FUNCTIONELE PROTON MAGNETISCHE RESONANTIE SPECTROSCOPIE...
Transcript of FUNCTIONELE PROTON MAGNETISCHE RESONANTIE SPECTROSCOPIE...
-
FACULTEIT GENEESKUNDE EN
GEZONDHEIDSWETENSCHAPPEN
Academiejaar 2010 - 2011
FUNCTIONELE PROTON MAGNETISCHE
RESONANTIE SPECTROSCOPIE IN DE
FYSIOPATHOLOGIE VAN MIGRAINE:
de dynamiek van lactaat
Anneloor DIERICKX
Promotor: Prof. Dr. E. Achten
Co-promotor: Prof. Dr. K. Paemeleire
Scriptie voorgedragen in de 2de Master in het kader van de opleiding tot
MASTER IN DE GENEESKUNDE
-
FACULTEIT GENEESKUNDE EN
GEZONDHEIDSWETENSCHAPPEN
Academiejaar 2010 - 2011
FUNCTIONELE PROTON MAGNETISCHE
RESONANTIE SPECTROSCOPIE IN DE
FYSIOPATHOLOGIE VAN MIGRAINE:
de dynamiek van lactaat
Anneloor DIERICKX
Promotor: Prof. Dr. E. Achten
Co-promotor: Prof. Dr. K. Paemeleire
Scriptie voorgedragen in de 2de
Master in het kader van de opleiding tot
MASTER IN DE GENEESKUNDE
-
“De auteur en de promotor geven de toelating dit afstudeerwerk voor consultatie beschikbaar te
stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de
beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting uitdrukkelijk de
bron te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit dit afstudeerwerk.”
6 mei 2011
Anneloor Dierickx Prof. Dr. Eric Achten
-
Voorwoord
„Functionele proton magnetische resonantie spectroscopie in de fysiopathologie van migraine: de
dynamiek van lactaat‟ was mijn thesisonderwerp van eerste keuze, en ik ben dan ook heel dankbaar
dat ik deel heb mogen uitmaken van deze studie. Het was een leerrijke en veelzijdige ervaring die ik
met voldoening presenteer in dit proefschrift.
Graag zou ik mijn dank willen betuigen aan Professor Dr. E. Achten en Professor Dr. K. Paemeleire,
omdat ze mij de kans geboden hebben om deel te nemen aan deze uitdagende studie. Professor Dr. E.
Achten wil ik tevens bedanken voor het ter beschikking te stellen van het MR-researchgebouw en de
nodige beeldvormende apparatuur om deze studie waar te kunnen maken. Professor Dr. K. Paemeleire
wil ik graag bedanken voor zijn inzet in de recrutering van de migraine patiënten alsook voor zijn
aanstekelijke interesse en boeiende kennisoverdracht betreffende migraine en meer algemeen,
neurologie .
Mijn speciale dank gaat uit naar Harmen Reyngoudt, voor zijn uitstekende begeleiding over alle
aspecten van deze thesis. Bedankt om mij wegwijs te maken in de wetenschap van de spectroscopie
alsook voor de vele uitleg en hulp die je me verleende over deze twee jaar. Een thesisstudent kan zich
geen betere begeleider wensen.
Ik wil graag mijn ouders bedanken voor hun eindeloze positieve aanmoedigingen en steun. Verder had
ik ook graag mijn broer Willem willen bedanken voor zijn bijdrage aan de vormgeving van deze thesis.
Tevens had ik graag mijn vriend Koen bedankt voor het inhoudelijke nazicht van mijn thesis en zijn
zus Julie voor het maken van de illustratie van de rekruteringsaffiche.
Tot slot zou ik graag mijn grote dankbaarheid willen uitdrukken aan alle deelnemers van de studie.
Anneloor Dierickx
-
Inhoudsopgave
ABSTRACT .............................................................................................................................. 1
INLEIDING .............................................................................................................................. 2
1. MIGRAINE ................................................................................................................................................... 2
1.1 Definitie en classificatie ......................................................................................................................... 2
1.2 Epidemiologie ........................................................................................................................................ 3
1.3 Neurobiologie ........................................................................................................................................ 4
1.3.1 Corticale spreidende depressie, aura en het trigeminovasculaire systeem ................................. 4
1.3.2 Neurotransmitters en farmacologische targets .............................................................................. 6
1.3.3 Ictaal versus interictaal en de invloed van triggers........................................................................ 7
1.3.4 Genetica ........................................................................................................................................ 8
1.3.5 Deficiënte corticale habituatie ..................................................................................................... 10
1.3.6 NO overgevoeligheid .................................................................................................................. 11
1.3.7 Metabole dysfunctie .................................................................................................................... 11
2. MAGNETISCHE RESONANTIE SPECTROSCOPIE EN MIGRAINE .................................................... 13
2.1 Principe van MRI en MRS .................................................................................................................. 13
2.2 MRS en migraine ................................................................................................................................. 21
2.3 Lactaat.................................................................................................................................................. 22
METHODOLOGIE ............................................................................................................... 28
1. DOEL VAN DE STUDIE ................................................................................................................................... 28
2. PROEFPERSONEN .......................................................................................................................................... 28
3. 1H-MRS EN VISUELE STIMULATIE ................................................................................................................ 29
3.1 Spectrale analyse.................................................................................................................................. 31
3.2 Kwantificatie ........................................................................................................................................ 32
3.3 Statistische analyse .............................................................................................................................. 32
RESULTATEN ....................................................................................................................... 33
1. KWALITEIT VAN HET IN VIVO SPECTRUM ...................................................................................................... 33
1.1 Fitting (specificiteit) ............................................................................................................................ 33
1.2 Signaal-ruisverhouding (sensitiviteit) .................................................................................................. 33
2. SIGNAALAMPLITUDES .................................................................................................................................. 34
-
2.1 Signaalvariatie in vitro (fantoom) ........................................................................................................ 34
2.2 Signaalvariatie in vivo ......................................................................................................................... 35
2.2.1 Variatie in het signaal tijdens het volledige paradigma ............................................................... 36
2.2.2 Variatie in het signaal tussen de verschillende stappen van het paradigma ............................... 36
2.2.3 Variatie in het signaal tussen de verschillende stappen van het paradigma bij controle X ....... 37
3. RELATIEVE KWANTIFICATIE ......................................................................................................................... 38
4. ABSOLUTE KWANTIFICATIE .......................................................................................................................... 39
DISCUSSIE ............................................................................................................................. 42
REFERENTIES ...................................................................................................................... 45
APPENDIX A: THE INTERNATIONAL HEADACHE CLASSIFICATION ................ 51
APPENDIX B: RECRUTERINGSAFFICHE ..................................................................... 55
APPENDIX C: MR-VRAGENLIJST................................................................................... 56
APPENDIX D: VERKLARENDE WOORDENLIJST ...................................................... 57
-
1
Abstract
Migraine is een frequent voorkomende invaliderende vorm van primaire hoofdpijn. De 1-
jaarsprevalentie van migraine bedraagt 11% en het komt drie keer meer voor bij vrouwen dan bij
mannen. Het treft voornamelijk de actieve bevolking en heeft bijgevolg een grote socio-economische
impact. Migraine wordt klinisch beschreven volgens de criteria van de „International Headache
Society‟ en kan in twee grote subtypes opgedeeld worden: migraine zonder aura (MO) en migraine
met aura (MA). De fysiopathologie ervan is nog niet volledig opgehelderd maar omvat mogelijks een
excessieve corticale activatie ten gevolge van een deficiënte habituatie bij repetitieve stimulatie
alsook een verminderde mitochondriale energiereserve in de hersenen.
Proton magnetische resonantie spectroscopie (1H-MRS) werd reeds in verscheidene studies
aangewend om op een niet-invasieve manier lactaatveranderingen in de geactiveerde cerebrale cortex
te meten. Een aantal van deze studies toonden een hoger basaal lactaatgehalte alsook een grotere
stijging van het lactaatgehalte tijdens de visuele stimulatie bij MA patiënten in vergelijking met
controles. Gelijkaardige studies betreffende de meest frequent voorkomende vorm van migraine, MO,
zijn echter schaars.
Reyngoudt et al. (2011) demonstreerden aan de hand van een 31
P-MRS studie een verlaagd
adenosinetrifosfaat (ATP) en fosfocreatine (PCr) gehalte in de visuele cortex van MO patiënten in rust,
suggestief voor een reductie in het aërobe metabolisme [58] en dit bood de ideale voorzet voor verder
onderzoek. Het doel van deze studie was na te gaan of het lactaatgehalte bij MO patiënten tijdens en
na visuele stimulatie gestegen zou zijn. Dit onderzoek werd niet enkel beschreven in dit proefschrift,
het werd tevens gepubliceerd in „The journal of headache and pain‟ [59].
De opzet van deze studie, die twintig MO patiënten en twintig controlepersonen includeerde, was het
uitvoeren van een 3T-1H-MRS onderzoek waarbij een 12 minuten durende visuele stimulatie werd
toegepast aan een frequentie van 8 Hz via een MR-compatibele bril. Er werden geen significante
verschillen in signaalintensiteiten, verhoudingen en absolute concentraties van de metabolieten
(inclusief lactaat) geobserveerd tussen de MO patiënten en de controles. Lactaat vertoonde ook geen
significante stijging tijdens of na het toedienen van de visuele stimulatie bij zowel de MO patiënten als
de controles.
Het moet vermeld worden dat eventuele subtiele lactaatveranderingen mogelijks niet gedetecteerd
werden in migrainepatiënten en controles, gezien de detectielimiet voor lactaat met fMRS in de orde
van 0.1-0.2 µmol/g is. Deze studie pleit evenwel tegen een significante omschakeling naar anaëroob
metabolisme tijdens langdurige visuele stimulatie in de visuele cortex van MO patiënten.
-
2
Inleiding
1. MIGRAINE
1.1 Definitie en classificatie
Volgens de richtlijnen van de International Headache Society (IHS) wordt een onderscheid gemaakt
tussen (1) primaire hoofdpijn, (2) secundaire hoofdpijn en (3) craniale neuralgieën, faciale pijn en
andere hoofdpijn. Secundaire hoofdpijn is het gevolg van een onderliggende aandoening, zoals: hoofd-
en/of nektrauma, transient ischemic attack (TIA), cerebrovasculair accident (CVA), hersenbloeding,
hersentumor, epilepsie, middelengebruik of abstinentie ervan, infectie, psychiatrische stoornis, etc. [75]
Bij primaire hoofdpijn daarentegen is er geen sprake van een onderliggende aandoening, naast
migraine behoren ook spanningshoofdpijn en clusterhoofdpijn tot deze categorie [75]. Zie Appendix A
voor de volledige IHS classificatie van hoofdpijn.
Migraine is een frequent voorkomende invaliderende aandoening die gekenmerkt wordt door een
episodisch verloop met hoofdpijnaanvallen die onbehandeld 4-72 uur duren. Migraine voldoet aan
minstens twee van de volgende criteria: (1) unilateraal gelokaliseerd, (2) kloppende pijn,
(3) middelmatige tot ernstige pijnintensiteit en/of (4) verergeren van de pijn bij routine fysieke
activiteit of een aanleiding tot de vermijding hiervan [75]. Migraine is ook steeds geassocieerd met één
van de volgende symptomen: (1) misselijkheid en/of braken, (2) foto- en fonofobie [75].
Migraine wordt onderverdeeld in twee grote subtypes: migraine zonder aura (MO) en migraine met
aura (MA) (tabel 1). Migraine zonder aura is de meest frequent voorkomende vorm. Bij 20-30 % van
de migrainepatiënten treden er auraverschijnselen op (MA) [75]. Deze aura‟s uiten zich in aanvallen
van reversibele neurologische symptomen die zich gradueel manifesteren over het verloop van
minstens 5 minuten en niet langer dan 60 minuten duren (per symptoom) [75]. Deze neurologische
manifestaties kunnen zijn: visuele symptomen met positieve (zoals lichtjes, vlekken of lijnen) of
negatieve (scotomen) verschijningsvorm, sensibele symptomen met positieve (naaldenprikken) of
negatieve (gevoelloosheid) verschijningsvorm en taal/spraakmoeilijkheden. Meestal wordt deze aura
binnen het uur gevolgd door hoofdpijn met de kenmerken van MO (typische aura met migraineuze
hoofdpijn) [75].
Andere subtypes van MA zijn: (1) typische aura met niet-migraineuze hoofdpijn, (2) typische aura
zonder hoofdpijn, (3) familiale hemiplegische migraine (FHM), (4) sporadische hemiplegische
migraine (SHM) en (5) basilaire migraine [75].
-
3
Een volledig overzicht van alle voorkomende types van migraine en complicaties ervan zijn opgesomd
in tabel 1 [75].
Migraine
1. Migraine zonder aura
2. Migraine met aura
2.1 Typische aura met migraineuze hoofdpijn
2.2 Typische aura met niet-migraineuze hoofdpijn
2.3 Typische aura zonder hoofdpijn
2.4 Familiale hemiplegische migraine (FHM)
2.5 Sporadische hemiplegische migraine
2.6 Basilaire migraine
3. Periodische syndromen in de kindertijd die frequent precursoren zijn van migraine
3.1 Cyclisch braken
3.2 Abdominale migraine
3.3 Benigne paroxismale vertigo in de kindertijd
4. Retinale migraine
5. Complicaties van migraine
5.1 Chronische migraine
5.2 Status migrainosus
5.3 Persistente aura zonder herseninfarct
5.4 Migraineus herseninfarct
5.5 Migraine-getriggerde convulsie
Tabel 1. De IHS classificatie van migraine. Bron: International Headache Society [75]
1.2 Epidemiologie
Migraine heeft een gemiddelde 1-jaarsprevalentie van 11% en komt drie keer meer voor bij vrouwen
dan bij mannen [5]. Vóór de puberteit is migraine meer prevalent bij jongens maar vanaf de
adolescentie is het meer prevalent bij meisjes [5]. Migraine heeft een piek prevalentie tussen de 25j en
55j, treft dus voornamelijk de actieve bevolking en heeft bijgevolg een grote socio-economische
impact (werkverzuim) [20]. De World Health Organisation (WHO) schat dat wereldwijd ongeveer
324 miljoen mensen getroffen zijn door migraine en rangschikt migraine als 19de
in de lijst van meest
invaliderende aandoeningen [37].
-
4
1.3 Neurobiologie
De zoektocht naar de onderliggende fysiopathologische mechanismen van migraine houdt menig
wetenschapper in de ban. De kennis is de laatste jaren aanzienlijk geëvolueerd maar er zijn nog steeds
talrijke controversen en onbeantwoorde vragen. Migraine is dus een „hot topic‟ in de
onderzoekswereld en vele onderzoeksgroepen dragen bij tot deze dynamische en kritische dialoog. In
dit proefschrift wordt er slechts een tipje van de sluier gelicht van het complexe causaliteitsmodel van
migraine: corticale spreidende depressie, triggers, deficiënte corticale habituatie, genetica, NO-
overgevoeligheid, metabole dysfunctie etc. Momenteel bestaat er echter nog geen sluitende theorie die
al deze elementen verbindt.
1.3.1 Corticale spreidende depressie, aura en het trigeminovasculaire systeem
Sinds de eerste beschrijving van corticale spreidende depressie (CSD) door Leão (1944) is algemeen
aangenomen dat CSD het elektrofysiologisch correlaat is van de migraineuze aura [36, 81]. Leão
beschreef CSD als een zelf-propagerende golf van intense neuronale activiteit (depolarisatie), startend
in de occipitale cortex (figuur 1), die zich gestaag (± 3 mm/min) uitspreidt over de cortex en gevolgd
wordt door een periode van neuronale inactiviteit [36]. Cao (1999) postuleerde dat CSD mogelijks aan
de basis ligt van de migraineaanval onafhankelijk van de aanwezigheid van aura symptomen [11]. Het
is nog niet volledig opgehelderd hoe CSD ontstaat.
Figuur 1. Corticale spreidende depressie (CSD) volgens Leão. CSD is een zelf-propagerende golf van intense
neuronale activiteit die start in de occipitale cortex, zich gestaag uitspreidt en gevolgd wordt door een periode van
neuronale inactiviteit. Bron: www.migraine-aura.org
De CSD golf veroorzaakt activatie van het trigeminovasculaire systeem door de loslating van
calcitonin gene-related peptide (CGRP), neurokinine A en substance P (SP) met als gevolg
vasodilatatie en verhoogde cerebrale bloeddoorstroming, alsook extravasatie van pro-inflammatoire
proteïnes uit de bloedvaten (steriele inflammatie) [15]. Dit resulteert in neurogene inflammatie van de
meningen met als gevolg activatie van de trigeminale zenuwuiteinden (figuur 2). Deze zenuwuiteinden
projecteren naar het trigeminale ganglion (1e orde neuron), die dan op zijn beurt het
trigeminocervicale complex (2e orde neuron, bestaande uit de trigeminale nucleus caudalis en de
dorsale hoorn van C1 en C2) activeert [25]. Het trigeminocervicale complex projecteert naar de
thalamus, deze brengt het signaal over naar de sensoriële cortex en veroorzaakt hoofdpijn [15].
-
5
Sensitisatie van de perifere en nadien ook de centrale sensoriële zenuwuiteinden maakt de
nociceptieve vezels gevoelig voor arteriële pulsaties en beweging, dit biedt een verklaring voor het
pulserende karakter van de pijn en het verergeren ervan bij hoesten, bukken of bewegen van het hoofd
[15]. De centrale sensitisatie staat mogelijks ook in voor de allodynie (verschijnsel waarbij niet-
pijnlijke prikkels als pijnlijk worden ervaren) die 2/3e van de patiënten ondervindt tijdens een
migraineaanval [15]. Het hersenweefsel zelf is niet pijngevoelig, de meningen en de grote
hersenbloedvaten daarentegen wel. Pijn afkomstig van deze structuren straalt uit naar het voorhoofd,
de nek en de hoofdhuid [15].
Figuur 2. Het trigeminovasculaire systeem. Neurogene inflammatie van de meningen resulteert in activatie van de
trigeminale zenuwuiteinden, deze projecteren naar het trigeminale ganglion (1e orde neuron) om nadien het
trigeminocervicale complex (2e orde neuron (TCC), bestaande uit de trigeminale nucleus caudalis en de dorsale hoorn
van C1 en C2) te activeren. Het trigeminocervicale complex projecteert verder naar de thalamus en deze brengt het
signaal over naar de sensoriële cortex. Bron: [25]
-
6
1.3.2 Neurotransmitters en farmacologische targets
Serotonine is een mono-amine (5-hydroxytryptamine, 5-HT) gesynthetiseerd uit tryptofaan en speelt
een belangrijke rol in de fysiologie van de gemoedstoestand, gastro-intestinale motiliteit en vasculaire
functie. Migrainepatiënten hebben een laag plasma serotoninegehalte interictaal en een verhoogde
ictale urinaire 5-hydroxy-indol-azijnzuur (5-HIAA, de belangrijkste metaboliet van serotonine)
excretie [45, 48]. Reserpine (een depletor van serotonine) kan een migraineaanval precipiteren en de
intraveneuze injectie van serotonine doet de hoofdpijnintensiteit dalen tijdens een aanval [45]. Deze
bevindingen zijn suggestief voor een rol van serotonine in de fysiopathologie van migraine en
serotoninereceptoren zijn dan ook een belangrijke target in de aanvalsbehandeling van migraine.
Triptanen worden verondersteld hun activiteit uit te oefenen via drie mechanismen (figuur 3). Het
eerste mechanisme betreft de stimulatie van de 5-HT1B/1D receptoren op de gladde spiercellen van de
meningeale bloedvaten, leidend tot vasoconstrictie. Het tweede mechanisme is de stimulatie van de 5-
HT1B/1D receptoren op de perifere trigeminale nociceptieve zenuwuiteinden, dit leidt tot verminderde
vrijstelling van neuropeptiden en dus inhibitie van de neurogene perivasculaire inflammatie. Het derde
mechanisme betreft de inhibitie van de 2e orde neuronen in het trigeminocervicale complex .[26]
Figuur 3. Mogelijke aangrijpingspunten van triptanen in het trigeminovasculaire systeem. Vessel : meningeaal
bloedvat. Peripheral neuron: perifere trigeminale nociceptieve zenuwuiteinde. Central neuron: 2e orde neuron in het
trigeminocervicale complex. Bron: [26]
-
7
Dopamine is een catecholamine dat gesynthetiseerd wordt uit tyrosine en speelt een belangrijke rol in
talrijke hersenfuncties zoals cognitie, willekeurige motoriek, motivatie, inhibitie van de prolactine
loslating etc. De mogelijke pathogenetische rol van dopamine in migraine is nog niet volledig
opgehelderd maar betreft onder meer een dopaminerge hypersensitiviteit [45] en een verhoogd
dopaminegehalte in de bloedplaatjes van migrainepatiënten [16]. De dopamine agonist lisuride blijkt
nuttig te zijn in de profylactische behandeling van migraine, maar dit zou ook kunnen werken via een
5-HT2B antagonisme [45]. Haloperidol, een inhibitor van D1, D2, 5-HT2, H1 en α2-adrenerge
receptoren, zou nuttig zijn in de aanvalsbehandeling van migraine [45]. Deze argumenten suggereren
een potentiële rol van dopamine in de fysiopathologie van migraine.
Glutamaat is de belangrijkste excitatorische neurotransmitter in het centrale zenuwstelsel en medieert
zijn effecten enerzijds via de ionotrope NMDA-(N-methyl-D-asparginezuur), AMPA-(α-amino-3-
hydroxy-5-methyl-4-isoxazolepropioninezuur) en kainaatreceptoren en anderzijds via de metabotrope
glutamaatreceptoren [16]. Enkele studies demonstreerden hogere glutamaat- en aspartaatgehaltes in
bloedplaatjes, plasma en het cerebrospinaal vocht van migrainepatiënten [16]. Voorts zou de inname
van glutamaatrijk voedsel in staat zijn een migraineaanval uit te lokken in voorbeschikte personen.
Deze bevindingen zijn het meest uitgesproken bij MA patiënten en zijn suggestief voor het bestaan
van een neuronale hyperexciteerbaarheid bij migrainepatiënten [16].
Overige potentiële doelwitreceptoren in de behandeling van migraine zijn: adrenerge-, calcitonine
gene-related peptide- (CGRP1 en CGRP2), adenosine- (A1, A2 en A3), endotheline- en vrouwelijke
hormoon- (oestrogeen en progesteron) receptoren [48].
1.3.3 Ictaal versus interictaal en de invloed van triggers
Migraine is een aandoening gekenmerkt door een onderliggende hersenaandoening (interictaal) die de
hersenen vatbaar maakt voor episodische migraineaanvallen (ictaal). Subcorticale structuren zoals de
hersenstam, de hypothalamus en de thalamus zijn belangrijke actoren in het genereren van een
migraine aanval (ictaal) [25]. Inzake de onderliggende fysiopathologische mechanismen die
predisponeren voor een migraineaanval en kenmerkend zijn voor de aandoening „migraine‟
(interictaal), bestaan er meerdere factoren die een rol zouden kunnen spelen. Tot nu toe is er nog geen
eenduidig geïntegreerde visie die een duidelijk antwoord geeft op deze vraag. De belangrijkste van
deze factoren zijn: (1) genetische predisposititie, (2) gebrek aan corticale habituatie, (3) NO
overgevoeligheid en (4) metabole dysfunctie (zie verder).
-
8
D‟Andrea en Leon (2010) beschouwen migraine als een biobehavioral disorder of threshold disorder.
Zij stellen dat migraine een multifactoriële aandoening is waarbij de aanvallen het gevolg zijn van de
inwerking van stressoren op een hyperexciteerbaar brein [16].
In de literatuur zijn talrijke uitlokkende factoren beschreven voor migraine, en in de algemene
klinische praktijk heerst de opvatting dat het vermijden van deze triggers een adequate strategie is om
migraineaanvallen te voorkomen [32].
Kelman (2007) bestudeerde 1207 migrainepatiënten en stelde vast dat migraineaanvallen getriggerd
waren bij 75.9% van deze patiënten: occasioneel in 40.4% van de patiënten, frequent (>33% van de
hoofdpijnaanvallen) in 26.7% van de patiënten en heel frequent (>66% van de aanvallen) in 8.8% van
de patiënten. De meest frequent beschreven triggers hierbij waren: hormonen (bij vrouwen), stress,
vasten, weersomstandigheden, parfum/geuren, verstoring van de slaap, licht, rook, warmte, laat
uitslapen, voedsel, fysieke activiteit, seksuele activiteit [32]. Triggers zijn niet te verwarren met de
oorzaak van migraine, zij hebben enkel een bijdragende functie in het uitlokken van een aanval.
1.3.4 Genetica
Migraine speelt zich niet enkel af in je hersenen, kennelijk ook in je genen: tweeling- en familiale
studies tonen aan dat er een genetische basis bestaat voor migraine. Russell et al.(1995) toonden aan
dat eerstegraadsverwanten van MO patiënten een 2 maal verhoogd risico hebben op MO en een 1.4
maal verhoogd risico op MA in vergelijking met controles [63]. Omgekeerd geldt dat
eerstegraadsverwanten van MA-patiënten een 4 maal verhoogd risico op MA en geen verhoogd risico
op MO hebben [63].
Studies over FHM, een zeldzame erfelijke vorm van MA, konden mutaties aantonen in drie genen die
een rol spelen in de controle van het ion- en neurotransmittergehalte in de hersenen, suggestief voor
een neuronale hyperexciteerbaarheid als belangrijk mechanisme in migraine fysiopathologie [17]. Er
werd echter geen overtuigend bewijs gevonden dat diezelfde genen ook een rol zouden spelen in
MA/MO, alhoewel er wel belangrijk bewijs bestaat dat er een rol is weggelegd voor verstoorde ionen-
en neurotransmitter regulatie [17].
Epidemiologische studies beschrijven een familiaal voorkomen van migraine met frequente maternele
transmissie, mogelijks duidend op een genetische mitochondriale basis. De observatie van het frequent
voorkomen van migraineaanvallen bij MELAS (Mitochondrial myopathy, Encephalopathy, Lactic
Acidosis, and Stroke-like episodes) patiënten pleit ook in het voordeel van voorgenoemde hypothese
betreffende de dysfunctionele energievoorziening bij migrainepatiënten [34]. Het MELAS-syndroom
is een maternaal overerfbare multisysteem aandoening veroorzaakt door mutaties in het
mitochondriale DNA (mtDNA).
-
9
In de literatuur zijn bij enkele migrainepatiënten mitochondriale abnormaliteiten beschreven, maar
systematische screening slaagde er tot nu toe niet in een duidelijk verband tussen migraine en bepaalde
mitochondriale DNA-afwijkingen aan te tonen [34].
In de veronderstelling dat de hersenen van migrainepatiënten gekenmerkt zouden zijn door een
gereduceerde mitochondriale fosforylatiepotentiaal, kan men redeneren dat riboflavine profylactisch
zou kunnen werken door verbetering van de mitochondriale energievoorziening. Riboflavine of
coenzyme Q10 is een essentieel element van de mitochondriale elektronentransportketen, die vrij
beweegt in de binnenste mitochondriale membraan en zo elektronen van het NADH dehydrogenase
complex (complex I) en succinaat-Q-reductase complex (complex II) naar cytochroom C transfereert
(figuur 4). Di Lorenzo et al.(2009) bestudeerden twee specifieke mitochondriale DNA (mtDNA)
haplotypes (H en non-H) en hun respons op riboflavine [18]. Riboflavine bleek meer effectief te zijn
bij migrainepatienten met het non-H mtDNA haplotype. Het onderliggende mechanisme is ongekend,
maar het zou mogelijks te maken hebben met een verhoogde activiteit in complex I (belangrijk target
van riboflavine) bij deze patiënten [18]. Het zou dus mogelijks eerder te maken hebben met haplotypes
(polymorfismen) van mtDNA eerder dan werkelijke mutaties in de genen die coderen voor de
respiratoire keten enzymen .
Figuur 4. De mitochondriale elektronentransportketen. Riboflavine of coenzyme Q10 beweegt vrij in de binnenste
mitochondriale membraan en transfereert zo elektronen van het NADH dehydrogenase complex (complex I) en
succinaat-Q-reductase complex (complex II) naar het cytochroom C (Cyt C) . Bron: [61]
In een uitgebreide genoomstudie (GWAS, Genome-Wide Association Study) over migraine claimen
de onderzoekers een associatie met het rs1835740 allel (single nucleotide polymorfisme) op
chromosoom 8q22.1 [1]. Dit allel is gelokaliseerd tussen, en speelt op die manier een rol in de
regulatie van twee genen : het metadherin (MTDH) gen en het plasma glutamaat carboxypeptidase
(PGCP) gen [1]. Deze genen spelen beide een belangrijke rol in de homeostase van glutamaat, een
neurotransmitter die al eerder een potentiële rol kreeg toegeschreven in de fysiopathologie van
migraine (zie 1.3.2).
-
10
Gezien de hoge prevalentie van migraine zou de ontdekking van één verantwoordelijk gen verassend
zijn, want dit zou betekenen dat dit gen veel meer voorkomend zou zijn in de bevolking dan elk ander
gekend ziekte-veroorzakend gen. Eerder dan de ontdekking van één oorzakelijk gen/mutatie zijn in de
literatuur een variëteit aan genetische polymorfismen beschreven, helaas geen enkele daarvan
reproduceerbaar. Russell et al. (1995) bestudeerden MA en MO aan de hand van een complexe
segregatieanalyse en kwamen tot de conclusie dat er voor beide soorten een patroon van
multifactoriële overerving bestaat. Bij deze analyse werd evenwel geen rekening gehouden dat één
fenotype door verschillende genotypes bepaald kan zijn (genetische heterogeniteit), hierdoor kunnen
we dus niet uitsluiten dat er een mendeliaans overervingspatroon zou kunnen bestaan [62].
1.3.5 Deficiënte corticale habituatie
Inzake de functionele status van het migraineuze brein bestaat er een duidelijke tegenstelling in de
literatuur. Volgens Welch (2003) is er sprake van een interictale hyperexciteerbaarheid [81] terwijl
Ambrosini en Schoenen (2003) beweren dat er eerder sprake zou zijn van een hypoexciteerbaar brein
[2]. Fumal et al. (2003) stellen dat deze controverse in de literatuur waarschijnlijk te wijten is aan
onderzoeksgerelateerde methodologische verschillen en een zwakke betrouwbaarheid van de
fosfeenmetingen bij de „Transcranial Magnetic Stimulation‟ (TMS) [22]. Deze discutabele kwestie
buiten beschouwing gelaten is er een vrij algemeen heersende eensgezindheid inzake de stelling dat
migraine een aandoening is gekenmerkt door twee fenomenen: excessieve corticale activatie ten
gevolge van een deficiënte habituatie [57, 58, 68, 69] alsook een verminderde mitochondriale
energiereserve in de hersenen [57, 58].
Habituatie is een proces van verminderde respons bij aangehouden stimulatie en is een
beschermingsmechanisme van de cerebrale cortex tegen sensoriële overload [14]. Het proces van
habituatie is uitgebreid bestudeerd aan de hand van neurofysiologische experimenten : TMS [7, 22,
67], „Visual Evoked Potentials‟ (VEP) [67], „Contingent Negative Variation‟ (CNV) [2, 14] alsook
functionele beeldvorming (fMRI) [9].
De informatieverwerking bij migrainepatiënten wordt gekenmerkt door een habituatiestoornis,
ongeacht of het de visuele, auditieve, somato-sensoriële of cognitieve potentialen betreft [2].
Onderliggende mechanismen van deze gebrekkige habituatie bij migrainepatiënten zijn onzeker. Er
zijn verschillende hypothesen waaronder het bestaan van een hypo/ hyperexciteerbaarheid van
motorische en sensorische cortex, alsook een afgenomen pre-activatie van de sensorische cortex
mogelijks ten gevolge van hypofunctionele subcortico-corticale aminerge banen [14].
-
11
1.3.6 NO overgevoeligheid
NO (nitric oxide) is een gasvormige signaalmolecule gevormd door NOS (NO-synthase), waarvan 3
isovormen aanwezig zijn in het lichaam: endotheliale NOS (eNOS), neuronale NOS (nNOS) en
induceerbare NOS (iNOS). Het eNOS komt voor in de endotheliale cellen van de durale en cerebrale
arteriën, terwijl het nNOS in de neuronen voorkomt. [51]
Theoretisch zijn er drie potentiële aangrijpingspunten voor NO in migraine beschreven. Als eerste
aangrijpingspunt beschrijft men de nitroxiderge parasympathische zenuwvezels: migraine is mogelijks
geïnduceerd door stimulatie van deze vezels met als gevolg vasodilatatie van cerebrale arteriën. Het
tweede punt betreft het vasculair endotheel: migraine is potentieel geïnduceerd door gestegen
plasmaconcentraties van agentia die binden op de endotheliale receptoren met NO vrijlating tot gevolg.
Het laatste punt betreft het centraal zenuwstelsel: NO is betrokken in de pijnverwerking in het centrale
zenuwstelsel en induceert migraine mogelijks via centrale mechanismen. [51]
Olesen (2008) beschrijft dat NO een cruciale rol speelt in de fysiopathologie van primaire hoofdpijn.
Toediening van nitroglycerine (NTG, actief product:NO) veroorzaakt hoofdpijn bij controles en een
tweedelige MO-aanval bij MO en MA patiënten [51]. NO blijkt dus een universele trigger voor
migraine te zijn. Deze gegevens zijn suggestief voor het bestaan van een NO-hypersensitiviteit en
hierbij zou een abnormale status van sensoriële (trigeminale en spinale) prikkelbaarheid een rol
kunnen spelen [54].
Deze NO-hypothese biedt een voorzet om verder onderzoek te verrichten naar nieuwe potentiële
farmacologische targets in de behandeling van migraine zoals bijvoorbeeld inhibitoren van de NO-
cyclic guanosine monophosphate (CGMP)-pathway [54].
1.3.7 Metabole dysfunctie
De hypothese van de metabole dysfunctie stelt dat een afwijking in het energiemetabolisme aan de
basis ligt van migraine, met name een mitochondriale dysfunctie met een gereduceerde
fosforylatiepotentiaal. Centraal staat het onevenwicht tussen energieaanbod en energieverbruik [4, 47,
83].
De afwijkingen in het energiemetabolisme werden reeds uitgebreid onderzocht aan de hand van
talrijke MRS-studies. MRS-onderzoek in de occipitale lobus van MO patiënten toont een verminderd
PCr gehalte, een gedaalde fosforylatiepotentiaal (energiestatus indicator) en een gedaald ATP gehalte
[58]. Deze bevindingen bekrachtigen de hypothese van de metabole dysfunctie. Verscheidene studies
beschrijven een gestegen basaal lactaatgehalte alsook een meer uitgesproken lactaatstijging in de
visuele cortex van MA patiënten tijdens visuele stimulatie in vergelijking met controles [64, 80].
-
12
Enkele MRS-studies demonstreerden deze lactaatverschillen tussen migraine patiënten en controles,
echter specifiek onderzoek naar de subgroep van patiënten met migraine zonder aura, de meest
voorkomende vorm van migraine, is schaars.
-
13
2. MAGNETISCHE RESONANTIE SPECTROSCOPIE EN MIGRAINE
2.1 Principe van MRI en MRS [10, 29]
MRI (Magnetische Resonantie Imaging), NMR (Nucleaire Magnetische Resonantie), of kortweg MR
(Magnetische Resonantie) genoemd, is een veelgebruikte beeldvormingstechniek met een uitstekend
contrast oplossend vermogen. In tegenstelling tot röntgen- en Computed Tomography (CT)-beelden
die vlak zijn en een povere contrastresolutie hebben, kan men met MRI sneden maken in drie vlakken
(sagittaal, coronaal, transversaal) en hieruit anatomische 3D-reconstructies opbouwen aan de hand van
gesofisticeerde software gebaseerd op het wiskundige principe van de Fourrier transformatie (figuur 1).
Ook kan men de MR-parameters aanpassen om een optimale pulssequentie te bekomen voor het
opsporen van een welbepaalde pathologie.
Figuur 1. MRI 3D reconstructie van het hoofd. Bron: www.brainblogger.com
Het grote voordeel van MR is de afwezige stralingsbelasting voor de patiënt en de mogelijkheid tot
multiplanaire beeldvorming met een superieure beeldkwaliteit. De nadelen van MR zijn de hoge
kostprijs en de lange onderzoekstijd, bovendien moet men rekening houden met metaalartefacten en
eventuele claustrofobie bij de patiënt. Contra-indicaties voor MR zijn de aanwezigheid van ijzer- en
nikkelhoudende voorwerpen, elektrische/magnetische/electromagnetische toestellen/implantaten en
zwangere vrouwen in de eerste drie maanden van de zwangerschap. Relatieve contra-indicaties zijn:
orthopedische implantaten, extracraniële vaatclips, MR-compatibele implantaten.
Een MR-scanner bestaat uit een beweegbare tafel waarop de patiënt plaatsneemt, deze wordt in een
holle cilindrische magneettunnel (bore) geschoven, die instaat voor het opwekken van een magnetisch
veld (tussen 0,5 en 7 tesla). Het magnetisch veld wordt opgewekt door een elektrische stroom
doorheen een supergeleidende spoel te sturen. Deze draadlus wordt gedompeld in een cryogeen,
Helium, om de elektrische weerstand te minimaliseren (figuur 2).
http://nl.wikipedia.org/wiki/Magnetismehttp://nl.wikipedia.org/wiki/Magnetismehttp://nl.wikipedia.org/wiki/Tesla_(eenheid)
-
14
Figuur 2. Doorsnede van een MR scanner. Bron: www.telescript.denayer.wenk.be
De MRI techniek is gebaseerd op de specifieke eigenschappen van nuclei in het lichaam (1H,
31P,…),
gekenmerkt door drie parameters: lading, massa en spin (figuur 3). Elk kern wordt gekenmerkt door
een gyromagnetische verhouding (γ) die specifiek en constant is voor dit element. De gyromagnetische
verhouding van waterstof bedraagt 42.58MHz/T.
Figuur 3. Een rondspinnend (pijl naar rechts) geladen partikel zoals bijvoorbeeld waterstof (1H) genereert een
magnetisch veld (pijl naar boven). Bron: www.umkcradres.org
Enkel atomen met ongepaarde spin kunnen gebruikt worden voor MR-beeldvorming. Men maakt
meestal gebruik van waterstof (1H), het meest voorkomende atoom in ons lichaam. De nuclei worden
door het aanbrengen van een extern magnetisch veld (B0) georiënteerd volgens (lage energie
configuratie) of tegengesteld aan (hoge energieconfiguratie) de richting van dit veld (figuur 4).
Figuur 4. De applicatie van een extern magnetisch veld doet de protonen alligneren volgens B0 (hetzij naar boven,
hetzij naar onder). Bron: www.radiographics.rsna.org
http://www.telescript.denayer.wenk.be/http://www.umkcradres.org/http://www.radiographics.rsna.org/
-
15
Alle spins richten zich volgens B0 waardoor de netto magnetisatie (M0) eveneens volgens B0 is
georiënteerd. Deze netto magnetisatie wordt gekenmerkt door een resonantiefrequentie, de
Larmorfrequentie genaamd. Deze Larmorfrequentie is het product van de gyromagnetische verhouding
met de veldsterkte van het externe magnetische veld.
ω = − γB
Vervolgens wordt er een RF-puls (radiofrequente puls) aangelegd met dezelfde frequentie als de
Larmorfrequentie en deze brengt M0 in een vlak dat loodrecht staat op B0 (Y- richting op figuur 5). Dit
proces wordt de excitatie genoemd en resulteert in een transversale magnetisatievector (Mxy).
Figuur 5. Excitatie. Het aanleggen van de RF puls (RF, blauwe lijnen) met de Larmorfrequentie roteert M0 over 90°,
van de Z-as (uitgangspositie) naar de Y-as en dus loodrecht op B0. Bron: www.mri-physics.net
Aangezien er in de natuur gestreefd wordt naar een minimale energie-inhoud keren de geëxciteerde
protonen terug naar hun uitgangspositie (evenwichtstoestand: M0) en hierbij zenden ze een RF-golf uit
(figuur 6).
http://www.mri-physics.c/
-
16
Figuur 6. Relaxatie. Als de RF excitatie puls stopt, dan zal de netto magnetisatie vector (rode pijl verticaal) langs de
Z-as groeien (stappen 1-2-3) met afgifte van een radiofrequente puls (RF, blauwe lijnen), tot aan de beginpositie (stap
4). Bron: www.mri-physics.net
Dit proces wordt de relaxatie genoemd en komt tot stand op twee manieren: de T1 en T2 relaxatie. T1
(longitudinale) relaxatie is de spin-rooster relaxatieconstante en wordt gedefinieerd als de tijd die de
longitudinale magnetisatie (Mz) nodig heeft om 63% van de oorspronkelijke waarde te bereiken
(figuur 7).
Figuur 7. T1 relaxatie. T1 (longitudinale relaxatie) is de spin-rooster relaxatieconstante en wordt gedefinieerd als de
tijd die de longitudinale magnetisatie (Mz) nodig heeft om 63% van de oorspronkelijke waarde te bereiken. Bron:
www.mri-physics.net
T2 (transversale) relaxatie is de spin-spin relaxatieconstante en is gedefinieerd als de tijd die nodig is
voor de transversale magnetisatie (Mxy) om tot 37% van de originele waarde te defaseren (figuur 8 en
9).
http://www.mri-physics./http://www.mri-physics.net/
-
17
Figuur 8. T2 relaxatie. T2 (transversale) relaxatie is de spin-spin relaxatieconstante en is gedefinieerd als de tijd die
nodig is voor de transversale magnetisatie (Mxy) om tot 37% van de originele waarde te defaseren. Bron: www.mri-
physics.net
Figuur 9. T2 relaxatie. Meteen na de RF puls zijn alle spins nog coherent (allen in fase-stap A), nadien beginnen ze te
defaseren (stappen B-C-D) tot ze volledig incoherent rondspinnen (allen uit fase-stap E), dit is de T2 relaxatie.
Bron: www.mri-physics.com
De T2 relaxatie (transverse relaxatie) is een proces dat gekenmerkt wordt door defasering: initieel
bestaat er een grote fasecoherentie die vervolgens snel afneemt en hierbij kan men de uitgezonden
radiofrequente golf, het Free Induction Decay (FID) signaal, opvangen (figuur 10). Zo kan men T1-
gewogen beelden maken waarbij liquor- en waterrijke structuren donker kleuren en T2-gewogen
beelden waarbij deze eerder wit kleuren.
http://www.mri-physics./http://www.mri-physics./http://www.mri-physics.com/
-
18
Figuur 10. Het Free Induction Decay signaal (FID). T2 relaxatie is een verval proces, de fase- coherentie is groot in het
begin, maar neemt snel af: het ontvangen signaal is sterk in het begin (tijdstip 0 op de grafiek) maar neemt snel af tot
de FID uiteindelijk 0 is . De duur van dit proces noemt men de relaxatietijd. Bron: www.mri-physics.net
Bij de spin echo sequentie wordt na de 90° puls een tweede RF-puls gegeven, een 180° puls. Deze puls
herstelt de fasecoherentie van de spins, het signaal dat dan ontstaat is een echo. De tijd tussen de twee
90° excitatiepulsen is de repetitietijd (TR) en de tijd tussen de 90°excitatiepuls en de echo is de
echotijd (TE) (figuur 11).
Figuur 11. Pulssequentie diagram spin echo sequentie. De tijd tussen de twee 90° excitatiepulsen is de repetitietijd (TR)
en de tijd tussen de 90°excitatiepuls en de echo is de echotijd (TE). Bron: www.mri-physics.net
Magnetische resonantie spectroscopie (MRS) is een MR-toepassing die gebruikt wordt om op een
niet-invasieve manier metabole informatie van een weefsel te achterhalen. De meest gebruikte MRS
toepassing betreft de diagnostiek van centraal zenuwstelsel aandoeningen: hersentumoren, diffuse
hersenschade, encefalopathieën en metabole aandoeningen. 1H-MRS is omwille van de overvloed aan
waterstof in het lichaam de meest gehanteerde techniek. Het opgevangen signaal wordt aan de hand
van een Fourrier transformatie omgezet van het tijdsdomein naar het frequentiedomein, resulterend in
een spectrum (figuur 12). Met behulp van deze techniek kunnen metabolieten zoals N-acetyl-aspartaat
(NAA), choline (Cho), creatine (Cr) en lactaat (lac) gemeten worden.
http://www.mri-physics.net/http://www.mri-physics.net/
-
19
Figuur 12. Voorbeeld van een MRS spectrum. Van rechts naar links: lactaat (lac) op 1.31 ppm, N-acetylaspartaat
(NAA) op 2.01 ppm, creatine 1 (Cr1) op 3.03 ppm, myoinositol (mI) op 3.50 ppm, choline (chol) op 3.19 ppm, creatine
2 (Cr2) op 3.90 ppm. Ppm=parts per million. Bron: Department of Radiology and Nuclear Medicine, Ghent Institute
for Functional and Metabolic Imaging, Ghent University.
Lactaat heeft een doublet (dubbele piek) structuur, zichtbaar op 1.31 ppm (figuur 13). Lactaat is
normaalgezien niet rijkelijk aanwezig in gezonde weefsels en is een merker van anaërobe glycolyse.
Als lactaat overmatig aanwezig is in weefsels duidt dit op een pathologie bijvoorbeeld hoge
lactaatgehaltes in de hersenen van MELAS patiënten, of zoals dit onderzoek tracht te achterhalen;
eventueel gestegen lactaatgehaltes in de hersenen van migrainepatiënten. De klinische toepassingen
van de andere metabolieten en hun resonantiefrequenties staan samengevat in tabel 1.
Figuur 13. Voorbeeld van een lactaatdoublet. Bron: Department of Radiology and Nuclear Medicine, Ghent Institute
for Functional and Metabolic Imaging, Ghent University.
-
20
Tabel 1. Metabolieten in het MRS spectrum, hun klinische betekenis en resonantiefrequentie. Bron: [60]
De oppervlakte onder de curve is recht evenredig met de concentratie van de metaboliet. Zoals reeds
eerder vermeld resoneren de spins van de nuclei aan een bepaalde frequentie, de Larmorfrequentie, in
het magnetisch veld. De verschillende 1H nuclei worden gekenmerkt door verschillende
elektronendensiteiten omwille van hun geassocieerde bindingen, zo ondervinden ze onderling een
variërende B0. Bijgevolg vertonen deze nuclei een verschillende resonantiefrequentie en zijn ze op
verschillende frequenties in het spectrum te zien. Het verschil in resonantiefrequentie (uitgedrukt in
Hz) tussen twee types nuclei is afhankelijk van de veldsterkte.
De „chemical shift‟ (δ) van een nucleus is het verschil tussen de resonantiefrequentie van de nucleus
en de referentiefrequentie, en is bijgevolg onafhankelijk van de veldsterkte (uitgedrukt in ppm):
= ( - REF) x106 / REF
Een probleem bij
1H-MRS is het concentratieverschil in protonen tussen water en vetten enerzijds en
metabolieten anderzijds. Het water- en eventueel het vetsignaal moet onderdrukt worden indien we
signalen van welbepaalde metabolieten in het spectrum wensen te onderscheiden en, in dit onderzoek,
absoluut te kwantificeren.
-
21
2.2 MRS en migraine
MRS is een populaire methode in het onderzoek naar de fysiopathologie van migraine, voornamelijk
1H-MRS en
31P-MRS.
Bij 31
P-MRS experimenten concentreert men zich op de concentraties aan PCr, anorganisch fosfaat
(Pi), adenosinedifosfaat (ADP), ATP, magnesium (Mg), en de veranderingen in het pH gehalte. Welch
et al. (1989) observeerden het ictale hersenmetabolisme van MA en MO patiënten, zij rapporteerden
dat tijdens een migraineaanval het mol% ATP (ATP/totaal fosfaat signaal) gelijk bleef en het mol%
PCr (PCr/totaal fosfaat signaal) alsook het mol% Pi (Pi/totaal fosfaat signaal) stegen [83]. Ondanks de
aanwijzingen voor het bestaan van een kortsluiting in de energievoorziening van de hersenen van
migrainepatiënten, waardoor men een ictale hersenacidose zou verwachten, slaagde onderzoek er niet
in een significant pH verschil tussen migrainepatiënten en controles aan te tonen [82, 83]. Barbiroli et
al. (1990, 1992) beschreven een laag PCr, een hoog ADP gehalte en een lage fosforylatiepotentiaal bij
MA patiënten tijdens de interictale periode [3, 4]. Deze bevindingen werden ook in andere migraine
studies beschreven alsook de hypothese dat een mitochondriaal probleem mogelijks aan de basis ligt
van de aandoening [57].
Bij 1H-MRS experimenten in migraine concentreert men zich voornamelijk op de dynamiek van
lactaat en NAA tijdens visuele stimulatie. Het onderwerpen van migrainepatiënten aan visuele
stimulatie zou volgens sommige studies een metabole belasting met lactaataccumulatie veroorzaken,
die suggestief is voor een onderliggende mitochondriale dysfunctie. Het toedienen van visuele
stimulatie (photic stimulation: PS) zou bij gezonde controles een significante stijging in het
lactaatgehalte veroorzaken in de occipitale cortex, waarbij deze gradueel terug afneemt bij
aangehouden PS [35, 43, 55, 65]. Hiertegenover staat dat andere onderzoeksgroepen geen significante
lactaatstijging beschrijven bij PS [8, 64] of zelfs een lactaatdaling beschrijven in de eerste seconden
van PS [41].
In een tweetal studies vertoonden MA-patiënten een hoger basaal lactaatgehalte alsook een
proportioneel hogere lactaatstijging in respons op visuele stimulatie in vergelijking met controles [64,
80]. Gelijkaardige studies betreffende MO zijn schaars en beschrijven voornamelijk relatieve
kwantificatie [66]. Bij MO patiënten werden er geen significante verschillen in het basaal
lactaatgehalte gevonden in vergelijking met controles [57] . Visuele stimulatie zou bij MO patiënten
een subtiele lactaatstijging teweegbrengen, die mogelijks niet significant groter is dan die gemeten bij
controles [66]. Het is deze stelling die nader wordt onderzocht in het verdere bestek van deze thesis.
-
22
2.3 Lactaat
Hoewel de hersenen slechts 2-3% van het lichaamsgewicht uitmaken, verbruiken ze toch één vierde
van het totale glucosegehalte. Het basaal metabolisme van de hersenen is hoog waarbij de meeste
energie naar de glutamaterge neurotransmissie gaat: 80-90% van alle cerebrale corticale synapsen zijn
glutamaterg [73]. Deze energie wordt voornamelijk gebruikt om de ionengradiënten te
onderhouden/herstellen. De NA+/K
+-ATP pomp vervult hierbij een belangrijke rol en maakt ongeveer
80% van de ATP consumptie uit [52].
De energievoorziening van de hersenen in rust is voornamelijk aëroob met glucose als belangrijkste
energiesubstraat voor de ATP-synthese (conventionele hypothese: figuur 14) . De hersenen hebben
slechts een beperkte glucosereserve onder de vorm van glycogeen en deze is voornamelijk opgeslagen
in de astrocyten [79]. Glucose wordt door de GLUT-transporter doorheen de bloed-hersen barrière
geloodst en opgenomen in neuronen en astrocyten. Glucose wordt nadien omgezet in glucose-6-fosfaat
(G-6-P) door hexokinase en neemt deel aan de glycolyse, pentose-fosfaat-pathway en glycogenolyse
in de astrocyten [84]. Bij de glycolyse in het cytosol wordt G-6-P omgezet tot pyruvaat, deze neemt
vervolgens deel aan de Krebs cyclus en de oxidatieve fosforylatie in het mitochondrion [52]. Het
eindresultaat is de productie van 38 moleculen ATP (waarvan er 2 afgeleverd werden door de
glycolyse en de overige 36 door de oxidatieve fosforylatie) uit 1 molecule glucose met een zuurstof-
glucose ratio van 6 [52].
-
23
Figuur 14. Conventionele hypothese. (1) Bij neuronale activiteit ontstaat er een depolarisatie in het neuron door de
influx van Na+ en de efflux van K+. (2) De Na+/K+-ATPase wordt geactiveerd leidend tot een verhoogd ADP, AMP en
Pi en een verminderd ATP. (3a) Activatie van de glycolyse: glucose wordt omgezet naar pyruvaat. (3b) Activatie van
de Krebs-cyclus (TCA cycle) en de mitochondriale oxidative fosforylatie (OP). (4a+b) ATP productie. (5) Activatie
van de glycolyse verlaagt het glucosegehalte en dit leidt tot (6) activatie van de GLUT-3-glucosetransporter met influx
van glucose in het neuron. De vetgedrukte pijl wijst erop dat in de conventionele hypothese neuronen glucose
metaboliseren tot pyruvaat. Pyruvaat zal dan deelnemen aan de Krebs-cyclus en het geproduceerde ATP wordt
gebruikt om het Na+/K+-evenwicht te herstellen via de Na+/K+-ATPase. Snelle toename van de glycolyse resulteert in
een gestegen NADH/NAD+,H+, en cytoplasmatisch pyruvaat. Deze veranderingen drijven de lactaatdehydrogenase-
1(LDH-1)-reactie naar lactaatproductie. Deze factoren pleiten tegen het gebruik van lactaat uit de gliacellen. In
astrocyten activeert de influx van Na+ en glutamaat het oxidatieve glucosemetabolisme die ATP voorziet om het
Na+/K+ evenwicht te herstellen en glutamine te synthetiseren. Bron: [13]
Een aantal studies werden gepubliceerd die een nieuwe theorie inzake energievoorziening van het
neuron beschrijven. Deze theorie stelt dat neuronen eerder lactaat dan glucose zouden gebruiken
tijdens activatie: de astrocyte-neuron lactate shuttle hypothesis (ANLSH : figuur 15). Astrocyten zijn
een subtype van neurogliacellen, steuncellen van het zenuwweefsel. Ze hebben uitlopers omheen
capillairen en neuronen en vormen door middel van gap junctions een syncytium met andere
astrocyten. Ze hebben verscheidene functies (hoewel deze nog niet allemaal zijn opgehelderd) zoals
het verwijderen van neurotransmitters uit de synaptische spleet, de ionenhuishouding en de
ontwikkeling en herstel van neuronale componenten [33]. De ANLS hypothese [19, 24, 53, 77] stelt
dat neuronale activatie het extracellulaire glutamaat verhoogt en dat deze opgenomen wordt in de
astrocyt met behulp van de glutamaattransporter. In de astrocyt zorgt het glutamaat voor een activatie
van het enzym glutamine synthetase en hierbij wordt de anaërobe glycolyse gestimuleerd met de
omzetting van glucose naar lactaat. Lactaat wordt dan naar het neuron getransporteerd en daar gebruikt
als brandstof voor de activiteit.
-
24
Figuur 15. Astrocyte-neuron lactate shuttle hypothesis (ANLSH). (1)De opname van glutamaat en Na+ in de gliacel
via de glutamaattransporter.(2a+b) activatie van de Na+/K+- ATPase en glutamine synthase in de gliacel leidend tot
een verhoogd ADP, AMP en Pi en een verminderd ATP. (3) Dit activeert uitsluitend de anaërobe glycolyse met (4)
productie van lactaat die dan getransporteerd wordt over de gliale membraan naar de extracellulaire ruimte en via
zijn concentratiegradiënt naar het neuron. (5) Lactaat wordt dan via LDH-1 omgezet naar pyruvaat. (6) Pyruvaat
neemt deel aan de Krebs-cyclus met productie van ATP via oxidatieve fosforylatie. De vetgedrukte pijl wijst erop dat
lactaat van de gliale glycolyse de oxidatieve fosforylatie in de neuronen aandrijft. Het gedaalde glucosegehalte in de
gliacel wordt aangevuld via de GLUT-1-transporter uit het bloed en de extracellulaire ruimte. De ANLSH stelt dat de
ATP nodig voor het naar buiten brengen van 3 Na+ moleculen en het naar binnen brengen van 1 glutamaat molecule
precies aangevuld worden door de 2 ATP molecules geproduceerd door de anaërobe glycolyse van 1 glucose molecule.
De activiteitsgerelateerde toename van de anaërobe glycolyse is overeenkomstig met de toename aan ‘glutamate
cycling’. Bron: [13]
Bewijzen die het ANLS model ondersteunen:
Morgello et al (1995) toonden aan dat glucose transporters (GLUT-1) aanwezig zijn in
astrocyten en het endotheel van de bloed-hersenbarrière [49].
Pellerin et al (1998) toonden aan dat neuronen vooral lactaatdehydrogenase-1(LDH-1) tot
expressie brengen en astrocyten vooral LDH-5, deze bevindingen kunnen erop wijzen dat
lactaat geproduceerd wordt in de astrocyten en verbruikt wordt in de neuronen [53].
Sibson et al (1997) beschreven dat de stoichiometrie tussen het oxidatief
glucosemetabolisme en de glutamaat-neurotransmitter cyclus een verhouding heeft van
ongeveer 1:1. Dit is suggestief voor een nauwe koppeling tussen het neuronale
metabolisme en de recyclage van glutamine uit de astrocyten [72].
Bliss en Sapolsky (2001) postuleerden dat lactaat mogelijks voordelen biedt als
energiesubstraat in de omstandigheden waarbij het naar pyruvaat wordt omgezet in de
afwezigheid van ATP [6].
-
25
Bewijzen die het conventionele model ondersteunen:
Dienel en Herz (2001) beschreven dat er menige onduidelijkheden bestaan inzake de
lactaat loslating in celculturen, dat er aanduidingen bestaan voor een oxidatief glucose
metabolisme in de astrocyt tijdens de activatie en dat de lactaatopname in de neuronen en
astrocyten tijdens activatie zeer traag gebeurt [19].
Chih et al (2001) menen dat het aantonen van LDH-1/LDH-5 expressie in
neuronen/astrocyten onvoldoende is om te kunnen besluiten dat lactaat geproduceerd
wordt in astrocyten en vervolgens geconsumeerd wordt in neuronen. Neuronen hebben
GLUT-3-receptoren die sneller en efficiënter werken dan de astrocytaire receptoren en dit
pleit tegen de preferentiële opname van glucose in de astrocyt. [13]
Takahashi et al (1995) beschrijven de afwezigheid van een astrocytaire metabole respons
op een toegenomen hoeveelheid aan neuronale activiteitsindicatoren zoals kalium [74].
Gjedde et al.(2001) toonden aan dat tijdens aangehouden stimulatie neuronen eerder
pyruvaat gebruiken afkomstig van neuronale-, en niet astrocytaire glycolyse [23].
Mangia et al. (2003) beschrijven een gedaald lactaatgehalte in de beginfase van PS [41].
Alhoewel er duidelijk lactaat wordt geproduceerd tijdens neuronale activiteit, en neuronen dit kunnen
gebruiken als energiebron, faalden studies er dus tot nu toe in te bewijzen dat neuronen gliaal
geproduceerd lactaat als hun hoofdenergiebron gebruiken tijdens activiteit, zoals voorgesteld door de
ANLSH [13].
Lactaat is een indicator van anaërobe glycolyse en kan aangetoond worden met MRS. Gestegen
lactaatgehaltes zouden kunnen wijzen op een mitochondriale dysfunctie, maar ze zouden echter ook
kunnen kaderen binnen een breed spectrum van de normale fysiologie. Studies tonen immers aan dat
lactaat ook in aërobe omstandigheden geproduceerd wordt in de visuele cortex bij PS [39] en dat bij
hersenactivatie de zuurstof-glucose ratio afneemt, een aanwijzing dat de hersenen partieel gebruik
maken van anaërobe glycolyse [28]. Deze bevindingen sluiten aan bij bevindingen van voorgenoemd
MR spectroscopisch onderzoek inzake gestegen lactaatgehaltes bij hersenactivatie [35, 43, 55, 65] en
metingen van extracellulair lactaat met microdialyse [40]. Zie tabel 2 voor een overzicht van een
aantal belangrijke studies betreffende de dynamiek van lactaat in de visuele cortex van gezonde
proefpersonen tijdens visuele stimulatie. Zie tabel 3 voor een overzicht van een aantal belangrijke
studies betreffende basale lactaatgehaltes en de dynamiek van lactaat tijdens visuele stimulatie bij
migrainepatiënten.
-
26
Referentie Visuele
stimulatie
Veld -
sterkte
Proefpersonen Bevindingen
[55]
Prichard
1991
Flitsend rood
licht (bril)
16 Hz
2.1 T 5 gezonde
vrijwilligers
Lactaat stijging met 0.3-0.9 mM in de eerste 6
minuten van visuele stimulatie, nadien opnieuw
daling naar het basale lactaatgehalte.
[46]
Merboldt
1992
Flitsend Rood
licht
4-16 Hz
2 T 48 gezonde
vrijwilligers
Basale lactaatgehaltes vertoonden belangrijke
inter-individuele verschillen, gaande van niet te
detecteren tot 1 mM. Er werden geen
consistente lactaatveranderingen vastgesteld
tijdens de visuele stimulatie: zowel stijging,
daling als het constant blijven van het
lactaatgehalte werden geobserveerd.
[65]
Sappey-
Marinier
1992
Zwart/wit
schaakbord
2 Hz
2 T 6 gezonde
vrijwilligers
Lactaat 2.5 keer hoger in de eerste 6.4 minuten
van visuele stimulatie. Nadien opnieuw daling
naar het basale lactaatgehalte.
[35]
Kuwabara
1994
Flitsend licht
10 Hz
1.5 T 7 gezonde
vrijwilligers
Lactaat verdubbeling meteen na de start van de
visuele stimulatie, bij aangehouden stimulatie
opnieuw daling naar het basale lactaatgehalte.
[21]
Frahm
1996
Flitsend licht
10 Hz
2 T 25 gezonde
vrijwilligers
Lactaat stijging van 0.38 mM naar 0.64 mM in
de eerste 2.5 minuten van de visuele stimulatie.
[41]
Mangia
2003
Alternerende
zwarte/witte
strepen
6 Hz
1.5 T 5 gezonde
vrijwilligers
Lactaat daling in de eerste 5 seconden van
visuele stimulatie, om nadien terug te stijgen tot
het basale lactaatgehalte op 12 seconden.
[39]
Maddock
2006
Alternerend
schaakbord
8 Hz
1.5 T 6 gezonde
vrijwilligers
Lactaat stijging tijdens de tweede minuut van
visuele stimulatie, om dan constant te blijven
gedurende de volgende 9 minuten. Na het
stopzetten van de visuele stimulatie opnieuw
daling naar het basale lactaatgehalte.
[43]
Mangia
2007
Alternerend
rood/zwart
schaakbord
8 Hz
7 T 12 gezonde
vrijwilligers
Lactaat stijging van 23% tijdens de eerste
minuut van visuele stimulatie om dan een
steady state level te bereiken en te dalen naar
het basisgehalte bij het beëindigen van de
visuele stimulatie.
Tabel 2. 1H-MRS studies betreffende de dynamiek van lactaat tijdens visuele stimulatie bij gezonde proefpersonen.
-
27
Referentie Visuele
stimulatie
Veld -
sterkte
Proefpersonen Bevindingen
[80]
Watanabe
1996
Geen 1.5 T 6 gezonde
vrijwilligers en 6
migraine-
patiënten1
Verhoogde lactaatgehaltes in de visuele cortex
bij de 5 migrainepatiënten die in de voorgaande
2 maand een migraine aanval hadden
ondervonden. Afwezige lactaatpiek bij de
migrainepatiënt die reeds 4 jaar aanvalsvrij was.
[64]
Sandor
2005
Alternerend
geel/blauw
schaakbord
8 Hz
1.5 T 11 gezonde
vrijwilligers, 5
MA patiënten en
5 MA+2 patiënten
Bij MA patiënten is het basaal lactaatgehalte
verhoogd, zonder verdere toename tijdens PS.
Bij MA+ patiënten vond men geen verhoogd
basaal lactaatgehalte maar wel een
lactaatstijging tijdens de 14e minuut van de
visuele stimulatie, om nadien opnieuw af te
nemen.
[66]
Sarchielli
2005
Flitsend rood
licht (bril)
8 Hz
1.5 T 10 gezonde
vrijwilligers, 22
MA patiënten, 22
MO patiënten
Milde lactaat stijging bij MA patiënten tijdens
visuele stimulatie. Nadien opnieuw daling naar
het basale lactaatgehalte.
[27]
Grimaldi
2009
Geen 1.5 T 4 FHM2 patiënten Mild gestegen lactaatgehalte interictaal bij één
van de vier FHM2 patiënten.
Tabel 3. 1H-MRS studies betreffende lactaat bij migrainepatiënten: de basale lactaatgehalten en de dynamiek van
lactaat bij visuele stimulatie.
1 3 MA patiënten,1 migraine met verlengde aura (MwpA) patiënt,1 patiënt met een migraineus infarct
en 1 patiënt met basilaire migraine. 2 MA+: migraine met zowel visuele, somatosensorische, dysfatische en/of paretische aura.
-
28
Methodologie
1. Doel van de studie
De opzet van deze studie was het uitvoeren van een 3T-1H-MRS studie met twintig MO patiënten en
twintig controlepersonen. De deelnemers kregen een MR-compatibele bril opgezet waardoor men een
visuele stimulus kon waarnemen. Deze stimulus bestond uit een alternerend zwart-wit schaakbord dat
gedurende 12 minuten werd geprojecteerd aan een frequentie van 8 Hz (waarbij 1 Hz equivalent is aan
de omzetting zwart-wit). Tijdens het experiment werden metingen verricht in de visuele cortex die
vervolgens omgezet werden in spectra met nadien een relatieve en absolute kwantificatie van de
metabolieten. Op basis van dit onderzoek kunnen we vergelijken of er metabole verschillen optreden
tussen migrainepatiënten en controlepersonen, alsook of er verschillen zijn met de spectra waarbij
geen stimulus werd gegeven. Er werd vooral nadruk gelegd op het vinden van lactaatverschillen.
2. Proefpersonen
Twintig MO patiënten (31.9 ± 9.1 jaar, 3 mannen) en twintig twintig leeftijds- en geslacht
gecorreleerde controlepersonen (31.9 ± 10.3 jaar, 3 mannen) werden bestudeerd. Migraine patiënten
werden gerekruteerd via de hoofdpijnraadpleging van de dienst neurologie van het UZ Gent, onder het
toezicht van Prof. Dr. K. Paemeleire. De patiënten werden geselecteerd aan de hand van de IHS
criteria voor migraine zonder aura. De patiënten ondervonden gemiddeld 3.6 ± 1.1 aanvallen per
maand. Er werd nagegaan dat zowel de proefpersonen als de migrainepatiënten voldeden aan de
inclusiecriteria:
migraine zonder aura: ten minste 1 jaar, aanvang vóór de leeftijd van 50 jaar
geen preventieve behandeling voor migraine
aanvalsfrequentie: minstens 2 keer per maand (bij voorkeur 2-4 aanvallen per maand,
maximaal 15 hoofdpijndagen per maand)
leeftijd: 18-60 jaar
M/V
Er werd nagegaan of de patiënten 48 uur aanvalsvrij waren voor de test en wanneer de volgende
migraineaanval zich manifesteerde na de test (via mail). Deze studie werd goedgekeurd door het
ethisch comité en alle deelnemers tekenden een informed consent formulier.
Zie appendix B voor de rekruteringsaffiche met de in- en exclusiecriteria alsook appendix C voor de
MR-compatibiliteitsfiche.
-
29
3. 1H-MRS en visuele stimulatie
De metingen werden verricht met een 3T Siemens Trio Tim whole-body scanner ( Erlangen, Duitsland)
waarbij een (31
P-1H) multinucleaire volumespoel (Rapid Biomedical, Würzburg-Rimpar, Duitsland)
met een diameter van 26.5 cm gebruikt werd. Spectra werden verworven aan de hand van een PRESS-
sequentie (single voxel point-resolved spin echo sequence) met CHESS (chemical-shift-selective)
water suppressie. Vóór de meting werd het B0-veld „geshimd‟. Shimmen is een iteratief proces waarbij
kleine stroompjes geïnduceerd worden in zogenaamde „shim-coils‟ met als doel een homogeen B0-
veld te creëren.
De volume of interest (VOI) werd in de primaire visuele cortex geplaatst ter hoogt van Brodmann area
17, gecentreerd rond de calcariene fissuur (figuur 1).
Figuur 1. Illustratie visuele cortex. Primaire visuele cortex V1 (Brodmann area 17) en de secundaire visuele cortex V2 (area 18).
Telkens werden 64 water-gesupprimeerde spectra (TE=288 ms, TR=2,000 ms, 8 averages)
opgenomen alsook 10 water-ongesupprimeerde spectra met verschillende TE waarden (30, 50, 70, 90,
110, 150, 200, 300, 500, 1000ms, TR=10,000ms, 1 average). De totale duur van het experiment
bedroeg 40 min.
Visuele stimulatie werd toegepast met behulp van een MR-compatibele bril die een alternerend zwart-
wit schaakbord projecteerde aan een frequentie van 8 Hz . De personen werden gevraagd hun blik te
fixeren op het rode kruisje in het midden van het schaakbord (figuur 2).
Figuur 2. Illustratie schaakbord en controlestatus.
-
30
De controlestatus bestond uit een zwart scherm met een rood kruisje in het midden. Het paradigma
bestond uit 6‟24” controlestatus (16 spectra), 12‟48” visuele stimulatie (32 spectra) en opnieuw 6‟24”
controlestatus (16 spectra) (figuur 3).
Figuur 3. Illustratie experimentverloop. Het paradigma bestond uit 6’24” controlestatus (16 spectra), 12’48” visuele stimulatie (32 spectra) en opnieuw 6’24” controlestatus (16 spectra).
Een fantoomexperiment (een model om de in vivo situatie na te bootsen) werd uitgevoerd om het 1H-
MRS protocol te evalueren. Het fantoom was een plastic sferisch fles met een diameter van 10.4 cm en
bevatte 10mM NAA en 1mM lactaat (figuur 4).
Figuur 4. Illustratie fantoom en fantoomspectrum.
-
31
3.1 Spectrale analyse
Resultaten werden verwerkt met jMRUI (MRS spectra verwerkingssoftware) [50]. Het signaal van
water (afkomstig van het water-ongesupprimeerde spectrum) werd bepaald aan de hand van HLSVD
(Hankel-Lanczos Singular Value Decomposition), een „black box’ (geen gebruikersinput) algoritme.
Water resoneert op de frequentie van 4.7 ppm en is zoals reeds eerder aangehaald in deze thesis zeer
abundant in humaan weefsel (circa 55 M). Metabolietconcentraties zijn typisch in de orde van 1-10
mM (een factor 5000-50000 kleiner). Bijgevolg is het noodzakelijk het watersignaal te supprimeren.
Vaak blijft er na de watersuppressie nog een zeker residu over dat met HLSVD (jMRUI) verder kan
verwijderd worden. De signalen van de te bepalen metabolieten ( Lac, NAA, tCr, cho) werden bepaald
nadat het residuele watersignaal (afkomstig van het water-gesupprimeerde spectrum) verwijderd werd.
Na watersuppressie (van het residu) zijn de signalen van Lac, NAA, tCr en Cho zichtbaar in het
spectrum op de respectievelijke frequenties 1.31, 2.01, 3.03 en 3.19 ppm. Deze spectra werden
gesommeerd per 16 (volgens het paradigma) en vervolgens onderworpen aan een filter (Lorentziaans,
5 Hz) en een fasecorrectie.
Signaalintensiteiten werden bepaald aan de hand van een specifiek algoritme: QUEST (jMRUI)
(figuur 5). Dit algoritme maakt gebruik van een gesimuleerde basisset van metabolieten of van
signalen afkomstig van fantoomexperimenten om de in vivo signalen van Lac, NAA, tCr en Cho te
bepalen. QUEST is dus in tegenstelling tot HLSVD geen „black box‟ methode maar vergt input van de
gebruiker. Essentieel bij deze methode is dat de gesimuleerde signalen tot stand gekomen zijn met
dezelfde MR-parameters (TE=288 ms, PRESS) als in vivo.
Figuur 5. Illustratie QUEST toepassing. De QUEST signaalamplitude wordt uitgedrukt in arbitrary units (AU).
Een uitvoerige uiteenzetting over signaalverwerking en specifiek over HLSVD en QUEST behoort
niet tot het bestek van deze thesis.
-
32
3.2 Kwantificatie
Metabolietratio‟s van NAA/tCr, Cho/tCr, Lac/tCr, Lac/NAA werden berekend aan de hand van de
signaal amplitudes berekend met QUEST. Absolute in vivo concentraties werden berekend aan de
hand van de „fantoomvervangingstechniek‟ (phantom replacement technique), volgens de volgende
vergelijking:
Hierbij corresponderen i met in vivo en r met referentiefantoom, [C] is de metabolietconcentratie, de
NAA metaboliet concentratie [Cr] in het referentiefantoom correspondeert met 10mM. S is de
signaalsterkte, V is het volume van de voxel waarin het signaal werd gemeten, N is het aantal protonen
dat bijdraagt tot de spectrale resonantie (N=3 voor NAA, tCr en Lac, N=9 voor Cho), cT1 en cT2 zijn
correctiefactoren voor het signaalverlies veroorzaakt door de longitudinale (T1) en transversale
relaxatie (T2), respectievelijk. T is de absolute temperatuur (Ti= 310.16 K in vivo, Tr= 294.16 K in het
fantoom). ρ Is de densiteit van water, Cload is een correctiefactor voor de verschillende spoelladingen
en Ccsf is de correctiefactor voor partiële volume effecten, dit is de fractie van CSF vergeleken met de
fractie water in het hersenparenchym in de VOI. Het volumeratio Vr/Vi kan geschrapt worden uit de
vergelijking aangezien deze volumes dezelfde zijn, namelijk 20x20x20 mm3. Reyngoudt et al. (2010)
berekenden deze correctiefactoren reeds in een voorgaande studie en deze waarden werden opnieuw
gebruikt [57].
3.3 Statistische analyse
De statistische analyse werd uitgevoerd aan de hand van SPSS software (SPSS 15.0 voor Windows).
Beschrijvende statistiek werd uitgevoerd voor leeftijd, geslacht, signaal-ruis-verhouding (SNR),
signaalamplitudes, metabolietratio‟s en absolute metabolietconcentraties. Om te bepalen of er
verschillen waren in metabolietratio‟s en absolute concentraties tussen de groepen (MO patiënten en
controles) en tussen de verschillende condities (voor, tijdens en na PS), werd een repeated measures
ANOVA (analysis of variance) toegepast. Hierbij werd de conditie als intra-individuele variatie en de
groep als interindividuele variatie genomen. Gelijkheid van variantie werd onderzocht aan de hand van
de Levene‟s test en de normaaldistributie van de data werd getoetst aan de hand van de Kolmogorov-
Smirnov test. Resultaten werden als significant beschouwd indien p
-
33
Resultaten
1. Kwaliteit van het in vivo spectrum
1.1 Fitting (specificiteit)
Er bestaat een inherente variatie in het QUEST-algoritme per signaal. Er is dus een onzekerheid in te
calculeren wat betreft de fitting van de signaalamplitudes door het QUEST-algoritme: bij de fitting
van elke piek bestaat er een zekere standaardafwijking. Tabel 1 beschrijft de variatiecoëfficiënt (CV)
van het QUEST-algoritme voor iedere metaboliet.
Cho tCr Lac NAA
Controles 8.07 4.30 23.25 1.93
MO patiënten 7.82 4.32 21.61 1.89
Tabel 1. Variatiecoëfficiënten (%) van de metabolieten met het QUEST-algoritme. Alle waarden zijn gemiddelden van
20 controles en 20 patiënten.
Uit tabel 1 blijkt dat deze variatiecoëfficient het grootste is voor lactaat en het kleinste voor NAA. Dit
wil dus zeggen dat het QUEST algoritme de NAA piek goed fit en de lactaat piek veel minder accuraat,
namelijk met een standaardafwijking die tien maal hoger is als deze van NAA.
1.2 Signaal-ruisverhouding (sensitiviteit)
Van alle datasets werd de signaal-ruisverhouding (SNR) berekend: dit is de verhouding van de
signaalamplitude van de hoogste piek (i.e. NAA) tegenover de standaarddeviatie van de ruis.
SNR ∆SNR (%)
Controles 2.4 ± 0.37 5.2 ± 2.3
MO patiënten 2.4 ± 0.35 5.5 ± 2.5
Tabel 2. SNR en ∆SNR . Alle waarden zijn gemiddelden van 20 controles en 20 patiënten.
Uit tabel 2 blijkt dat de SNR zowel in de controlegroep als in de patiëntengroep identiek is, namelijk
2.4. Ook de standaardafwijking van de SNR is identiek: beide groepen vertonen 15% variatie op de
SNR.
De ∆SNR is de variatie van de SNR tussen de verschillende stappen in het paradigma (voor, tijdens en
na de visuele stimulatie). Deze waarde bedraagt 5.2% in de controlepopulatie en 5.5% in de
patiëntenpopulatie.
-
34
Er zijn dus geen verschillen op vlak van SNR tussen de twee groepen alsook zijn er geen verschillen in
de variatie van de SNR tussen de verschillende paradigmastappen bij de twee groepen. Indien
eventuele metabole verschillen tussen de twee groepen zouden gevonden worden, zijn deze dus niet te
wijten aan SNR variatie.
Het experiment werd uitgevoerd met een lange echotijd (TE=288 ms), hierbij zijn de
signaalamplitudes beduidend minder groot dan bij kortere echotijd (bv TE=30 ms) omwille van de
langere T2-relaxatie. NAA is een goede maatstaf om de SNR van het MR-spectrum in te schatten en
werd daarom gebruikt voor de kwaliteitscontrole van de spectra. Deze piek is minder gevoelig aan de
gereduceerde SNR ten gevolge van de korte TE dan andere metabolieten zoals lactaat, glutamaat,
GABA en myo-inositol en dit ten gevolge van zijn hoge concentratie, langere T2- waarde en
singletstructuur.
2. Signaalamplitudes
2.1 Signaalvariatie in vitro (fantoom)
De variatie van het signaal werd ook getest met behulp van een fantoom, in de veronderstelling dat
vloeistof in dit fantoom niet onderhevig is aan acute metabole veranderingen ten gevolge van de
visuele stimulatie. Om toch identieke omstandigheden als bij voorgaande experimenten te creëren
werd bij het fantoom alsnog visuele stimulatie toegediend.
De NAA signaalvariaties in het fantoom blijven onder de 1%-grens (tabel 3 en figuur 1), dit is niet zo
voor lactaat. Lactaat vertoont grote signaalvariaties (tabel 3 en figuur 2). Lactaat is duidelijk een
wispelturig metaboliet aangezien het een grotere variatie vertoont dan alle andere metabolieten in vitro
(fantoom), alsook in vivo. De redenen voor deze moeilijke kwantificatie van lactaat omvatten de
doubletstructuur, de j-coupling, de lage concentratie in vivo alsook de lage SNR waarmee gemeten
werd.
NAA lactaat
Gemiddelde 25.37 AU 22.61 AU
Standaarddeviatie 0.07 1.04
Variatiecoëfficient 0.28 4.60
Tabel 3. Absolute kwantificatie van NAA en lactaat in het fantoom: gemiddelde (AU), standaarddeviatie en
variatiecoëfficiënt (%). AU=arbitrary units .
-
35
Figuur 1. NAA gehalte (AU) in het fantoom (64 spectra) tijdens visuele stimulatie.
Figuur 2. Lactaatgehalte (AU) in het fantoom (64 spectra) tijdens visuele stimulatie.
2.2 Signaalvariatie in vivo
Totaal Voor-stimulatie Stimulatie-na Na-voor
controles patiënten controles patiënten controles patiënten controles patiënten
NAA 2.9 ± 1.7 3.0 ± 1.1 1.7 ± 3.3 1.3 ± 5.2 -2.5 ± 4.4 -1.4 ± 3.5 -0.8 ± 4.7 -0.3 ± 4.4
tCr 7.3 ± 4.4 7.7 ± 4.1 4.9 ± 14.4 4.5 ± 11.2 -4.9 ± 10.6 -0.5 ± 9.8 -1.4 ± 8.4 3.8 ± 14.1
Cho 11.9 ± 7.9 11.7 ± 7.1 8.1 ± 29.5 -0.3 ± 18.5 -2.4 ± 16.7 1.9 ± 19.5 3.1 ± 22.5 1.8 ± 28.7
Lac 33.4 ± 18.4 29.9 ± 17.2 16.9 ± 53.1 31.4 ± 74.5 7.9 ± 86.4 -5.8 ± 45.5 8.3 ± 55.9 -0.7 ± 42.8
Tabel 4. Signaalvariatie (%) van de metabolieten in vivo in totaal (gemiddelde van de verschillende condities) en
tussen de verschillende condities. Alle waarden zijn gemiddelden van 20 controles en 20 patiënten.
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60 70
Signaalamplitude (AU)
Spectra
NAA
0
5
10
15
20
25
30
0 10 20 30 40 50 60 70
Signaalamplitude (AU)
Spectra
Lactaat
-
36
2.2.1 Variatie in het signaal tijdens het volledige paradigma
Tabel 4 (1e kolom) beschrijft de gemiddelde variatie (%) in signaalamplitude per metaboliet over alle
condities (totaal). Hieruit blijkt dat de signalen van de verschillende stappen van het paradigma (voor,
tijdens en na visuele stimulatie) gelijkaardige variaties vertonen, bij zowel controles als bij patiënten
(geen significante verschillen: p>0.05). NAA beschrijft de kleinste variatie (2.9%) tijdens het
volledige functionele paradigma, voor tCr en Cho daarentegen zijn hogere variaties beschreven
namelijk 7.3% en 11.9% respectievelijk. Lac beschrijft de grootste variatie, deze is 33.4%. Uit de tabel
blijkt ook dat de standaarddeviaties hoog zijn voor alle metabolieten.
2.2.2 Variatie in het signaal tussen de verschillende stappen van het
paradigma
Tabel 4 (2e-3
e-4
e kolom) beschrijft de variatie in signaalamplitude per metaboliet tussen de
verschillende condities (%). Uit de tabel blijkt dat het NAA signaal 1.7% en 1.3% stijgt na stimulatie
tegenover de beginconditie in controles en patiënten respectievelijk. De signaalvariatie van NAA
tussen het voor en stimulatie stadium staan geïllustreerd in figuur 3. Het lactaat signaal stijgt
gemiddeld 16.9% en 31.4% tussen het voor en stimulatie stadium in controles en patiënten
respectievelijk. De signaalvariatie van lactaat tussen het voor en stimulatie stadium staan geïllustreerd
in figuur 4. Voor alle waarden in de tabel gelden echter grote standaardafwijkingen, wat impliceert dat
deze waarden dus niet bruikbaar zijn om een gevalideerde tendens te beschrijven.
Figuur 3. Variatie (%) in het NAA signaal tussen het voor stadium(vóór applicatie van de visuele stimulatie) en het
stimulatie stadium (tijdens applicatie van de visuele stimulatie). De subjecten zijn genummerd van 1 tot 20 (patiënten
en controles).
-20,00-15,00-10,00
-5,000,005,00
10,0015,0020,00
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Sign
aalv
aria
tie
(%
)
Subjecten
NAA: voor- stimulatie
MO patiënten
Controles
-
37
Figuur 4. Variatie (%) in het lactaat signaal tussen het voor stadium (vóór applicatie van de visuele stimulatie) en het
stimulatie stadium (tijdens applicatie van de visuele stimulatie). De subjecten zijn genummerd van 1 tot 20 (patiënten
en controles).
2.2.3 Variatie in het signaal tussen de verschillende stappen van het
paradigma bij controle X
Men zou kunnen stellen dat de hierboven beschreven signaalvariaties het gevolg zijn van het effect
van het functionele paradigma op de signaalamplitudes. Om dit te toetsen, werd hetzelfde protocol
doorlopen in een gezonde vrijwilliger (controle X), zonder toepassing van de visuele stimulatie. Tabel
5 beschrijft de gemiddelde variatie in de signalen bij de twintig controles die wel visuele stimulatie
toegediend kregen en bij controle X die geen visuele stimulatie toegediend kreeg.
De SNR in het experiment met controle X was gemiddeld 2.33 en dus vergelijkbaar met de andere
data. Bij controle X kan er geen invloed van de visuele stimulatie zijn opgetreden, de vastgestelde
variatie is hier dus niet het gevolg van.
Cho tCr Lac NAA
Controles 11.9 ±7.9 7.3 ± 4.4 33.4 ± 18.4 2.9 ± 1.7
Controle X 7.27 7.12 5.90 6.41
Tabel 5. Gemiddelde signaalvariaties (%) per metaboliet in vivo in totaal (over de verschillende condities) bij de 20
controles en bij controle X .
De oorzaak van deze variatie is vermoedelijk een combinatie van random fluctuaties van het systeem
(SNR variatie) en basale fluctuaties in het in vivo metabolisme. Het dient evenwel vermeld te worden
dat we slechts één controle X vergelijken met 20 andere controles.
-100,00-50,00
0,0050,00
100,00150,00200,00250,00300,00
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
Sign
aalv
aria
tie
(%
)
Subjecten
Lactaat: voor- stimulatie
MO patiënten
Controles
-
38
3. Relatieve kwantificatie
Om een goede vergelijking te kunnen maken tussen de twee groepen (controles en patiënten) en de
drie condities (vóór, tijdens en na stimulatie) werd een repeated measures ANOVA toegepast op de
data. De relatieve kwantificatie van de metabolieten is weergegeven in tabel 6.
Voor Stimulatie 1 Stimulatie 2 Na
NAA/tCr controles 2.34 ± 0.269 2.38 ± 0.289 2.26 ± 0.244 2.40 ± 0.239
patiënten 2.46 ± 0.248 2.41 ± 0.233 2.42 ± 0.233 2.38 ± 0.256
Cho/tCr controles 0.221 ± 0.061 0.236 ± 0.059 0.214 ± 0.050 0.224 ± 0.036
patiënten 0.222 ± 0.059 0.228 ± 0.047 0.221 ± 0.046 0.223 ± 0.045
Lac/tCr controles 0.242 ± 0.108 0.247 ± 0.118 0.270 ± 0.118 0.243 ± 0.117
patiënten 0.267 ± 0.146 0.249 ± 0.099 0.288 ± 0.127 0.258 ± 0.122
Lac/NAA controles 0.103 ± 0.044 0.104 ± 0.048 0.120 ± 0.053 0.104 ± 0.054
patiënten 0.112 ± 0.060 0.105 ± 0.043 0.126 ± 0.046 0.110 ± 0.050
Tabel 6. Relatieve kwantificatie van de metabolieten. Alle waarden zijn gemiddelden van 20 controles en 20 patiënten.
De condities werden uitgemiddeld over 16 spectra.
Uit tabel 7 blijkt dat er geen significante verschillen waar te nemen zijn in de metabolietratio‟s tussen
de verschillende condities en de verschillende groepen (p>0.05).
NAA/tCr Cho/tCr Lac/tCr Lac/NAA
Conditie 0.474 0.639 0.643 0.680
Groep 0.168 0.673 0.237 0.370
Tabel 7. P-waarden bij de relatieve kwantificatie van de metabolieten.
-
39
4. Absolute kwantificatie
Om een goede vergelijking te kunnen maken tussen de twee groepen (controles en patiënten) en de
drie condities (vóór, tijdens en na stimulatie) werd opnieuw een repeated measures ANOVA toegepast
op de data. De absolute kwantificatie van de metabolieten is weergegeven in tabel 8.
voor stimulatie 1 stimulatie 2 na
[NAA] controles 14.92 ± 1.39 15.05 ± 1.39 14.75 ± 1.53 14.84 ± 1.70
patiënten 15.22 ± 1.76 15.36 ± 1.88 15.30 ± 1.90 15.21 ± 1.80
[tCr] controles 12.68 ± 1.60 12.63 ± 1.69 13.14 ± 1.47 12.25 ± 1.47
patiënten 12.43 ± 1.84 12.59 ± 1.84 12.54 ± 1.69 12.67 ± 1.59
[Cho] controles 0.88 ± 0.22 0.93 ± 0.17 0.89 ± 0.21 0.88 ± 0.18
patiënten 0.92 ± 0.22 0.88 ± 0.18 0.89 ± 0.17 0.90 ± 0.18
[Lac] controles 0.51 ± 0.19 0.53 ± 0.23 0.60 ± 0.24 0.52 ± 0.24
patiënten 0.55 ± 0.29 0.60 ± 0.24 0.62 ± 0.23 0.53 ± 0.26
Tabel 8. Absolute kwantificatie van de metabolieten (mM). Alle waa