Использование 1Н МР-спектроскопии в определении прогностически значимых показателей исхода комы

Исследовано 8 больных в возрасте от 6 месяцев до 16 лет (средний возраст 9,1±5,3) (3–4 балла по ШКГ) в остром периоде тяжелого церебрального повреждения различной этиологии с применением метода протонной магнитно-резонансной спектроскопии. Получены изменения спектрограммы в виде повышения сигналов лактата (Lac), липидов (Lip), миоинозитола (mI) и холинсодержащих соединений (Cho) при значительном снижении интенсивности сигналов N-ацетил аспартата (NAA) и креатина/фосфокреатина (Cr) в стволе, коре и подкорковых структурах головного мозга у больных с проявлением формирования синдромокомплекса, соответствующего острому церебральному поражению мозга. На основании анализа 1Н МР-спектров мозга детей с острым церебральным поражением уточнены критерии необратимого повреждения мозга.

Ахадов Толибджон Абдуллаевич, доктор медицинских наук, профессор, руководитель отдела лучевых методов диагностики НИИ НДХиТ, e-mail: akhadov@mail.ru

Семёнова Наталия Александровна, доктор биологических наук, главный научный сотрудник НИИ НДХиТ

Ублинский Максим Вадимович, кандидат биологических наук инженер КТ и МРТ, НИИ НДХиТ

Меньщиков Петр Евгеньевич, научный сотрудник НИИ НДХиТ

Амчеславский Валерий Генрихович, доктор медицинских наук, профессор, руководитель отдела анестезиологии и реанимации НИИ НДХиТ

Манжурцев Андрей Валерьевич, научный сотрудник, НИИ НДХиТ

 

Введение

1Н-магнитно-резонансная спектроскопия (1Н МРС), часть методов магнитного резонанса (МР), является новым направлением в экспериментальной биомедицине и клинической практике, прижизненно изучающих природу структурно-метаболических нарушений в мозге при различных патологических состояниях.

На 1Н МР-спектрах нормального мозга человека наблюдаются сигналы метильных групп холинсодержащих соединений (Cho, δ = 3,2 ppm, δ — химический сдвиг), фосфокреатина + креатина (Сr, δ = 3,0 ppm), N-ацетильной группы N-ацетиласпартата (NAA, δ = 2,0 ppm), сигнал 1,3,4,6-протонов инозитольного кольца миоинозитола (mI, δ = 3,56 ppm), глутамина и глутамата (Glx, α-СН, δ = 3,75 ppm) [1–3]. Основной функцией креатинкиназной системы, в которую входят Cr и PCr, является поддержание стационарного уровня АТФ в клетках. Церебральный креатин синтезируется в нейронах и астроцитах, а также транспортируется в мозг из печени [4]. Глутамат и глутамин — участники глутаматэргической системы мозга. Cho и mI — участники липидного обмена в мозге, миоинозитол участвует также в процессах, включающих в себя инозитол-полифосфатные вторичные мессенджеры [3]. Сигнал mI используется как неинвазивный маркер состояния пула астроцитов [3, 5]. Показано, что увеличение сигнала mI наблюдается при глиолизе, а также при активации глии [6]. Установлено, что в измеряемых количествах NAA присутствует исключительно в нейронах, а уровень NAA пропорционален активности функционально полноценных нейронов, снижение уровня NAA на 1H MP-спектраммах мозга соответствует уменьшению пула функционально полноценных нейронов [7]. Известно, что NAA образуется в митохондриях нейронов из аспартата и ацетил-коэнзима А. Ряд данных указывает на связь синтеза NAA и АТФ [8].

В условиях церебральной гипоксии и ишемии, а также при развитии воспалительных процессов в 1Н MP-спектрах мозга появляется сигнал метильной группы лактата (Laс) (химический сдвиг δ = 1,34 ppm) [9], который в нормальных спектрограммах отсутствует.

Концентрации вышеуказанных метаболитов пропорциональны интенсивностям их сигналов в спектрах. Изменения концентраций служат прижизненными индикаторами нарушений важнейших путей обмена веществ в органах и тканях при патологических состояниях, дают информацию об особенностях метаболических процессов, протекающих в клетках разного типа и в различных структурах мозга в норме и патологии. Снижение уровня NAA свидетельствует об уменьшении пула функционально активных нейронов, а рост mI указывает на активацию глиолиза, увеличение содержания Cho является показателем нарушения липидного обмена в нейронах и глиальных клетках. Сигнал Lac служит маркером ишемии и гипоксии как следствие анаэробного гликолиза, а также показателем активации воспалительных процессов в веществе мозга.

Рядом авторов была подтверждена прогностическая значимость выше­указанных клеточных и метаболических критериев повреждения мозга у больных в коме. Так, соотношения NAA/Cr и NAA/Cho на 1Н МР-спектрограммах белого вещества мозга, полученные методом одновоксельной 1Н МРС, в первые 6 ч после его повреждения, коррелировали с глубиной и длительностью нарушения сознания, оцениваемыми по ШКГ и ШИГ у пациентов с тяжелой черепно-мозговой травмой (ЧМТ) [10]. Низкие значения соотношения NAA/Cr в лобной коре [11], лобно-теменной коре [12], затылочно-теменной коре [13], валике мозолистого тела [14], таламусе [15], мосте [16] были выявлены при неблагоприятном исходе травматического повреждения мозга. Наличие пика Lac в спектрах мозга детей в остром периоде тяжелой ЧМТ также сопутствовало неблагоприятным исходам [17–19].

Тем не менее имеющиеся в настоящее время в литературе данные немногочисленны и требуют дальнейшего уточнения. Необходимость дальнейших исследований с использованием 1Н МРС определяется также неинвазивностью данного метода, позволяющего прижизненно получать информацию о состоянии вещества мозга структурно и с точки зрения обменных процессов.

Неинвазивность исследования определяет его преимущество для применения у детей в тяжелом состоянии с острыми церебральными повреждениями. Это и определило цель исследования — на основании анализа 1Н МР-спектров мозга детей с острым церебральным поражением уточнить критерии необратимого повреждения мозга.

Материалы и методы

Исследовано восемь больных в коме (3–4 балла по ШКГ) в возрасте от шести месяцев до 16 лет (средний возраст 9,1±5,3), шестеро находились в остром и подостром периоде тяжелой ЧМТ, одного больного исследовали на седьмые сутки после утопления и одного — через сутки после острого нарушения мозгового кровотока по геморрагическому типу. Критерием отбора пациентов в группу была тяжесть состояния, оцениваемая по степени нарушения сознания, определяемая тяжестью церебрального повреждения.

Уровни протонсодержащих метаболитов в структурах мозга определяли методом одновоксельной МРС и двумерной (2D) МРС. Использовали медицинский томограф Phillips Achieva 3.0 T (Голландия) с напряженностью магнитного поля 3Т и встроенным программным пакетом ViewForum. Сигнал спада свободной индукции детектировали на стандартной головной катушке. Всем пациентам исходно проводили диагностическую магнитно-резонансную томографию (МРТ) с получением изображений: аксиальных Т2-взвешенных и T2-FLAIR, сагиттальных T2-FLAIR и коронарных T1-FLAIR. Область интереса выделяли импульсной последовательностью PRESS. Подавление сигнала воды проводили с помощью импульса преднасыщения. Для одновоксельных исследований объем воксела составлял 3 см3, время эхо TE = 35 мс, время задержки между повторяющимися последовательностями импульсов TR = 2000 мс. Спектроскопический воксель ориентировали на неповрежденные, по данным МРТ, участки: глубинные отделы и кора лобной, теменной и затылочной долей, таламические ядра, мозжечок, ствол мозга. Для получения удовлетворительного значения сигнал/шум, усреднялось 32 накопления сигнала спада свободной индукции [20].

При двумерной (2D) МРС объем изучаемого пространства в белом и сером веществе лобной и теменной долей составлял 150 см3. Параметры 2D МРС: TE = 144 мс и TR = 2000 мс. Использовался параметр SENSE для укорочения времени получения спектра. Время сканирования составило 5 мин 52 с.

Сигнал спада свободной индукции обрабатывали с помощью встроенного программного пакета SpectroView. Интенсивность сигнала каждого метаболита, полученного после Фурье преобразования и умножения на экспоненту и гауссиану с параметрами 1,5 и 3, соответственно нормировали на интенсивность сигнала неподавленной воды.

Результаты исследования и их обсуждение

Из всего количества анализируемых больных нами для описания данных МРТ и МРС было выбрано четыре наиболее демонстративных клинических примера.

Клинический пример 1. Больная Р., 6 месяцев. Клинический диагноз: Тяжелая ЗЧМТ. Сдавление головного мозга эпидуральной гематомой теменно-височной области справа. Состояние после сердечно-легочной реанимации. Состояние после костнопластической трепанации с удалением эпидуральной гематомы. Ишемическо-гипоксическое повреждение головного мозга.

С момента поступления в стационар и до момента МР-обследования (15-е сутки после травмы) клинически состояние больной характеризовалось как атоническая кома (3 балла по ШКГ). На рисунке 1 представлена полученная 1Н МР-спектрограмма коры теменной доли мозга ребенка. Как видно, основной сигнал в спектре представлен пиком лактата (Lac). На 1Н МР-спектрограмме (см. рис. 1) также обращает на себя внимание крайне низкая интенсивность сигнала NAA, соответствующая практически нулевому уровню наличия функционально полноценных нейронов в объеме вокселя, а также низкая интенсивность суммарного сигнала метаболитов энергетического обмена — креатина и фосфокреатина (Cr), что наблюдается только при глубокой ишемии ткани мозга. Оба процесса — синтез NAA и Cr и их транспорт, как это было описано выше, — требуют затрат АТФ и при глубоком нарушении энергетического обмена угнетаются. Это, по нашему мнению, объясняет падение сигналов на 1Н МР-спектрограммах NAA и Cr в данном наблюдении, этому же соответствует и наличие выраженного пика Lac, что отражает активацию процессов ана­эробного гликолиза в условиях глубокой ишемии мозга. Процесс ишемии мозга отображают результаты МР-ангиографии (рис. 4а). Как видно из рисунка, кровоток по внутричерепным сосудам практически отсутствует.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1. Одновоксельный 1Н МР-спектр серого вещества теменной доли коматозного больного на 15-е сутки после тяжелой ЧМТ и за 8 суток до смерти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Одновоксельный 1Н МР-спектр головного мозга ствола коматозного больного на 7-е сутки после утопления и за 5 суток до смерти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Одновоксельный 1Н МР-спектр таламуса коматозного больного через 1 сутки после тяжелой ЧМТ и за 11 суток до смерти

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 4. Коронарная проекция, 3D-время-пролетная ангиография с введением Gd-DTPA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 5. 2D 1Н МР-спектры коматозного больного на 3-и сутки после тяжелой ЧМТ и за 28 суток до смерти

Интенсивность сигнала глиального маркера (mI) превышает норму в 1,7 раза, что отражает активацию глии и наличие процессов глиолиза.

Интенсивный сигнал метильных групп жирнокислотных остатков липидов (Lip, δ = 0,93 ppm) наряду с высоким уровнем холинсодержащих соединений (Cho) указывает на происходящую деструкцию клеточных мембран, ведущую к гибели клеток мозга [21].

Анализ полученных 1Н МР-спектрограмм позволяет сделать вывод о необратимом повреждении нейронов в сером веществе теменной доли мозга больной. Пациентка скончалась через восемь суток, несмотря на проводимое лечение. Данные аутопсии — колликвационный некроз вещества мозга — подтвердили результаты ранее произведенного МР-исследования.

Больной О., 10 лет. Клинический диагноз: тяжелая постгипоксическая энцефалопатия. Состояние после остановки сердца и дыхания, сердечно-легочной реанимации (восстановление сердечной деятельности через 30 мин после начала реанимационных мероприятий) в результате утопления в пресной воде. С момента поступления в стационар и до момента МР-исследования — атоническая кома (3 балла по ШКГ). На рисунке 2 представлена 1Н МР-спек­трограмма участка (вокселя) ствола мозга больного О., полученная на 8-е сутки после утопления. На спектрограмме превалируют интенсивные сигналы Lac, Lip, mI и Cho и низкая интенсивность сигналов NAA и Cr. Так же как и в первом клиническом примере, это соответствует преобладанию анаэробных процессов в ишемизированном веществе мозга больного, сопровождающихся деструктивными изменениями со стороны нервных клеток. Больной погиб на 5-е сутки после исследования. Данные аутопсии — тотальный некроз вещества мозга.

Больная А., 11 лет. Клинический диагноз: тяжелый ушиб головного мозга. Травматическое субарахноидальное кровоизлияние. Субдуральная гематома правого полушария мозжечка. Перелом затылочной кости. Состояние после дислокации и вклинения ствола мозга в большое затылочное отверстие. С момента поступления в стационар и до момента обследования (3-и сутки после травмы) имелась устойчивая клиническая картина атонической комы (3 балла по ШКГ). На 1Н МР-спектрограмме участка (вокселя) вещества таламуса (рис. 3) были выявлены метаболические изменения, аналогичные двум предыдущим клиническим случаям. Низкий уровень NAA и высокий уровень Lac свидетельствуют об ишемии и развивающейся деструкции нейронов таламуса. Анализ МР-ангиограммы (рис. 4б) выявил резкое обеднение сосудистого рисунка внутричерепных сосудов в бассейне кровоснабжения внутренними и наружными сонными артериями, что соответствует stop-flow-феномену, характерному для прекращения кровотока в полости черепа [22, 23]. Тотальная ишемия мозга, несмотря на поддержание адекватной системной гемодинамики у больного, явилась причиной падения NAA, Cr и появления Lac в анализируемых спектрах и в итоге гибели больного на 11-е сутки после МР-исследования.

Больной И., 1 год 5 месяцев. Клинический диагноз: кататравма. Тяжелая сочетанная травма. Тяжелая ОЧМТ. Ушиб головного мозга с острой субдуральной плоскостной гематомой, сдавливающей правое полушарие мозга. Диффузный отек головного мозга. Множественные переломы костей черепа. С момента поступления в стационар и до момента обследования на третьи сутки после травмы отмечалась устойчивая картина атонической комы (3 балла по ШКГ). Результаты 2D МРС представлены на рисунке 5, где обращает на себя внимание наличие высокой интенсивности сигнала Lac и отсутствие сигнала NAA в каждом из спектров объемного вокселя, что указывает на процесс анаэробного гликолиза и резкое снижение пула функционально активных нейронов, на их поражение в объеме исследуемого пространства мозга.

Заключение

Анализируемые выше 1Н МР-спектральные изменения были обнаружены у каждого из больных во всех анализируемых структурах мозга. Все пациенты погибли в сроки от 12 до 31 суток после острого церебрального поражения. Однородность анализируемой группы больных (острое тяжелое церебральное поражение мозга, устойчивое состояние атонической комы к моменту исследования), а также однотипность полученных 1Н МР-спектрограмм позволяет утверждать, что выявленные изменения имеют прогностический характер. Согласно полученным данным, прогностически неблагоприятным признаком являлось сочетание следующих спектральных параметров: интенсивного сигнала Lac и резко сниженного сигнала NAA при их одновременном выявлении в различных структурах мозга. В то время как собственные [21] и литературные данные [6] показывают, что даже значительное уменьшение интенсивности сигнала только NAA может иметь обратимый характер. Одновременно с ростом NAA при этом наблюдалась и положительная динамика неврологических проявлений [21].

Именно сочетание доминирующего сигнала Lac на 1Н МР-спектраммах коры больших полушарий, подкорковых структур и в стволе мозга в совокупности с низким сигналом (пиком) NAA в анализируемых наблюдениях являлось прогностически значимым неблагоприятным признаком у больных с острым церебральным повреждением в коме.

Выводы

• 1H MPC является неинвазивным прогностическим методом у больных с острым церебральным повреждением мозга в коме.

• сочетание высокого сигнала Lac и низкого сигнала NAA на различных уровнях мозга (в стволе, таламусе, в коре и белом веществе мозга) прогностически соответствует неблагоприятному исходу.

• выявленные закономерности определяют необходимость дальнейшего исследования для определения неинвазивных критериев повреждения мозга при остром церебральном поражении.

Литература:

1. Menschikov P. E. 1H-MRS and MEGA-PRESS pulse sequence in the study of balance of inhibitory and excitatory neurotransmitters in the human brain of ultra-high risk of schizophrenia patients / P. E. Menschikov, N. A. Semenova, M. V. Ublinskiy et al. // Doklady Biochemistry and Biophysics. — 2016. T. 468. N1: P. 168–172.

2. Ublinskii M. V. Relaxation kinetics in the study of neurobiological processes using functional magnetic resonance imaging and spectroscopy / M. V. Ublinskii, N. A. Semenova, T. A. Akhadov et al. // Russian Chemical Bulletin. — 2015. T. 64: P. 451–457.

3. Men’shchikov P. E. Spectral editing in proton magnetic resonance spectroscopy. Determination of GABA level in the brains of humans with ultra-high risk for schizophrenia / P. E. Men’shchikov, N. A. Semenova, M. V. Ublinskii et al. // Russian Chemical Bulletin. — 2015. Т. 64. № 9: P. 2238–2243.

4. Ross B. D. In vivo magnetic resonance spectroscopy of human brain: the biophysical basis of dementia / B. D. Ross, S. Bluml, R. Cowan еt аl. // Biophys Chem. — 1997; 68: 161–172.

5. Braissant O. Expression and function of AGAT, GAMT and CT1 in the mammalian brain / O. Braissant, C. Bachmann, H. Henry // Subcell Biochem. — 2007; 46: 67–81.

6. Baslow M., Guilfoyle D. ed Moffet J., Tieman S., Weinberger D. еt аl. N-acetylaspartate: a unique neuronal molecule in the central nervous system // N.Y.: Springer Science. — 2006; 95–113.

7. Schuhmann M. U. Metabolic changes in the vicinity of brain contusions: a proton magnetic resonance spectroscopy and histology study / M. U. Schuhmann, D. Stiller, M. Skardelly еt аl. // J Neurotrauma. — 2003; 20: 725–743.

8. Bruchn H. Cerebral metabolism in man after acute stroke: new observations using localized proton NMR spectroscopy / H. Bruchn, J. Frahm, M. L. Gyngell еt аl. // Magn. Reson. Med. — 1989; 9(1): 126–131.

9. Moffett J. R. N-Acetylaspartate in the CNS: from neurodiagnostics to neurobiology / J. R. Moffett, B. Ross, P. Arun еt аl. // Prog Neurobiol. — 2007; 81(2): 89–131.

10. Du Y. 1H-Magnetic resonance spectroscopy correlates with injury severity and can predict coma duration in patients following severe traumatic brain injury / Y. Du, Y. Li, Q. Lan // Neurol India. — 2011; 59: 679–684.

11. Garnett M. R. Early proton magnetic resonance spectroscopy in normal-appearing brain correlates with outcome in patients following traumatic brain injury / M. R. Garnett, A. M. Blamire, R. G. Corkill еt аl. // Brain. — 2000; 123: 2046 — 2054.

12. Choe B. Y. Neuronal dysfunction in patients with closed head injury evaluated by in vivo 1H magnetic resonance spectroscopy / B. Y. Choe, T. S. Suh, K. H. Choi еt аl. // Invest Radiol. — 1995; 30: 502–506.

13. Friedman S. D. Quantitative proton MRS predicts outcome after traumatic brain injury / S. D. Friedman, W. M. Brooks, R. E. Jung еt аl // Neurology. — 1999; 52: 1384–1391.

14. Sinson G. Magnetization transfer imaging and proton MR spectroscopy in the evaluation of axonal injury: correlation with clinical outcome after traumatic brain injury / G. Sinson, L. J. Bagley, K. M. Cecil еt аl. // AJNR Am J Neuroradiol. — 2001; 22: 143–151.

15. Uzan M. Thalamic proton magnetic resonance spectroscopy in vegetative state induced by traumatic brain injury / M. Uzan, S. Albayram, S. G. Dashti еt аl. // J Neurol NeurosurgPsychiatry. — 2003; 74: 33–38.

16. Carpentier A. Early morphologic and spectroscopic magnetic resonance in severe traumatic brain injuries can detect ‘invisible brain stem damage’ and predict ‘vegetative states’ / A. Carpentier, D. Galanaud, L. Puybasset еt аl. // J Neurotrauma. — 2006; 23: 674–685.

17. Ashwal S. Predictive value of proton magnetic resonance spectroscopy in pediatric closed head injury / S. Ashwal, B. Holshouser, S. Shu еt аl. // Pediatr Neurol. — 2000; 23 (2): 114–125.

18. Condon B. Early 1H magnetic resonance spectroscopy of acute head injury: four cases / B. Condon, D. Oluoch-Olunya, D. Hadley D еt аl. // J Neurotrauma. — 1998; 15(8): 563–571.

19. Aaen G. Magnetic resonance spectroscopy predicts outcomes for children with nonaccedintal trauma / G. Aaen, B. Holshouser, C. Sheridan et al. // Pediatrics. — 2010; 125: 295–303.

20. Kato T. Assessment of brain death in children by means of P-31 MR spectroscopy: preliminary note. Work in progress / T. Kato, A. Tokumaru, T. O’uchi T еt аl. // Radiology. — 1991; 179(1): 95–99.

21. Diehl P., Fluck E., Gunther H., Kosfeld R., Seeling J., eds. NMR. Basic principles and progress 28. In vivo Magnetic resonance spectroscopy III: In vivo Magnetic resonance spectroscopy III: potential and limitations. — Berlin — Heidelberg; New York: Springer-Verlag, 1992. — 190 p.

22. Семенова Н. А. Влияние клеточной терапии на уровни метаболитов в структурах мозга детей с последствиями тяжелой черепно-мозговой травмы: исследование методом 1Н-магнитно-резонансной спектроскопии / Н. А. Семенова, С. В. Сидорин, Т. А. Ахадов и др. // Клеточные технологии в биологии и медицине. — 2011. — № 2. — С. 99–103.

23. Стулин И. Д. Современная клинико-нструментальная диагностика смерти мозга / И. Д. Стулин, М. В. Синкин // Журнал неврологии и психиатрии. — 2006. — № 1. — С. 58–64.