Onderzoekers van VUIIS ontsluiten het diagnostisch potentieel van natrium-MRI

Bij het Vanderbilt University Institute of Imaging Science gebruikt Rachelle Crescenzi, PhD, natrium- en proton-MRI om lipo-oedeem en lymfoedeem te bestuderen, twee medische aandoeningen die vaak moeilijk te onderscheiden zijn van, of ten onrechte worden aangezien voor zwaarlijvigheid. Volgens haar is de toekomst van MRI-onderzoek verbonden met de beeldvorming van deze verschillende nuclei. “We kunnen niet alleen de structuur afbeelden met de uitstekende hoge resolutie die MRI biedt, maar ik denk dat we ons in de toekomst echt zouden moeten richten op de beeldvorming van de functionele en moleculaire samenstelling van weefsel”, zegt dr. Crescenzi.

De meeste MRI-onderzoeken maken gebruik van signalen van protonen in watermoleculen om beelden te genereren, omdat dit de meest voorkomende magnetische nuclei in het lichaam zijn.

Andere magnetische nuclei kunnen echter ook voor MRI worden gebruikt, zoals koolstof-13, natrium-23 en fosfor-31. Deze stoffen vervullen verschillende functies in het lichaam. Hierdoor kunnen de mogelijkheden van MRI worden uitgebreid met niet-invasieve verkenning van een breed scala aan biologische processen en pathologieën, naast de informatie die wordt afgeleid van beeldvorming met waterstofprotonen.

Om deze mogelijkheden van moleculaire beeldvorming te kunnen benutten, moet een MRI-scanner een breed scala aan gevoeligheden hebben voor de verschillende magnetische nuclei.

Dr. Crescenzi is hoofd van het Sodium, Adipose & Lymphatics Translational Imaging Lab, het ´SALT Lab´, bij VUIIS. Haar onderzoek naar lipo-oedeem en lymfoedeem begon enkele jaren geleden met een belangrijke observatie.

“Deze patiënten ontwikkelen een zwelling van ledematen die extern zichtbaar is als een grotere omvang van hun benen of armen”, zegt dr. Crescenzi. “Maar met natrium-MRI op 3T zien we dat ze niet alleen veel water vasthouden, maar ook veel zout. Dat was een interessante bevinding. We wilden dit opvolgen en begrijpen wat zout doet in het lichaam van patiënten met lipo-oedeem en lymfoedeem. Zou dit een voorbode kunnen zijn van hun latere stadia van gevorderde ziekte?”

“We zijn geïnteresseerd in het toepassen van natriumbeeldvorming in langdurige klinische onderzoeken naar lipo-oedeem en lymfoedeem om de ontwikkeling van de ernst van gevorderde ziekte te begrijpen, en om te onderzoeken of natrium vroeg in het ziekteproces een marker kan zijn voor het risico op lymfatische disfunctie”, zegt ze. “Ook fascinerend zijn de kenmerken van lymfoedeem met lymfestase in het lichaam, die we hebben waargenomen met enkele vasculaire beeldvormingstechnieken waaraan we door de jaren heen met onze belanghebbenden in de radiologie en vasculaire geneeskunde hebben gewerkt.

Het onderzoek van het SALT-lab omvat studies van therapieën die zijn toegepast bij patiënten met lymfoedeem en lipo-oedeem. In een pilotstudie werd gekeken naar verminderingen van natrium in het weefsel na compressietherapie. “Dat was interessant, omdat we ontdekten dat therapie natrium kon mobiliseren en dat MRI ook gevoelig was voor die natriummobilisatie”, zegt dr. Crescenzi. Dit was een studie die werd uitgevoerd in samenwerking met dr. Paula Donahue, een gecertificeerd lymfoedeem-fysiotherapeut bij het Vanderbilt University Medical Center.

Dr. Crescenzi noemt enkele veelbelovende therapieën die worden ontwikkeld, zoals geneesmiddelen en microvasculaire chirurgie voor lymfedrainage en om deze ontstekingsvloeistof af te voeren. "We willen patiënten vóór en na deze therapieën volgen, zodat we kunnen zien of er een verband is tussen het verbeteren van de lymfatische functie van de patiënt en het verlagen van het natriumgehalte in hun weefsel." We kunnen al deze parameters samen meten met MRI en kijken ernaar uit om deze multimodale beeldvormingsonderzoeken te gebruiken. We hopen deze MRI-onderzoeken sneller te maken, met een comfortabele scantijd voor de patiënt, zodat we ze kunnen toepassen in longitudinale klinische studies.

“In onze lopende observerende klinische studie zien we, samen met onze radiologen, dagelijks voorbeelden van lymfatische aandoeningen, evenals ledematen van vergelijkbare grootte zonder tekenen van lymfatische ziekte”, zegt dr. Crescenzi. Wanneer patiënten met een lymfatische aandoening uitsluitend een klassieke MRI ondergaan, blijft het verhoogde natriumgehalte in hun oedeem en vetweefsel onopgemerkt. Bij lymfatische aandoeningen vermoedt men dat het vetweefsel ontstaat door vasculaire disfunctie en verschilt van het gewone vetweefsel zoals dat typisch is voor zwaarlijvigheid. Er worden nog steeds mechanismen van lymfatische ziekten en therapieën hiervoor ontdekt, en natrium- en vasculaire beeldvorming kunnen een sleutelrol spelen in belangrijke ontdekkingen.

Dr. Crescenzi merkt op dat radiologen geïnteresseerd zijn in de extra informatie die de moleculaire beeldvormingsmethode met 3T-natrium-MRI kan bieden. “Ze hopen dat de koppeling van deze metingen van het natriumgehalte in het weefsel met vasculaire functionele beeldvorming nieuwe inzichten kan toevoegen in risicofactoren voor lymfoedeem en hoe therapieën hierop kunnen ingrijpen.”

Hoewel deze tamelijk vergelijkbaar is met de dagelijkse radiologie, gaat de aanpak van dr. Crescenzi voor deze patiënten nog een stap verder. “Wij onderzoeken de vasculaire netwerken, hoe ze zich ontwikkelen, hoe ze het ziekteverloop veranderen en hoe dat van invloed is op de afzetting van natrium en vet in het weefsel bij aandoeningen als lipo-oedeem en lymfoedeem.”

"Ik denk niet dat radiologen geavanceerde training nodig hebben wanneer ze natriumbeelden gaan bekijken", zegt dr. Crescenzi. “Met het gestandaardiseerde protocol kunnen we de intensiteit van het natriumsignaal die met MRI is opgenomen, presenteren in een klinisch relevante maat – millimol per liter – waarmee radiologen vertrouwd zijn, aangezien dit wordt gebruikt om de natriumconcentratie in het bloed te meten.

Er zijn zeer weinig methoden beschikbaar om natrium in weefsel niet-invasief te meten. Onderzoekers bij VUIIS hebben vastgesteld dat natrium-MRI kan helpen om lymfatische aandoeningen objectief te onderscheiden van comorbiditeiten zoals zwaarlijvigheid, wat een grote impact kan hebben op patiënten. "Als deze patiënten eenmaal zijn gediagnosticeerd en ontdekken dat hun vetopslag inderdaad verschilt van zwaarlijvigheid, en dat dit mogelijk verband houdt met vasculaire disfunctie, opent dat een nieuw scala aan therapieën waaruit ze kunnen kiezen", aldus dr. Crescenzi.

Hoewel gebruikelijke MRI gevoelig is voor de protonen van water in het lichaam, vereist beeldvorming van andere magnetische nuclei specifieke detectieapparatuur, zoals een RF-spoel die is afgestemd op de resonantie van de specifieke nuclei. Natrium-MRI is mogelijk omdat natrium (23Na) ook magnetisch is en van nature overvloedig aanwezig in het lichaam.

Voorheen vereiste het toevoegen van natriumbeeldvorming een aparte en tijdrovende onderzoeksprocedure. Het huidige proces dat in het SALT-lab wordt gebruikt, is veel efficiënter. “We voeren natrium- en protonbeeldvorming in één serie uit: beide protocollen zijn opgenomen in één enkele ExamCard”, zegt dr. Crescenzi. “En om de intrinsiek lage signaal-ruisverhouding van natrium-MRI te overwinnen, streven we ernaar protocollen te ontwikkelen die natrium sneller kunnen waarnemen en de scans met een hogere resolutie kunnen opnemen. Deze ontwikkelingen, waaronder beeldvorming met een ultrakorte echotijd (Ultra Short Echo Time, UTE), zijn zeer relevant voor onze huidige klinische studies en voor wat volgens ons belangrijke toekomstige klinische ontwikkelingen zijn.”

Een natrium-MRI van het been begint met het positioneren van de patiënt met de voeten eerst in de 3-tesla-magneet door de technoloog. “Er is geen gespecialiseerde training nodig. Een laborant die andere MRI-onderzoeken van benen kan doen, is ook prima in staat om het onderzoek met meerdere nuclei uit te voeren”, zegt dr. Crescenzi. “In feite voeren wij natriumbeeldvorming uit in serie met andere vasculaire en anatomische MRI-scans: dat kan worden gedaan in dezelfde ExamCard en verloopt zoals elke andere scan van de onderste ledematen.

De natrium-MRI van de onderste ledematen wordt eerst uitgevoerd, met een specifieke natriumspoel. “We gebruiken MRI-spectroscopie en beeldvorming met meerdere nuclei om natrium-MRI in serie uit te voeren met andere scans zoals mDIXON MRI en MRI-lymfangiografie”, zegt dr. Crescenzi. “Zodra de natrium-MRI is opgenomen, kunnen de volgende scans protonbeeldvorming opnemen, zoals bij elke andere ExamCard. En dit kan allemaal door MRI-technologen worden uitgevoerd.”

“Onze MRI-technologen hebben allemaal het gestandaardiseerde natriumprotocol geleerd, dat in meerdere klinische onderzoeken in het beeldvormingsinstituut wordt gebruikt. Samen met onze beeldvormingstrainees hebben we de ExamCard-parameters geoptimaliseerd en aangepast, waarna deze zijn teruggekoppeld aan de technologen die de scanner dagelijks bedienen. Door de integratie van natrium- en proton-MRI is onze scantijd efficiënter geworden, met als doel de adoptie van niet-invasieve moleculaire beeldvorming te verbeteren door natrium-MRI.

Volgens dr. Crescenzi is het niet alleen de kleine niche van lymfatische aandoeningen waarop natriumbeeldvorming een impact kan hebben. Er zijn ook nier-, cardiovasculaire en metabole aandoeningen die van invloed zijn op natrium in het lichaam.

Specialisten in vasculaire geneeskunde voor kinderen beschikken momenteel over zeer weinig technologieën om veneuze en lymfatische malformaties van elkaar te onderscheiden. “De mogelijkheid om MRI-lymfangiografie uit te voeren met de huidige drie-tesla klinische scanners is zeer aantrekkelijk voor de radiologen en specialisten in vasculaire geneeskunde in het ziekenhuis hier”, zegt dr. Crescenzi. “Als we natrium-MRI bovenop vasculaire functionele beeldvorming zouden hebben in de ziekenhuisomgeving, zou dit volgens mij echt kunnen veranderen hoe sommige zeldzame vaatziekten in de kliniek worden behandeld en gediagnosticeerd." De mogelijkheid om beeldvorming met meerdere nuclei uit te voeren met een klinische veldsterkte van 3T, zal van cruciaal belang zijn om deze technologieën in het ziekenhuis te introduceren.”

Dr. Crescenzi waardeert de samenwerking met de leverancier en hun klinisch wetenschapper onsite. Ze werkten gezamenlijk aan het verbeteren van technologieën voor protonbeeldvorming en natriumbeeldvorming met meerdere nuclei, en bevorderen de standaardisering van natriumbeeldvormingstechnologie op verschillende locaties in het netwerk.

Volgens dr. Crescenzi zijn de verhalen van patiënten over hun lastigste symptomen wat haar team echt motiveert in hun onderzoek. “Deze patiënten wordt vaak verteld dat ze gewoon zwaarlijvig zijn, terwijl ze eigenlijk een heel andere aandoening hebben, waarbij natrium, vetweefsel en het lymfestelsel samen een rol spelen. We willen natriumbeeldvorming samen met MRI-lymfangiografie ontwikkelen binnen een korte, klinisch haalbare scantijd.”

“Ik denk dat het vinden van een behandeling voor lymfatische aandoeningen een reële mogelijkheid is. Bedenk hoe de ontwikkeling van behandelingen vaak is begonnen met betere technologieën om therapieën te evalueren in klinische studies. We willen de natriumbeeldvorming versnellen en beelden met een hogere resolutie opnemen om beter te testen in hoeverre therapieën van invloed zijn op lymfatische aandoeningen en om resultaten op de lange termijn te monitoren”, besluit ze.