Ny MR-teknik kartlägger över 20 biomarkörer i hjärnan under en enda 14-minutersundersökning

En ny multiplexerad avbildningsteknik som använder vanliga kliniska MR-system kan samtidigt kartlägga mer än 20 biomarkörer i hög upplösning, vilket ger en heltäckande bild av hjärnan med en enda skanning.

Forskare vid University of Illinois Urbana-Champaign demonstrerade den multiplexerade MR-tekniken (MRx) genom att karakterisera hjärntumörer och skleroslesioner – vilket avslöjade olika strukturella, fysiologiska och molekylära förändringar inom sjukdomarna. Under ledning av Zhi-Pei Liang, professor i elektro- och datateknik och medlem av Beckman Institute for Advanced Science and Technology vid U. of I., har teamet rapporterat sina resultat i tidskriften Nature.

”MRx kan vara ett kraftfullt verktyg för icke-invasiv vävnadskaraktärisering, vilket bidrar till att främja personlig, precisions- och prediktiv medicin”, sade Liang. ”Genom att tillhandahålla omfattande, flerdimensionella biomarkörer för att fånga upp sjukdomsförlopp och behandlingsrespons kan denna förmåga öppna nya möjligheter för mer precis diagnos, individualiserad behandlingsplanering och förbättrade patientresultat.”

Konventionell MR genererar högupplösta bilder med hjälp av magnetresonanssignaler från vattenmolekyler i biologisk vävnad. Dessa bilder används främst i klinisk praxis för att visualisera och bedöma vävnadsstruktur och patologi, säger Liang. Över 100 miljoner MR-undersökningar utförs världen över varje år.

MRx utökar kapaciteten hos konventionell MR genom att möjliggöra samtidig avbildning av signaler från flera molekyler, såsom hjärnmetaboliter och neurotransmittorer, utöver vatten. Med utgångspunkt i tidigare arbete om högupplöst metabolisk avbildning utvecklade Liangs grupp MRx-tekniken för att göra det möjligt för kliniska MR-skannrar att fånga upp mer än 20 biomarkörer samtidigt.

”MRx är ett nytt bildbehandlingsramverk som drivs av artificiell intelligens och som kan mäta många markörer utan behov av kontrastmedel”, säger studiens medförfattare Rong Guo, en tidigare student i Liangs grupp som nu är seniorforskare vid Siemens Healthineers.

”Genom vår integration av ultrasnabb datainsamling och fysikbaserade metoder för maskininlärning för databehandling övervinner MRx flera långvariga flaskhalsar för snabb, högupplöst multiplexavbildning”, säger Guo. ”Detta ger kliniker och forskare en bättre förståelse inte bara för hjärnans struktur, utan också för dess fysiologi och molekylära processer, inom ett enda avbildningsramverk.”

En MRx-skanning av hela hjärnan kan genomföras på cirka 14 minuter – väl inom en kliniskt acceptabel tidsram och betydligt kortare än konventionella kliniska MR-protokoll med flera kontrastmedel, som kan ta upp till en timme, säger forskarna.

Forskarna demonstrerade MRx:s förmåga att ge en mer exakt karakterisering av sjukdomar genom att tillämpa tekniken på patienter med hjärntumörer och multipel skleros. Genom att fånga upp strukturella, fysiologiska och molekylära förändringar i hjärntumörer gav MRx en mångfacetterad bedömning av tumörens mikromiljö och underliggande fysiologiska processer. Forskarna observerade metaboliska förändringar, ödem, axonal skada och demyelinisering. Denna information skulle kunna göra det möjligt för kliniker och forskare att skilja mellan olika tumörstadier mer exakt, även när de ser likartade ut på konventionell MR, sade Liang.

För multipel skleros möjliggjorde de kombinerade MRx-biomarkörerna karakterisering av lesioner i olika stadier genom att detektera förändringar relaterade till inflammation, demyelinisering, glios, axonal skada och metabolisk aktivitet – utan behov av kontrastmedel. Forskarna fann också att subtila biomarkörmönster kunde avslöja tidiga vävnadsförändringar och hjälpa till att förutsäga lesionernas progression, vilket tyder på att MRx kan förbättra både diagnos och prognos för sjukdomen.

”Sjukdomar som tumörer, multipel skleros och neurodegenerativa sjukdomar är mycket heterogena. Den omfattande uppsättningen biomarkörer som erhålls med hjälp av MRx har potential att ge djupare insikter i hjärnans funktion och sjukdomsprocesser, samtidigt som känsligheten och specificiteten för detektering och diagnos förbättras”, säger Yudu Li, professor i bioteknik vid University of Illinois och förstaförfattare till artikeln.