chiamava in passato) nasce tra gli anni Quaranta e gli anni Settanta con la scoperta che in vitro determinati nuclei posizionati in un campo magnetico potevano assorbire l energia di una radiofrequenza con caratteristiche specifiche, per poi tornare allo stato iniziale cedendo l energia ricevuta (Felix Bloch e Edward Purcell 1946). Questa avvincente scoperta aprì la strada ad una nuova metodica di studio che permise di sviluppare una tecnica spettroscopica di laboratorio in grado di esaminare la struttura molecolare di composti organici. Molti anni dopo numerose importanti scoperte, tra cui la relazione tra la frequenza di precessione degli 18

3 spin e la forza del campo magnetico spiegata da Joseph Larmor. Damadian studiò lo spettro del sodio e del potassio in cellule animali, riuscendo a realizzare un apparecchiatura in grado di captare le emissioni radio degli atomi sottoposti a un campo magnetico e sollecitati da radiofrequenze. Dopo alcuni studi propose al mondo scientifico di prendere in considerazione la risonanza magnetica per la rivelazione delle malattie dell uomo, avendo scoperto che certi tumori del topo hanno elevati tempi di rilassamento rispetto ai tessuti sani. Nel 1974 brevettò la prima apparecchiatura RMN per lo studio del corpo umano, una sorta di grande spettroscopio in vivo. Come attestato dalla National Science Foundation, il brevetto includeva l idea di usare la RMN per analizzare l intero corpo umano per localizzare tessuti cancerosi. Tuttavia, non veniva descritta con precisione alcuna metodica su come effettuare l indagine su tutto il corpo o per ottenere immagini da tale tipo di esame. Quindi la risonanza magnetica nasce come indagine di spettroscopia da laboratorio e non come esame di diagnostica per immagini, questo sino alla scoperta gound-breaking di Damadian nel 1974, che culminò in seguito con la costruzione del primo scanner di risonanza magnetica che chiamò Indomabile. Principi di funzionamento Nella spettroscopia il segnale derivante da un dato elemento viene separato in funzione delle sue varie forme chimiche. La base di questo processo risiede sul principio che il campo magnetico che agisce sul nucleo atomico viene minimamente, ma in maniera significativa, modificato dai micro campi magnetici prodotti dagli elettroni presenti nella stessa molecola. In altre parole, la frequenza di un dato elemento viene ad essere influenzata dal contesto chimico della molecola in cui risiede. C - Brevetto del 1974 di apparato e metodo per l individuazione del cancro nei tessuti di Raymond Damadian Foto Raymond Vahan Damadian e il primo tomografo a RM della storia battezzato Indomabile 19

4 Ne consegue il cosiddetto chemical shift o spostamento chimico, cioè uno spostamento della frequenza di risonanza del nucleo dipendente dalla conformazione molecolare in cui è immerso. Quindi, in base alla frequenza di risonanza, è possibile identificare la concentrazione dei principali metaboliti dell area presa in esame. Il razionale, per considerare i livelli di risonanza di alcuni metaboliti utili nel definire la vitalità o la sofferenza strutturale cellulare, risiede negli studi istochimici e cellulari in vitro che hanno dimostrato come i singoli composti siano localizzati in specifiche cellule o strutture cerebrali. Di conseguenza le modificazioni nell intensità di un determinato metabolita possono riflettere la perdita o la sofferenza di una determinata popolazione cellulare cerebrale. Dalla combinazione dei vari picchi, che per una rapida lettura vengono riportati su un grafico cartesiano, è possibile quindi valutare il metabolismo dell area in esame, informazioni utili per la caratterizzazione delle lesioni. Tale tecnica consente di evidenziare in vivo, in modo non invasivo, in un singolo volume (single voxel) o in più volumi contemporaneamente (multivoxel), i principali metaboliti cerebrali. Rappresentazione grafica dei principali metaboliti cerebrali in base alla frequenza. Spettro nelle norma. Esempio di campionatura multivoxel. 20

5 L imaging multivoxel è utile in quelle patologie in cui l alterazione è diffusa come nelle patologie metaboliche o degenerative, mentre l uso del volume singolo (single voxel) risulta più vantaggioso nello studio delle lesioni focali, come nelle neoplasie primitive. Con quest ultima modalità è, infatti, possibile definire con maggiore precisione i limiti dell area di interesse ed avere una migliore risoluzione spettrale. Spettro protonico Nella spettroscopia a idrogeno dell encefalo i principali picchi spettrali con valenze di marker cellulare sono il complesso creatina-fosfocr (Cr/PCr), N-acetil aspartato (NAA), Colina (Cho), lipidi (Lip) e acido lattico (Lac). Si descrive in maniera sintetica il significato di questi metaboliti, oramai unanimemente riconosciuto dalla comunità scientifica. La Cr è un indicatore del metabolismo energetico. La modificazione del picco Cr rispecchia il metabolismo basale delle cellule. Alcuni tumori come i meningiomi e le metastasi sono caratterizzati da una decisa riduzione del segnale della Cr. L NAA è un marker dei neuroni sani correlato alla vitalità o funzionalità neuronale; quando il parenchima cerebrale è affetto da una lesione destruente di qualsiasi natura, il picco nella spettro si riduce notevolmente. La Cho è marker del metabolismo dei fosfolipidi di membrana cellulare. L innalzamento del picco della Cho è indice di elevato tournover cellulare di membrana come avviene nella proliferazione neoplastica. Il Lac e i Lip sono fisiologicamente assenti nell encefalo. I Lip sono presenti quando vi sono processi intralesionari di micro e macro-necrosi. Il Lac è il prodotto finale della glicolisi anaerobia ed indice di un consumo ipermetabolico di glucosio; è rilevabile solo quando la cellula è in carenza di ossigeno e quindi attiva il percorso anaerobico della glicolisi; il suo segnale è, perciò, di particolare interesse in processi ischemici od infiammatori. Anche in condizioni fisiologiche la distribuzione dei singoli metaboliti è diversa nella sostanza grigia e bianca dell encefalo, nelle diverse strutture dell encefalo e nelle diverse età. L N-acetil-aspartato, ad esempio, ha livelli estremamente bassi alla nascita; il suo aumento con l età è stato messo in relazione con l aumento del numero di assoni, dendriti e connessioni sinaitiche (Knaap et al. 1990). Al contrario processi di degenerazione neuronale causano una riduzione di NAA (Birken et al.). Numerosi studi hanno focalizzato l attenzione sulle modificazioni metaboliche dell encefalo in corso di invecchiamento normale e patologico. Indicazioni cliniche La diagnosi differenziale delle neoplasie cerebrali dipende dalla capacità del radiologo di interpretare non solo le immagini ma anche le informazioni cliniche e bio-umorali del paziente. Nell imaging RM convenzionale i segni principali, per un corretto inquadramento nosologico della focalità, sono ravvisati dalla sede anatomica, dalla presenza di edema perilesionale, dall effetto massa, dalla morfologia e dai margini della neoplasia, dalla identificazione di alterazioni intralesionari come aree necrotiche, cistiche ecc., dalla distribuzione del contrasto e da altri parametri, alcuni dei quali non propriamente 21

6 oggettivi, dettati dal background individuale e dall intuito del radiologo. Tuttavia, a volte risulta difficoltosa la differenziazione tra alterazioni ascessuali, neoplasie intra ed extraassiali, grading della neoplasia, ecc. La RMS è in grado di fornire informazioni strutturali, relative all integrità neuronale, alla proliferazione e degradazione cellulare, al metabolismo energetico, alla trasformazione necrotica o del tessuto tumorale, apportando un valido aiuto all imaging RM convenzionale nella diagnostica differenziale, nella valutazione del grado di anaplasia cellulare dei tumori, nell estensione anatomica delle neoplasie della serie gliale e dell edema peri-tumorale, nel monitoraggio dell evoluzione della malattia neoplastica, principalmente dopo trattamento radiante o chirurgico per una diagnosi differenziazione tra necrosi da radiazione e recidive tumorali. Nelle patologie della sostanza bianca le immagini RM convenzionali non ci forniscono indicazioni specifiche sulla natura delle aree di gliosi (alta sensibilità ma bassa specificità), per cui risulta difficile l inquadramento eziopatogenetico di tali alterazioni che possono essere secondarie a processi patologici diversi, di natura infiammatoria, autoimmune, vascolare, metabolica, tossica, ereditaria. La MRS consente, in alcuni casi, di differenziare forme apparentemente simili nell indagine RM convenzionale. Studio spettroscopico di meningioma: riduzione del picco NAA con aumento del picco Cho rispettivamente indice di danno assonale e di elevato turnover cellulare 22

7 Conclusioni L impiego nella routine clinica della MRS, pur presente da svariati anni, addirittura antecedenti alla Risonanza Magnetica convenzionale, è stato frenato da vari fattori, prevalentemente di natura tecnica in primis dalla necessità di apparecchiature spettroscopiche dedicate, dalla rappresentazione dei risultati spettroscopici sotto forma di grafici la cui interpretazione richiedeva una conoscenza matematica e statistica tanto che l effettuazione era di dominio di fisici, ingegneri e chimici. Attualmente, tali limitazioni sono state superate con le risonanze magnetiche ad alto campo (1.5 3 Tesla) di recente generazione grazie a software ultrarapidi e di facile impiego (one clic) utilizzabili con le bobine encefalo multicanali ad uso routinario. Oggi una sequenza spettroscopica può essere eseguita in circa 7 minuti a completamento dell indagine RM convenzionale senza far variare la posizione del paziente. E importante sottolineare che le informazioni metaboliche contribuiscono al raggiungimento di una diagnosi, assieme allo studio dell encefalo convenzionale senza e con gadolinio ed alle altre tecniche di studio funzionali quali la diffusione, la perfusione e la trattografia. Studio di encefalomielopatia subacuta necrotizzante Iperintensità dei nuclei lenticolari in immagini T2 pesate. Con spettroscopia inversione del picco alla frequenza del lattato. La presenza di tale metabolita avviene solo quando la cellula è in carenza di ossigeno e quindi attiva il percorso anaerobico della glicolisi. Nel caso specifico la lesioni simmetriche e bilaterali dei nuclei della base in soggetto giovane con presenza di lattato alla HMRS appare conforme alla eziologia della patologia: difetto della produzione aerobica di energia, per carenza del complesso della piruvato-deidrogenasi e della fosforilazione ossidativa. su base genetica. Studio spettroscopico di astrocitoma del tronco encefalico Pressoché scomparso il picco dell NAA marcato incremento del picco Cho. Comparsa dei picchi negativi Lac e Lip indice rispettivamente di un consumo ipermetabolico di glucosio a di fenomeni di necrosi cellulare. 23

8 Bibliografia H Shimizu, T Kumabe, N Ara, S Fujiwara Noninvasive evaluation of malignancy of brain tumors with proton MR spectroscopy. AJNR : Mader I, Roser W, Hagberg G, et al. Proton chemical shift imaging, metabolic maps, and single voxel spectroscopy of glial brain tumors. MAGMA 1996;4: Kwock L. Localized MR spectroscopy: basic principles. Neuroimaging Clin N Am 1998;8: M, Cammisa, T. Scarabino, T Popolizio et Al: Progressi in RM. Spettroscopia protonica cerebrale. Gnocchi Editore, Napoli 1999 Dowling C, Bollen AW, Noworolski SM, et al. Preoperative proton MR spectroscopic imaging of brain tumors: correlation with histopathologic analysis of resection specimens. AJNR Am J Neuroradiol 2001;22: Howe FA, Barton SJ, Cudlip SA, et al. Metabolic profiles of human brain tumors using quantitative in vivo 1H Magnetic resonance spectroscopy. Magn Reson Med 2003;49: Kim DH, et al.. H MRSI of the cortico spinal tract in pediatric brain. J Magn Reson Imaging. 2009; 29 (1):1 6. * Diagnostica per Immagini e Poliambulatorio calabrese via Lecce-Maglie 3 Km Cavallino (Lecce) tel