Evaluation of glucoCEST MRI for assessing cerebral glucose hypometabolism in patients with Alzheimer’s disease

De ziekte van Alzheimer is een aandoening die langzaam de geest aantast en het geheugen, de taal en het vermogen om het dagelijks leven te navigeren, erodeert. Een kenmerk van deze ziekte, dat al zichtbaar is lang voordat ernstige symptomen optreden, is dat de hersenen glucose niet meer efficiënt gebruiken. Glucose is de primaire brandstof voor hersencellen, en wanneer dit brandstofverbruik in specifieie gebieden daalt, is dat een signaal dat de hersenen het moeilijk hebben. Momenteel is de meest betrouwbare manier om deze daling in brandstofgebruik te zien een scan genaamd een PET-scan. Deze test houdt in dat er een kleine hoeveelheid radioactieve suiker in de bloedbaan wordt geïnjecteerd. Terwijl de hersencellen deze radioactieve suiker absorberen, detecteert een camera de straling en maakt een kaart die laat zien waar de hersenen actief zijn en waar ze verhongeren. Hoewel deze methode goed werkt, heeft het aanzienlijke nadelen: de machines zijn duur, het radioactieve materiaal is niet altijd beschikbaar en de blootstelling aan straling betekent dat de test niet vaak herhaald kan worden, wat het gebruik voor het monitoren van patiënten over een langere periode beperkt.

Wetenschappers hopen al lang een manier te vinden om dezelfde glucoseactiviteit te zien met behulp van standaard magnetische resonantie-imaging, of MRI. In tegenstelling tot PET-scans gebruikt MRI geen straling en is het breed beschikbaar in ziekenhuizen. Een nieuwere techniek genaamd glucoCEST probeert dit te doen door de patiënt een suikeroplossing te laten drinken en vervolgens de MRI-machine te gebruiken om de suiker te detecteren terwijl deze door de hersenen beweegt. Het idee is dat als de hersenen de suiker niet goed gebruiken, het MRI-signaal op een manier zal veranderen die het probleem onthult. Deze benadering zou een grote doorbraak zijn als het zou werken, omdat het een veilige, herhaalbare en goedkopere manier biedt om de ziekte van Alzheimer te diagnosticeren en te volgen. Het omzetten van dit idee naar een werkende realiteit is echter moeilijk gebleken, aangezien het signaal van de suiker in de hersenen ongelooflijk zwak is en gemakkelijk verloren gaat in de ruis van de scan.

In een recente studie onderzochten onderzoekers of deze MRI-methode daadwerkelijk de lage glucosewaarden bij patiënten met de ziekte van Alzheimer kon detecteren. Ze rekruteerden achttien mensen met een bevestigde diagnose van de ziekte van Alzheimer en achttien gezonde individuen van vergelijkbare leeftijd en achtergrond. Alle deelnemers ondergingen een reeks scans op een standaard 3 Tesla MRI-machine, wat het type krachtige scanner is dat in de meeste ziekenhuizen te vinden is. Het proces begon met een baseline-scan om de natuurlijke staat van de hersenen te meten. Vervolgens dronk de deelnemers een oplossing die zeventig-vijf gram D-glucose, een vorm van suiker, bevatte. Na het drinken voerden de onderzoekers een tweede reeks scans uit om te zien of de MRI de suiker kon detecteren terwijl deze de hersenweefsels binnenging. Om hun resultaten te verifiëren, ondergingen de patiënten met Alzheimer ook de standaard radioactieve PET-scan, die diende als de gouden standaard voor vergelijking.

De resultaten van de studie waren duidelijk en enigszins teleurstellend voor degenen die hoopten op een directe vervanging voor PET-scans. De onderzoekers ontdekten dat de MRI-techniek, ondanks dat deze in laboratoriumtests met suikeroplossingen was geoptimaliseerd, geen significant verschil liet zien tussen de hersenen van de patiënten met de ziekte van Alzheimer en de gezonde controles. Of men nu naar de voorkant, de zijkant of de achterkant van de hersenen keek, de MRI-signalen bleven in essentie hetzelfde voor beide groepen. Bovendien vertoonden de scans geen meetbare verandering in het signaal nadat de deelnemers de suiker hadden gedronken, wat betekent dat de machine de beweging van de glucose in het hersenweefsel niet duidelijk kon volgen. Dit gebrek aan verandering suggereert dat de huidige methode niet gevoelig genoeg is om de subtiele metabole verschillen die de ziekte definiëren op te pikken.

In contrast hiermee vertelden de PET-scans die bij dezelfde patiënten werden uitgevoerd een ander verhaal. Deze beelden lieten duidelijk zien dat de patiënten met de ziekte van Alzheimer aanzienlijk lagere glucoseopname hadden in de pariëtale en temporale regio's van de hersenen in vergelijking met de frontale regio's. Dit patroon van verminderd brandstofgebruik in specifieke gebieden is precies wat artsen verwachten te zien bij de ziekte van Alzheimer. De PET-resultaten koppelden zich ook direct aan de mentale prestaties van de patiënten; zij die een lagere glucoseactiviteit in deze specifieke hersengebieden hadden, scoorden slechter op cognitieve tests. Dit bevestigde dat de PET-scan succesvol de biologische realiteit van de ziekte detecteerde, terwijl de MRI-scan dit volledig miste.

Wanneer de onderzoekers de twee soorten beelden naast elkaar legden, vonden zij geen overeenstemming tussen de twee. De gebieden die er gezond uitzagen op de MRI, zagen er niet noodzakelijkerwijs gezond uit op de PET-scan, en vice versa. Dit gebrek aan verbinding geeft aan dat het MRI-signaal momenteel niet dezelfde metabole processen reflecteert die de PET-scan meet. De studie onderzocht ook of geavanceerde computeralgoritmen, bekend als machine learning, verborgen patronen in de MRI-data konden vinden die het menselijk oog misschien zou missen. Hoewel deze computermodellen onderscheid konden maken tussen patiënten en gezonde mensen met matige nauwkeurigheid, daalde de prestatie aanzienlijk wanneer de analyse werd beperkt tot enkel de grijze stof van de hersenen, waar de ziekte zich primair manifesteert. Dit suggereert dat de computer waarschijnlijk andere kenmerken van de gehele hersenen oppikte, in plaats van de specifieke glucosemetabolisme die de onderzoekers probeerden te meten.

De auteur concludeert dat hoewel het concept van het gebruik van een suikerdrankje en een MRI om de ziekte van Alzheimer te diagnosticeren aantrekkelijk is, de huidige technologie nog niet klaar is voor klinisch gebruik. De studie suggereert dat het signaal van de glucose te zwak is om betrouwbaar gedetecteerd te worden tegen de achtergrondruis van de hersenen bij de sterkte van standaard ziekenhuisscanners. Verschillende factoren droegen waarschijnlijk bij aan deze uitkomst, waaronder de moeilijkheid om patiënten tijdens de scan perfect stil te laten liggen, de natuurlijke variaties in hoe mensen suiker absorberen, en het feit dat het hersenweefsel bij patiënten met Alzheimer vaak krimpt, wat het moeilijker maakt om een heldere meting te krijgen. De onderzoekers merken op dat eerdere studies in andere velden, zoals kankerbeeldvorming, intraveneuze injecties van glucose hebben gebruikt in plaats van het te laten drinken, wat mogelijk een sterker signaal zou bieden. Ze suggerieën ook dat het gebruik van nog krachtigere scanners, zoals scanners die op zeven Tesla werken, deze techniek uiteindelijk levensvatbaar zou kunnen maken. Voor nu geeft de studie echter aan dat orale glucoCEST MRI de radioactieve PET-scan voor het beoordelen van het glucosemetabolisme bij de ziekte van Alzheimer nog niet kan vervangen.