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23 Natrium-MRT bei muskulären Kanalerkrankungen und Dystrophien Marc-André Weber Diagnostische und Interventionelle Radiologie, Universitätsklinikum Heidelberg 94. Deutscher Röntgenkongress Workshop Molekulare Bildgebung II – 29.05.2013
Problem • Geringe Spezifität • Keine Aussage über die Pathophysiologie
Atrophie Hypertrophie
Lovitt et al., Neurol Clin 2004; Weber et al., RöFo 2007
Ödem Verfettung
Gesunder Proband Junger Patient mit Paramyotonia
Wassergewichtet (STIR) Wassergewichtet (STIR)
Fettgewichtet (T1w) Fettgewichtet (T1w)
Weber et al., Radiology 2006
Vater 54 J
Sohn 25 J
Grund für Muskeldegeneration nach Jahren?
Vorführender
Präsentationsnotizen
Unterschenkel! Hier könnten wir sagen, dass auch eine noch so gute Auflösung den betreffenden Patienten nicht hilft (1H: falscher Kern ) Deshalb Natrium!
7 Tesla MR-Tomograph in Heidelberg
1980: 0,3 Tesla* 2006: 3 Tesla
2010: 7 Tesla
Morphologische Standard 1H MRT
Von der Morphe zur Funktion !
*Holland et al., JCAT 1980
Vorteil 2: Metabolische Bildgebung
1,5 Tesla 3 Tesla
7 Tesla
Funktionelle 23Na-MRT bei verschiedenen Feldstärken
Na+ Na+
Na+
Na+ Na+
Na+
Na+ Na+
Defekter Na+ Kanal
Verschiedenste Auslöser führen zu intrazellulärer Natrium-Akkumulation und Muskelschwäche
23Natrium-IR MRT vor
15 min nach
1,5 h nach Provokation
1H T1w
1H STIR
vor Provokation des rechten Unterschenkels
nach
Signalanstieg auf 23Na-IR Bildern ohne Nachweis von Ödemen • Nach Provokation: ~ 33% Signalanstieg in 23Na-IR (n=5; ~19% in 23Na-T1w)
3-Tesla 23Na-MRT bei Paramyotonie
Vorführender
Präsentationsnotizen
Paramyotonia Congenita (19 Jahre alt) Kein Ödem, trotzdem Signalanstieg 19%iger Signalanstieg auf T1-gewichteten Na-Sequenz (Only slight increase in 23Na-T1 sequence) Paramyotonia Congenita (19 Jahre alt); Kein Ödem, trotzdem Signalanstieg, 19%iger Signalanstieg auf T1-gewichteten Na-Sequenz; Nach Provokation: ~ 33% Signalanstieg auf den 23Na-IR Bildern 3 23Na pulse sequences based on a density adjusted 3D radial sequence: Spin density image contrast (spin density image contrast, TE/TR=0.2ms/100ms; voxel size: 5x5x5mm; 8min20s). T1 image contrast (TE/TR=0.25ms/6ms; voxel size 5x5x5mm, 5min36s) Inversion recovery (IR) sequence (TE/TR=0.3ms/124ms; TI=34ms; voxel size: 6x6x6mm, 10min 20s) Extracellular Na+ concentration 10x higher than intracellular Na+ concentration, Falsifies measurement of intracellular Na+ Spin density image contrast: No relevant increase after provocation Inversion Recovery sequence: Increased sodium signal of above 10% after provocation basierend auf einer Dichte angepassten 3D-Radialsequenz, um die für die Natrium-MRT notwendigen kurzen Echozeiten und hohe Signaleffizienz zu erreichen; Keine Korrektion der Relaxationseffekts wurde durchgeführt, weil der Fehler in der T2-Relaxation bei sehr kurzer Echozeit sehr gering IR sequence: Suppression of extracellular Na+ signal, dedicated analysis of intracellular sodium homeostasis 23Na-IR (Inversion Recovery): TE = 0.3/124 ms; TI = 34 ms; Voxelgröße: 6x6x6 mm3; 10 min 20 s 3.0 Tesla MR-Tomograph (Magnetom Tim Trio, Siemens, Erlangen); Doppelresonante (32.59 MHz/123.2 MHz) birdcage Spule (Rapid, Würzburg) Verschiedene 23Na-MR Kontraste liefern Informationen, aus welchem Kompartiment das 23Na-Signal herrührt Gesamt 23Na-Konzentration ohne Änderung nach Provokation, 23Na-IR detektiert intrazelluläre Natriumakkumulation, 23Na-IR unterdrückt Signal von einem Muskelödem
Natrium (23Na): wichtige Rolle in vielen physiologischen Prozessen Probleme für Darstellbarkeit mit MRT: 1. Geringe Konzentration
• Ca. 1:2000 im Vgl. zu 1H 2. Besondere physikalische Eigenschaften: Spezielle Messtechniken Ausnutzung dieser Eigenschaften für
MRT-Bildkontraste
+
… zur Erstellung des MR-Bildes !
… eine kurze Radiowelle wird eingestrahlt…
… die ein Signal im Körper des Patienten
generiert …
Der Körper des Patienten wird
einem Magnetfeld ausgesetzt…
Magnetresonanztomographie Prinzip
• Protonenbildgebung (1H)-MRT Standard • X-Kerne: z.B. 23Natrium, 35Chlor, 39Kalium • 23Na MR-Signal 20.000-fach < 1H Signal • Spezielle Messsequenzen* & Hardware nötig,
intrazelluläre Na+ Konzentration Problem: Fehlerhafte quantitative MR Messung der
intrazellulären Na+ Konzentration
Na+
⇒Optimierung der 3 Tesla MRT Sequenzen, um intrazelluläre Na+ Akkumulation in vivo besser quantifizieren zu können
⇒Periodische Paralysen als Modellerkrankung
cextrazellulär(Na+) = 140 - 150 mmol/l
cintrazellulär(Na+) = 5 - 15 mmol/l
Ionenkanal
Vorführender
Präsentationsnotizen
Objectives: To implement different 23Na-MR-imaging contrasts at 3 Tesla and to evaluate if a weighting towards intracellular sodium can be achieved, with validation for two rare muscular channelopathies as model. Caused by gain-of-function Na+ ion channel mutations Accumulation of intracellular Na+ Muskuläre Kanalerkrankungen (periodische Paralysen), Provokation (z.B. Kühlung) => Erhöhung der Öffnungswahrscheinlichkeit von mutierten Ionenkanälen
23Na-MRT Sequenzoptimierung @ 3 T
2. 23Na-T1-gewichteter Bildkontrast: • TE/TR = 0,25 ms/6 ms; α = 40° • Voxelgröße: 5x5x5 mm3; 5 min 36 s
3. 23Na-IR (Inversion Recovery)*: • TE = 0,3/124 ms; TI = 34 ms; • Voxelgröße: 6x6x6 mm3; 10 min 20 s
1. 23Na-Konzentration: • Spindichte Bildkontrast, TE/TR=0,2ms/100ms; α = 90° • Voxelgröße: 5x5x5 mm3; 8 min 20 s • Vergleich der Signalintensitäten mit Referenzphantom
*Stobbe & Beaulieu, Magn Reson Med 2005; §Nagel et al., Magn Reson Med 2009 et Invest Radiol 2011
23Na MRT basierend auf dichteadjustierter 3D-Radial Sequenz§
Vorführender
Präsentationsnotizen
3 Natriumpulssequenzen untersucht, die auf einer Dichte angepassten 3D Radial Sequenz basieren, um die für die Natrium-MRT notwendigen kurzen Echozeiten und hohe Signaleffizienz zu erreichen; Keine Korrektion der Relaxationseffekts wurde durchgeführt, weil der Fehler in der T2-Relaxation bei sehr kurzer Echozeit sehr gering Nichtselektive Anregung mit Rechteckpuls (kürzest möglicher Puls) Dichteangepasster Gradient => Abtastdichte im äußeren K-Raum Bereich konstant bleibt; Amplitude abnehmend => im k-Raum abnehmende Geschwindigkeit Graues Kästchen = Datenaufnahme (so früh, weil Radialsequenz und k-Raum Zentrum früh erreicht) T1-Bildkontrast zur höheren Gewichtung des intrazellulären Natriumsignals verwendet. Inversion Recovery (IR) Sequenz verwendet, um Natriumsignal aus extrazellulärem bzw. vasogenen Ödemen zu unterdrücken. Die gewählte Inversionszeit führte zu einer vollständigen Unterdrückung des Signals von 0,3%iger Kochsalzreferenzlösung, während in Agarose gebundenes Natrium gleicher Konzentration nicht unterdrückt wird und zur Normierung diente. Entspricht FLAIR Sequenz bei der Protonenbildgebung; aber T1-gewichtet 23Na MR signal 20.000-times < 1H signal The sodium sequences were based on a density adapted 3D radial sequence to achieve the necessary ultra-short echo-time and high signal efficiency. First, the total tissue sodium concentration was measured using a spin-density sequence (23Na-TSC; TE/TR = 0.2 ms/100 ms; α = 90°; voxel size: 5x5x5 mm3; 8 min 20 s). Then, a T1-contrast was implemented to assess whether the provocation leads to a change in longitudinal relaxation times and thus to a stronger weighting of intracellular sodium (23Na-T1; TE/TR = 0.25 ms/6 ms; α = 40°; voxel size: 5x5x5 mm3, 5 min 36 s). As third technique, an inversion recovery (23Na-IR) sequence was used to utmost suppress the sodium signal from extracellular or vasogenic edema (TE/TR = 0.3 ms/124 ms; TI = 34 ms; voxel size: 6x6x6 mm3, 10 min 20 s). The chosen inversion time led to a complete suppression of sodium signal derived from 0.3% saline solution, while the same concentration of sodium embedded in 5% agarose gel was not suppressed and served as reference for signal intensity normalization.
• 23Na-Konzentration: ≈ 23 ± 2 mmol/l (≈ 27 ± 6 mmol/l *) • Nach Provokation: Keine Änderungen (<3%) in der 23Na-MRT; keine Paresen
1H T2-STIR 23Na-T1 23Na-IR 23Na-Konz.
Vorh
er
Kühl
ung
rech
ts
mmol/l
3 Tesla 23Na-MRT bei Probanden (n=9)
Vorführender
Präsentationsnotizen
Die gewählte Inversionszeit führte zu einer vollständigen Unterdrückung des Signals von 0,3%iger Kochsalzreferenzlösung, während in Agarose gebundenes Natrium gleicher Konzentration nicht unterdrückt wird und zur Normierung diente. Materials and Methods: In six patients with rare muscular hypokalemic periodic paralysis type one (HypoPP-1), manifesting upon cooling as periodic muscle weakness, and five patients with paramyotonia congenita (PC), characterized by a stiffening of the muscles during exposure to cold because of an intracellular sodium accumulation, and five healthy volunteers both lower-legs (one cooled, one serving as reference) were examined on a 3-Tesla system with three 23Na-MR pulse sequences. For three PC patients a third measurement was performed to examine the evolution of the muscular 23Na-MR signal over a longer time period.
0,3% Na+ vermischt in Agarose Gel ist nicht unterdrückt (dieses Phantom imitiert das extrazelluläre Na+)
Inversion Recovery 3 Tesla 23Na-MRT
Unterdrückung der Gefäße
Unterdrückung der Referenz gefüllt mit 0,3% NaCl Lösung
(dieses Phantom imitiert das intrazelluläre Na+)
23Na-T1 23Na-IR
Vorführender
Präsentationsnotizen
Decreased molecular motion In volunteers and the contralateral, not cooled lower-leg, there were no significant signal intensity changes after provocation. Furthermore, the 23Na-IR sequence allows for a suppression of signal emanating from intravascular sodium and vasogenic edema.
Fazit 23Na-Sequenz @ 3 Tesla • Optimierte 23Na-MR Sequenzen => Information, aus
welchem Kompartiment das 23Na-Signal kommt • 23Na-IR erlaubt eine Wichtung zur intrazellulären
Na+ Konzentration • 23Na-IR supprimiert das Signal von extrazellulären
(vasogenen) Muskelödemen
• Klinische Relevanz: • Kombinierter Einsatz von 23Na-Konzentration & 23Na
IR Sequenz => verbesserte Analyse der Na+ Homöostase
• Bildgebung für Diagnose & Therapieüberwachung
• 23Natrium-MRT: Was und warum ? – Sequenzoptimierung
Hypokalaemic periodic paralysis: Autosomal dominant myopathy, recurrent attacks of generalized flaccid weakness with decreased serum K+ Causative mutations affect myocellular cation channels. Purpose: To assess whether Na+ homeostasis is affected in HypoPP, Quantification of cellular Na+ accumulation and muscular edema in vivo
Fragestellung und Methodik • Ziel: Quantifizierung zelluläre Na+-Akkumulation &
muskuläres Ödem in-vivo ? • Effekt einer selektiven Blockade der Na+-Kanäle ? • Provokation eines Unterschenkels
– Belastung oder Kühlung (25 min) PAM, HyperPP, Probanden
– Kühlung (+ 2 min Belastung) PC
• Anderer Unterschenkel als Referenz • 23Na- & STIR 1H-MRT vor und nach Provokation • Wiederholungsmessungen bei PC nach 3 Tagen
Vorführender
Präsentationsnotizen
Measurement of muscle strength: foot dorsal and plantar flexors, MRC 6 point scale (0=paralysis, 5=full strength)
MRT-Protokoll & Datenauswertung Kombinierte 23Na und 1H MRT in einer Untersuchung • 1,5 T MRT mit Breitbandspektroskopie • Doppelresonante (16,8 / 63,6 MHz) birdcage Spule • Radiale Gradientenecho 23Na 3D projection imaging*
In PC patients cooling induced a significant (p = 0.0007) increase (> 20%) in the muscular 23Na-IR signal and a corresponding decrease of muscle strength. Additionally, a tendency to higher 23Na-T1 (p = 0.07) and 23Na-TSC (p = 0.07) signal intensities was observed.
Patienten: Auch Signalanstieg nach Wiedererwärmung
Gesunde Probanden: Kein Signalanstieg
Grund für den Signalanstieg? Änderung der T1-Relaxation! Mögliche Ursachen:
1. Kürzere T1-Zeiten im intrazellulären Raum
2. Niedrigere Temperaturen führen zu kürzeren T1-Zeiten
Temperatur [°C]
NaCl solution / 3 T 5% Agarose gel / 3 T
Vorführender
Präsentationsnotizen
Kürzere T1 Zeit => mehr Signal auf T1-gewichteten Bildern Durch eingeschränkte Mobilität der Natriumionen im Intrazellulärraum sind die Relaxationszeiten (sowohl T1 als auch T2) kürzer
Abw
eich
ung
nach
Küh
lung
in %
2. 1. 2. Kühlung Referenz
1. 3. 3. Untersuchung Untersuchung
-10
0
10
20
Natriumkanal Blockade bei PC
Weber et al., Radiology 2006
• Mexiletin zur Blockade der Natriumkanäle bei n=7 • Reduktion Paresegrad (MRC: 0 = Paralyse bis 5 = normale Kraft)
• Reduzierte intrazelluläre Natriumakkumulation
4,5 5,0 Zehenbeugung
3,3 5,0 Zehenstreckung
4,3 5,0 Plantarflexion
3,5 5,0 Dorsalextension
Nach Kühlung Vor Kühlung Funktion
Kraft im Unterschenkel
5,0
4,5
5,0
5,0
Mexiletin Mexiletin
• 23Natrium-MRT: Was und warum ? – Sequenzoptimierung
Weber et al., Neurology 2006 Weber et al., Neurology 2006
- 60
- 50
- 40
0 10 20
Prozentuale Änderung des 23Na-MR Signals nach Provokation
Mem
bran
pote
nzia
le n
ach
Prov
okat
ion
(mV)
1
3
Red
uktio
n de
r Mus
kelk
raft
nach
Pro
voka
tion
PAM HyperPP PC
0 30
2
r = 0,9
r = 0,5
3 Tesla 23Na-MRT bei HyperPP (n=9)
1H T2-STIR 23Na-T1 23Na-IR 23Na-Konz.
Linkes Bein
gekühlt
Nach Provokation: 23Na-IR Signalanstieg (~16%), Parese (~3 KG) Keine Änderungen in der 23Na-Konzentrationsmessung (≤ 5%) Amarteifio et al., Radiology 2012
Vorführender
Präsentationsnotizen
Provocation reduced muscle strength in HyperPP (median MRC, 5; range 3 before vs. 3; range 4 after provocation) and increased SI in 23Na IR from 0.750.09 to 0.860.10 (p<0.005). In 23Na T1-weighting, cooling caused no change in 23Na SI in patients with permanent weakness (0.890.07 before and 0.870.04 after provocation, p=0.93), but a marked increase in HyperPP with weakness episodes only (0.720.11 before and 0.760.11 after provocation, p=0.01). 23Na signal remained unchanged in volunteers (0.530.06 before and 0.540.06 after provocation, p=0.30).
1 2 30,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Sig
nalin
tens
ität
23Na Inversion Recovery Sequenz
P<0,005
P<0,005
HyperPP & permanente Schwäche
(n=6), MRC Kraftgrad 4
HyperPP ohne permanente Schwäche
(n=6), MRC Kraftgrad 5
Gesunde Probanden
(n=10) , MRC
Kraftgrad 5
HyperPP mit permanenter Parese
52 Jahre, keine permanente Schwäche
63 Jahre, permanente Schwäche
=> Muskelödem
Amarteifio et al., Radiology 2012
Vorführender
Präsentationsnotizen
Purpose: To assess by 3-Tesla sodium (23Na) MRI whether the myoplasmic 23Na content is increased in hyperkalemic periodic paralysis (HyperPP) patients with permanent weakness. Methods: In 12 HyperPP patients (mean age, 4814 years) and 12 healthy volunteers (mean age, 3812 years) 1H and 23Na MRI of both lower legs were performed before and after provocation by cooling of one lower leg. Signal intensity (SI) was evaluated with regions of interest (ROIs) and muscle strength was measured using the MRC grading scale., 23Na MRI included spin density, 23Na T1-weighting, and 23Na inversion recovery (IR) sequences. Five patients received additional MRI after acetazolamide or hydrochlorothiazide treatment. Results: Before provocation, HyperPP patients with permanent weakness had significantly higher 23Na IR SI compared to those without constant weakness (0.830.04; median MRC, 4; range, 3 vs. 0.670.05; median MRC, 5; range, 1; p<0.005).
T1w
23Na Konz.
STIR
Hyper PP mit Muskelödemen •Therapie mit Diuretika bei n=5 (Acetazolamid od. Hydrochlorothiazid) •23Na IR Signal Reduktion
•0,85±0,04 => 0,64±0,11 •Verbesserte Muskelkraft
•MRC 4 => MRC 5
HyperPP: Dauerschwäche & Ödem
Amarteifio et al., Radiology 2012
Fazit 23Na-MRT bei PC & HyperPP • Periodische Paralysen als Modellerkrankung:
intrazellulärer Na+-Anstieg & Parese • Myozelluläre Na+-Akkumulation quantifizierbar • Effekte der Na+-Kanalblockade darstellbar • Quantifizierung des Muskelödems (1H-MRT) • Gute Korrelation von in-vivo & in-vitro Daten
• Dauerhafte Na+-Akkumulation bei HyperPP mit permanenter Schwäche => Diuretikatherapie
⇒Diagnostik und Therapieüberwachung auch bei anderen Myopathien
• 23Natrium-MRT: Was und warum ? – Sequenzoptimierung
*signifikante Differenz im t-Test Jurkat-Rott, Weber et al., PNAS 2009
HypoPP (n=34) vs. Probanden (n=12) HypoPP-2
3 Tesla 23Na-MRT bei HypoPP-1 1H T2-STIR 23Na-T1
23Na-IR 23Na-Konz.
mmol/l
Vorh
er
Kühl
ung
links
Erhöhte 23Na-Konzentration (>30 mmol/l), 23Na-IR supprimiert extrazelluläres Ödem Nach Provokation: Erhöhtes 23Na-IR Signal (~ 22%), gleichbleibende 23Na-Konzentration (~2%)
Vorführender
Präsentationsnotizen
Erhöhte 23Na Konzentration, 23Na-IR: Unterdrückung des Ödems Nach Provokation: Erhöhte Signalintensität auf 23Na-IR Bildern Keine messbaren Änderungen der 23Na Konzentration Ausbildung einer Muskelschwäche NaCl hat 50 ms T1-Zeit => im Vgl. zur IR keine vollständige Suppression des Signals Agarose hat 30 ms T1 Zeit => hat mehr Signal Patienten höheres Signal als gesunde Probanden im Referenzbein Multislice: Effekt im gesamten gekühlten Bein feststellbar 23Na-IR imaging also revealed a distinct signal increase (>15%) after provocation in the cooled muscles of the two HypoPP-1 patients exhibiting severe edema. Unterschiede zwischen HypoPP und Probanden in der IR geringer, weil IR Ödeme unterdrückt und weil HypoPP viel Ödeme haben Nach Kühlung Natriumsignalanstieg bei HypoPP: ~ 22% in IR-, ~ 6% in T1- und ~ -2% in der Spindichte Sequenz. nicht gekühlter Unterschenkel als Referenz und bei Probanden in allen Sequenzen zu relativen Änderungen von weniger als 3% Na+ and water content within soleus muscle: ROI analysis with Na+ signal normalized on 0.3% NaCl reference tube Normalized Na+ signal in healthy muscle ([Na+]i=15 mM) ROI analysis with STIR signal normalized on background noise
HypoPP-1: Therapie mit Diuretikum
Parameter Vor Behandlung 4-Wochen Behandlung
In vivo muskuläres Na+ Signal, relativer Wassergehalt und Kraft in Ruhe
23Na Signal [a.u.] 1,6±0,3 1,2±0,1*
Intrazelluläres Na+ [mM] 27,9±5,6 20,8±2,4*
1H STIR Signal [a.u.] 43,5±5,8 30,4±3,2*
Kraft (MRC) 3,4±0,8 4,2±0,5*
*p < 0,01 @ t-Test
23Na- und 1H-MRT wiederholt bei 6 Patienten nach 250mg Acetazolamid, 60mmol K+ p. Tag für 4 Wochen
1.5
2.5
3.5
4.5
MRC controls
R528H
R1239G
R1239H
treated
15 25 3020 Na+/mM
Na+ Konzentration vs. Muskelkraft
Ausgefüllte Symbole = Messung nach Kühlung
(n=13)
} (n=14)
HypoPP-1: Erfolgreiche Therapie • Rollstuhl-gebunden mit 15 Jahren • 1-Jahr Behandlung
23Na 23Na STIR Jurkat-Rott, Weber et al., PNAS 2009
Vorführender
Präsentationsnotizen
23Na MRI: Quantification of muscular Na+ accumulation after provocation, Visualization of effects of Na+ channel blockage, Quantification of muscular oedema, Good correlation of in vivo & in vitro findings Inherited myopathy HypoPP: myocellular Na+ overload (23Na MRI) at rest, Muscle edema (1H MRI), Muscle weakness 23Na MRI can quantify muscular Na+ accumulation, clinical relevance: Effective treatment by diuretics possible
In dieser Studie konnten wir zeigen, dass ein Muskelödem bei allen Kindern mit der hereditären Muskeldystrophie vom Typ Duchenne vorliegt und der fortschreitenden fettigen Degeneration der Muskeln vorausgeht. Die Jungen präsentieren sich typischerweise im Alter von 5 Jahren mit Muskelschwäche und können ab dem Alter von 10 bis 11 Jahren meist nicht mehr laufen. Das muskuläre Ödem ist gemäß unserer Daten intrazellulär und osmotisch durch eine erhöhte intrazelluläre Natriumkonzentration bedingt, die wir mittels spezieller 3-Tesla Natrium-MR-Sequenzen quantifizieren konnten. Ursache ist pathophysiologisch eine erhöhte Durchlässigkeit der Muskelzellmembran für Natriumionen aus dem Extrazellularraum, der eine zehnfach höhere Natriumionenkonzentration als der Intrazellularraum aufweist. Das Fehlen von Dystrophin in der Muskelzellmembran bei Duchenne Muskeldystrophie verursacht diese erhöhte Zellmembrandurchlässigkeit für Natriumionen und die intrazelluläre Natriumerhöhung wirkt zytotoxisch. Das von uns bei allen Duchenne Kindern nachgewiesene muskuläre Ödem erklärt auch, warum Glukokortikoide, die derzeit zur Behandlung der Duchenne Kinder eingesetzt werden, überhaupt positive Effekte haben. Denn Glukokortikoide schwemmen das Ödem aus, haben aber deutliche Nebenwirkungen in der Langzeitanwendung und können zudem eine Kortison-Myopathie induzieren. Als klinische Implikation der Arbeit könnte man Duchenne Kinder anstatt mit Glukokortikoiden mit einem deutlich besser verträglichen Carboanhydrasehemmer wie Acetazolamid (Diamox®) behandeln, der bereits bei anderen Muskelerkrankungen mit intrazellulärem Ödem und Natriumakkumulation wie der hypokaliämischen periodischen Paralyse eine gute und anhaltende Kraftverbesserung erbrachte.
Muskeldystrophie Duchenne (DMD) • Fehlen des Zytoskelettproteins Dystrophin • Progressive Muskeldegeneration • Rollstuhlpflichtigkeit mit ~ 11 Jahren • Einzelner 1H-MRT Bericht über Ödem-artige
Muskelveränderungen bei DMD*
• Offene Fragen: – Präsenz & Persistenz bei allen DMD Patienten? – Muskuläres Ödem vor fettiger Degeneration? – Pathophysiologie des muskulären Ödems?
*Marden et al., Skeletal Radiol 2005
Vorführender
Präsentationsnotizen
Hypokalaemic periodic paralysis: Autosomal dominant myopathy, recurrent attacks of generalized flaccid weakness with decreased serum K+ Causative mutations affect myocellular cation channels. Purpose: To assess whether Na+ homeostasis is affected in HypoPP, Quantification of cellular Na+ accumulation and muscular edema in vivo
Warum 23Natrium-MRT bei DMD? • Erhöhter Natrium (Na+) Einstrom in Myotuben
von mdx Mäusen durch fehlendes Dystrophin§ => zytotoxisch
• Muskelzelluläres Na+ erhöht beim Menschen? => spezifische 23Na-MRT Sequenzen
• Hypothese: Muskelödem bei Duchenne – Verursacht durch osmotischen Effekt wegen
erhöhtem muskelzellulärem Na+ Gehalt – intrazelluläre Na+ Akkumulation ist zytotoxisch und
verursacht die progressive Muskeldystrophie – Erklärung für positiven Effekt von Prednisolon
§Hirn et al., J Gen Physiol 2008
Vorführender
Präsentationsnotizen
Absence of dystrophin => pathologic Na+ channels & reduced stability of cell membrane => Na+ accumulation Hypothese: Bei Duchenne ist wie bei chronisch progredienter HypoPP das Ödem durch intrazelluläre Natriumakkumulation bedingt und für Muskeldystrophie (mit-)verantwortlich => Erklärung für Prednisolon Wirkung
3 Tesla 23Na-MRT Sequenzen
2. 23Na IR (Inversion Recovery): • TE = 0,3/124 ms; TI = 34 ms; • Voxelgröße: 6x6x6 mm3; 10 min 20 s
1. 23Na-Konzentration: • Spindichte Bildkontrast, TE/TR=0,2ms/100ms; α = 90° • Voxelgröße: 5x5x5 mm3; 8 min 20 s • Vergleich der Signalintensitäten mit 51,3 mM Na+ Referenzphantom
*Stobbe & Beaulieu. Magn Reson Med 2005; §Nagel et al., Magn Reson Med 2009 et Invest Radiol 2011
Probleme • Na+ Konzentration extrazellulär 10-fach ↑ > intrazellulär • Spezifische Sequenzen und Hardware notwendig* • Muskuläres 23Na-MR Signal 50.000-fach < 1H Signal => Dichte angepasste 23Na 3D Radialsequenzen§
Vorführender
Präsentationsnotizen
3 Natriumpulssequenzen untersucht, die auf einer Dichte angepassten 3D Radial Sequenz basieren, um die für die Natrium-MRT notwendigen kurzen Echozeiten und hohe Signaleffizienz zu erreichen; Keine Korrektion der Relaxationseffekts wurde durchgeführt, weil der Fehler in der T2-Relaxation bei sehr kurzer Echozeit sehr gering Nichtselektive Anregung mit Rechteckpuls (kürzest möglicher Puls) Dichteangepasster Gradient => Abtastdichte im äußeren K-Raum Bereich konstant bleibt; Amplitude abnehmend => im k-Raum abnehmende Geschwindigkeit Graues Kästchen = Datenaufnahme (so früh, weil Radialsequenz und k-Raum Zentrum früh erreicht) T1-Bildkontrast zur höheren Gewichtung des intrazellulären Natriumsignals verwendet. Inversion Recovery (IR) Sequenz verwendet, um Natriumsignal aus extrazellulärem bzw. vasogenen Ödemen zu unterdrücken. Die gewählte Inversionszeit führte zu einer vollständigen Unterdrückung des Signals von 0,3%iger Kochsalzreferenzlösung, während in Agarose gebundenes Natrium gleicher Konzentration nicht unterdrückt wird und zur Normierung diente. Entspricht FLAIR Sequenz bei der Protonenbildgebung; aber T1-gewichtet 23Na MR signal 20.000-times < 1H signal
Gesunder Proband
T1w STIR
23Na IR 23Na-Konz.
Inversion Recovery 23Na-MRT ermöglicht • Suppression der Gefäße • Suppression der Referenz mit 51,3 mM Na+ in Kochsalzlösung
(dieses Röhrchen imitiert das extrazelluläre Na+) 51,3 mM Na+ in Agarosegel ist nicht supprimiert (dieses Röhrchen imitiert das intrazelluläre Na+)
Measurement of muscle strength: foot dorsal and plantar flexors, MRC 6 point scale (0=paralysis, 5=full strength)
Muskelödem bei allen DMD Patienten
T1w STIR
6-jähriger DMD Junge
Muskuläres Ödem [STIR Ratio]
0 Sign
alin
tens
ität R
atio
R
OI M
uske
l/RO
I Hin
terg
rund
raus
chen
10
20 p<0,001
p=0,11 p=0,87
Vorführender
Präsentationsnotizen
The T1-weighted (a) and STIR-MR-images (b) of both lower-legs in this 6-years old DMD boy (#1 in Table 1) demonstrate edema-like changes in the lower-legs’ muscles most pronounced in the soleus muscles (arrows), while the peroneus and tibialis anterior compartment is relatively spared. All muscles were otherwise MR-morphologically completely normal. Important note: Oedema persisted at follow-up! Duchenne: Muskelödem & Na+ ↑↑
T1w
Permanentes Muskelödem bei DMD
STIR
5-jähriger DMD Junge
5-jähriger gesunder Proband
2. Untersuchung
1. Untersuchung
Weber et al., Neurology 2011 et J Neurol 2012
Vorführender
Präsentationsnotizen
MRI of both calves of a 5-year-old DMD boy and a 5-year-old healthy volunteer. There is no fatty degeneration of the triceps surae muscles both in the DMD boy and the age-matched healthy volunteer. However, muscular oedema most pronounced in both soleus muscles (arrows) are visible, both at first and follow-up MR images compared to normal findings in the volunteer.
Erhöhtes Na+ bei allen DMD Patienten
STIR T1w
* *
22-jährige Frau mit DMD, X-chromosomale Translokation
23Na-Konz. 23Na IR T1w STIR
* *
10-jähriger DMD Junge
23Na IR 23Na-Konz.
Spitzfuß rechts
Vorführender
Präsentationsnotizen
Fig. 1. Magnetic resonance imaging (MRI) of both calves of a 10-years old boy (#5 in Table 1) with genetically confirmed DMD (a-d) and of a healthy volunteer at age of 16 years (e-f). T1-weighted 1H images of both lower legs show fatty degeneration in the triceps surae muscles (a) compared to normal findings in the volunteer (e). Short tau inversion recovery (STIR) weighted 1H images reveal muscular edema of both soleus muscles (arrows in b), which is absent in the volunteer (f). 23Na inversion recovery (IR) (c) and TSC 23Na MRI (d) reveal elevated signal in both soleus muscles compared to the volunteer (g,h). With the special 23Na IR sequence, the signal of vessels bright on TSC 23Na MRI (arrows in h) is suppressed. Also, note that the signal of the reference tube containing free 0.3% NaCl solution (arrow in c) is suppressed, while the contralateral reference tube filled with Na+ in agarose gel to restrict ion mobility is well visible. The arrowheads in c and d point to the low signal arising from both tibial bones. Qualitatively, the pattern of lipomatous degeneration and edema-like changes was symmetrical, except in the 22-year-old DMD woman (Fig. 1i,j). Her right soleus muscle exhibited a more intense edema. These pronounced changes resulted in shortened calf muscles on the right side. The edema-like changes and the highest Na+ concentration most pronounced in the right soleus muscle (asterisk) can also be detected in the 22-years old DMD woman (#10; i: T1-weighted, j: STIR, k: 23Na IR, l: 23Na TSC). Note her different pattern of fatty infiltration (peroneus muscles, arrow in i and j) in contrast to all boys of our study (mainly triceps surae muscle). Also, her right lower-leg is weaker and shortening of the right calf muscles resulted in a slight pes equinus (Fig. E1).
Muskuläre Na+ Akkumulation bei DMD
Muskuläre Natriumkonzentration [mmol/l]
p=0,57 p=0,09 p<0,001
Muskeldystrophie Duchenne
0
10
20
30
40
50 p=0,41
Weber et al., Neurology 2011 et J Neurol 2012
Vorführender
Präsentationsnotizen
The TSC Na+ content in the subcutaneous fat tissue of all individuals was low with 12.0±1.1mmol/l in DMD and 12.0±1.9mmol/l in volunteers. 23Na IR signal (Na+ concentration): Duchenne: 0.77±0.14 (38.3±7.2 mmol/l); Volunteers (n=8): 0.50±0.05 (25.4±2.2 mmol/l); Becker (n=2): 0.62±0.08 (29.6±3.0 mmol/l)
Progressive fettige Degeneration
10-jähriger DMD Junge
STIR T1w
23Na IR 23Na-Konz.
14-jähriger DMD Junge
* *
* *
T1w STIR 23Na IR 23Na-Konz.
Vorführender
Präsentationsnotizen
Erst Muskelödem, dann Verfettung In this 10-year-old boy with genetically confirmed DMD (#6), it can be clearly be demonstrated that the subcutaneous fat tissue has low Na+ concentration (arrows in c and d; c: 23Na IR, d: 23Na TSC) in contrast to the lower-leg muscles that already show moderate lipomatous degeneration (e). Also, it becomes obvious in this case that edema-like changes (f) can be detected best in muscles not fatty degenerated to a major extent, since otherwise the signal arising from the muscle is suppressed by the STIR sequence. The deep posterior muscle compartment revealed the highest edema-like changes (arrows in f) and the lowest degree of fatty infiltration. In the oldest DMD boy included at age of 14 years (#9 in Table 1), most lower-leg muscles had been replaced by fatty tissue with a low Na+ content (comparable to the low Na+ content of the subcutaneous fat tissue). Also, because of the lack of residual muscle volume edema-like changes could scarcely be detected on STIR images (Fig. 2), while the muscles of the 22-year-old DMD woman (#10) had only moderate fatty degeneration (Fig. 1). Likewise, because of complete fatty degeneration of the lower-leg muscles (g) in this 14-year-old DMD boy (#9), neither a distinct edema (h) nor elevated Na+ concentration (i: 23Na IR, j: 23Na TSC) can be depicted by 1H STIR and 23Na MRI in the right leg (asterisk), while edema-like changes are discernable in the deep muscles not completely fatty degenerated (arrow in h).
Myozelluläres Na+ & Fettquantifizierung
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
DMD 1. MRT DMD 2. MRT Probanden
Sign
alin
tens
ität R
atio
23Na IR Signal T1w 1H Signal
n=11 n=8 n=11
*Jurkat-Rott et al., PNAS 2009; Weber et al., Neurology 2011 et J Neurol 2012
*ROI-Analyse der fettigen Degeneration: T1-gewichtete Bilder, Referenz subkutanes Fett
p<0,001 p=0,001
Vorführender
Präsentationsnotizen
23Na IR signal (Na+ concentration): Duchenne: 0.77±0.14 (38.3±7.2 mmol/l), Volunteers (n=8): 0.50±0.05 (25.4±2.2 mmol/l), Becker (n=2): 0.62±0.08 (29.6±3.0 mmol/l)
Muscle strength in DMD patients was evaluated by clinical examination, quantified with aid of the nonlinear grading system defined by the British Medical Research Council (MRC score). Maximum voluntary contraction force [kg] of the right hand was measured using a handgrip dynamometer (1st/5th measurement, i.e. at first fist contraction and after 5 contractions). Results are given as medians and range in parentheses. DMD patients presented with paresis in the lower legs at physical examination except for a 7-years old DMD boy. The paresis was symmetric except in the 22-years old DMD woman. The severity of paresis was increasing with age. The healthy volunteers had normal muscle function of both lower legs (median MRC score, 5).
Zusammenfassung & Schlussfolgerung • DMD: Permanentes Muskelödem bei allen Patienten • DMD: Permanenter, intrazellulärer Na+ Überschuss
1. Always muscle edema, 2. Intracellular Na+ accumulation, 3. Na+ accumulation possible cause of the (intracellular) edema Die 3-Tesla MRT detektiert eine muskuläre Natriumakkumulation und ein permanentes Muskelödem bei Duchenne Muskeldystrophie als �eine mögliche Ursache der Muskeldegeneration; Na+ Akkumulation mögliche Ursache für das (intrazelluläre) Ödem.
Mögliche Pathophysiologie von DMD
• Fehlen von Dystrophin => pathologische Na+ Kanäle & reduzierte Stabilität der Zellmembran
In dieser Studie konnten wir zeigen, dass ein Muskelödem bei allen Kindern mit der hereditären Muskeldystrophie vom Typ Duchenne vorliegt und der fortschreitenden fettigen Degeneration der Muskeln vorausgeht. Die Jungen präsentieren sich typischerweise im Alter von 5 Jahren mit Muskelschwäche und können ab dem Alter von 10 bis 11 Jahren meist nicht mehr laufen. Das muskuläre Ödem ist gemäß unserer Daten intrazellulär und osmotisch durch eine erhöhte intrazelluläre Natriumkonzentration bedingt, die wir mittels spezieller 3-Tesla Natrium-MR-Sequenzen quantifizieren konnten. Ursache ist pathophysiologisch eine erhöhte Durchlässigkeit der Muskelzellmembran für Natriumionen aus dem Extrazellularraum, der eine zehnfach höhere Natriumionenkonzentration als der Intrazellularraum aufweist. Das Fehlen von Dystrophin in der Muskelzellmembran bei Duchenne Muskeldystrophie verursacht diese erhöhte Zellmembrandurchlässigkeit für Natriumionen und die intrazelluläre Natriumerhöhung wirkt zytotoxisch. Das von uns bei allen Duchenne Kindern nachgewiesene muskuläre Ödem erklärt auch, warum Glukokortikoide, die derzeit zur Behandlung der Duchenne Kinder eingesetzt werden, überhaupt positive Effekte haben. Denn Glukokortikoide schwemmen das Ödem aus, haben aber deutliche Nebenwirkungen in der Langzeitanwendung und können zudem eine Kortison-Myopathie induzieren. Als klinische Implikation der Arbeit könnte man Duchenne Kinder anstatt mit Glukokortikoiden mit einem deutlich besser verträglichen Carboanhydrasehemmer wie Acetazolamid (Diamox®) behandeln, der bereits bei anderen Muskelerkrankungen mit intrazellulärem Ödem und Natriumakkumulation wie der hypokaliämischen periodischen Paralyse eine gute und anhaltende Kraftverbesserung erbrachte.
Zellpotential:
• bei Muskelerkrankungen oft verändert
• Hängt vor allem von der extra- und intrazellulären Chloridkonzentration ab
• Nicht-invasive Bestimmung der Chlorid- und Kaliumkonzentration mittels Magnetresonanztomographie
Physiologie Universität Ulm (Prof. Lehmann-Horn und Dr. Jurkat-Rott)
Partner bei der Bildgebung des Muskels
(Neuro-) Radiologie Physik
Neurologie
Physiologie
Pathologie/ Anatomie
Orthopädie
Patient mit Muskelerkrankung
Deutsches Krebsforschungszentrum A. M. Nagel L.R. Schad
S. Nielles-Vallespin W. Semmler
Universität Heidelberg / Mannheim E. Amarteifio H.B. Huttner
H.-U. Kauczor
H.-M. Meinck J.C. Wöhrle M. B. Wolf
Neurophysiologie Ulm K. Jurkat-Rott F. Lehmann-Horn
Imaging of skeletal muscles has seen considerable advances in recent years regarding both morphological as well as functional imaging techniques. Regarding morphology, the advent of whole-body MRI has rendered the possibility to screen the whole skeletal muscle system for muscles with oedematous changes in suspected myositis to which a biopsy should be guided in order to reduce the sampling error. Functional MR methods are available that can visualize different aspects of muscular (patho)physiology, such as muscular sodium (Na+) homeostasis using 23Na MRI, muscular energy and lipid metabolism using 31P and 1H MR spectroscopy. 31P MR spectroscopy also allows for quantification of the myocellular pH value. 23Na MRI has demonstrated its usefulness in the diagnostic work-up and management of patients with muscular Na+ channelopathies, where a myocellular Na+ overload that causes muscle weakness can be quantified. Besides MRI, also contrast-enhanced ultrasound (CEUS) methods have been introduced that can quantify muscular microcirculation at rest and even during exercise using a second generation contrast agent. Using this CEUS method, the influence of different exercise intensities on the microcirculation of the exercising muscle becomes detectable. Also, CEUS is more efficient in the diagnostic work-up of suspected myositis than classic greyscale ultrasonography, because CEUS can detect the inflammatory-induced muscular hyperperfusion in acute myositis. It becomes obvious that modern muscular imaging techniques offer deeper insights in muscular (patho)physiology than just detecting unspecific myopathic manifestations like oedematous or lipomatous changes, hyper- or atrophy.
