Медицинская литература. Новинки

 

 

 

 

 

 

Дейтериевая магнитно-резонансная спектроскопия в изучении метаболизма глюкозы в головном мозге в норме и при нейроонкологии. Обзор литературы

Вы можете загрузить полный текст статьи в формате pdf

Цель исследования: представить новый метод оценки катаболизма глюкозы в тканях мозга в норме и при нейроонкологии, основанный на MР-спектроскопии на частоте изотопа водорода дейтерия, получивший название дейтериевая метаболическая визуализация – DMI.Материал и методы. Проведен поиск научных публикаций в системах индексирования статей PubMed и Google Scholar за 2017–2022 гг. по ключевым словам: deuterium spectroscopy, DMI, DMV, PET, non-proton spectroscopy, brain tumour metabolism, Warburg effect in brain tumour, glucose/glucolytic flux/metabolism.Результаты. Проанализировано 474 статьи, 21 из которых использована в данном обзоре. В список литературы дополнительно включено 9 статей за 1924–2014 гг. Освещены история развития протонной и мультиядерной МР-спектроскопии (фосфорная, углеродная, дейтериевая) и ПЭТ-диагностики, а также вопросы визуальной и количественной оценки диагностических признаков нарушения тканевого метаболизма в опухолях головного мозга. Рассмотрены перспективы применения дейтериевой МР-спектроскопии в клинической практике.Заключение. Метод DMI дает дополнительную по сравнению с ПЭТ с фтордезоксиглюкозой информацию о метаболических изменениях при анаэробном гликолизе в опухоли и может быть реализован и выполнен на клинических МР-томографах.

Ключевые слова:
МР-спектроскопия, дейтериевая метаболическая визуализация, DMI, церебральный метаболизм, опухоли мозга, эффект Варбурга, MR spectroscopy, deuterium metabolic imaging, DMI brain metabolism, brain tumors, Warburg effect

Литература:
1.Корниенко В.Н., Пронин И.Н. Диагностическая нейрорадиология. 2-е изд. в трех томах. М.: ИП “Т.М. Андреева”, 2008–2009.
2.Магнитно-резонансная спектроскопия / Под. ред. Труфанова Г.Е., Тютина Л.А. СПб.: Изд-во “ЭЛБИ-СПб”, 2008. 239 с.
3.Maudsley A.A., Andronesi O.C., Barker P.B. et al. Advanced magnetic resonance spectroscopic neuroimaging: Experts' consensus recommendations. NMR Biomed. 2021; 34 (5): e4309. https://doi.org/10.1002/nbm.4309
4.Захарова Н.Е., Пронин И.Н., Баталов А.И., Шульц Е.И., Тюрина А.Н., Баев А.А., Фадеева Л.М. Современные стандарты МРТ диагностики опухолевых поражений головного мозга. Вопросы нейрохирургии им. Н.Н. Бур денко. 2020; 84 (3): 102–112. https://doi.org/10.17116/neiro202084031102
5.Stagg C., Rothman D. Magnetic Resonance Spectroscopy: Tools for Neuroscience Research and Emerging Clinical Applications. Elsevier, 2014. 398 p. Hardback ISBN: 9780124016880. eBook ISBN: 9780124016972
6.Тюрина А.Н., Пронин И.Н., Фадеева Л.М., Баталов А.И., Захарова Н.Е., Подопригора А.Е., Шульц Е.И., Корниенко В.Н. Протонная 3D-МР-спектроскопия в диагностике глиальных опухолей головного мозга. Медицинская визуализация. 2019; 23 (3): 8–18. https://doi.org/10.24835/1607-0763-2019-3-8-18
7.Семенова Н.А., Манжурцев А.В., Меньшиков П.Е., Ублинский М.В., Ахадов Т.А. Магнитно-резонансная спектроскопия: неинвазивные исследования метаболизма мозга человека в норме и патологии. Успехи физиологических наук. 2019; 50 (1): 58–74. https://doi.org/10.1134/S0301179819010107
8.Jones P.J., Leatherdale S.T. Stable isotopes in clinical research: safety reaffirmed. Clin. Sci. (Lond.). 1991; 80 (4): 277–280. https://doi.org/10.1042/cs0800277
9.Пронин И.Н., Захарова Н.Е., Подопригора А.Е., Баталов А.И., Тюрина А.Н., Мерцалова М.П., Фадеева Л.М., Голанов А.В., Постнов А.А., Родионов П.В., Потапов А.А. Фосфорная (Р) МР-спектроскопия в оценке энергетического метаболизма мозговой ткани и неинвазивном измерении pH. Исследование 23 добровольцев. Часть I. Вопросы нейрохирургии имени Н.Н. Бурденко. 2019; 83 (2): 5–10. https://doi.org/10.17116/neiro2019830215
10.Wang Z.J., Ohliger M.A., Larson P.E.Z. et al. Hyperpolarized 13 C MRI: State of the Art and Future Directions. Radiology. 2019; 291 (2): 273–284. https://doi.org/10.1148/radiol.2019182391
11.Lu M., Zhu X.H., Zhang Y. et al. Quantitative assessment of brain glucose metabolic rates using in vivo deuterium magnetic resonance spectroscopy. J. Cereb. Blood. Flow. Metab. 2017; 37 (11): 3518–3530. https://doi.org/10.1177/0271678X17706444
12.De Feyter H.M., Behar K.L. Deuterium metabolic imaging (DMI) for MRI-based 3D mapping of metabolism in vivo. Sci. Adv. 2018; 4 (8): eaat7314. https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7314
13.Kreis F., Wright A.J., Hesse F. et al. Measuring tumor glycolytic flux in vivo by using fast deuterium MRI. Radiology. 2020; 294: 289–296. https://doi.org/10.1148/radiol.2019191242
14.De Feyter H.M., de Graaf R.A. Deuterium metabolic imaging – Back to the future. J. Magn. Reson. 2021; 326: 106932. https://doi.org/10.1016/j.jmr.2021.106932
15.Hesse F., Somai V., Kreis F. et al. Monitoring tumor cell death in murine tumor models using deuterium magnetic resonance spectroscopy and spectroscopic imaging. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2021; 118 (12): e2014631118. https://doi.org/10.1073/pnas.2014631118
16.Ruhm L., Avdievich N., Ziegs T. et al. Deuterium metabolic imaging in the human brain at 9.4 Tesla with high spatial and temporal resolution. Neuroimage. 2021; 244: 118639. https://doi.org/10.1016/j.neuroimage.2021.118639
17.Straathof M., Meerwaldt A.E., De Feyter H.M. et al. Deuterium Metabolic Imaging of the Healthy and Diseased Brain. Neuroscience. 2021; 474: 94–99. https://doi.org/10.1016/j.neuroscience.2021.01.023
18.Ouwerkerk R. Deuterium MR spectroscopy: a new way to image glycolytic flux rates. Radiology. 2020; 294 (2): 297–298. https://doi.org/10.1148/radiol.2019192024
19.Simoes R.V., Henriques R.N., Cardoso B.M. et al. Glucose fluxes in glycolytic and oxidative pathways detected in vivo by deuterium magnetic resonance spectroscopy reflect proliferation in mouse glioblastoma. Neuroimage Clin. 2022; 33: 102932. https://doi.org/10.1016/j.nicl.2021.102932
20.Urey H.C., Brickwedde F.G., Murphy G.M. A Hydrogen Isotope of Mass 2. Physical Review. 1932; 39 (1): 164–165. https://doi.org/10.1103/PhysRev.39.164
21.Schoenheimer R., Rittenberg D. Deuterium as an indicator in the study of intermediary metabolism. Science. 1935; 82 (2120): 156–157. https://doi.org/10.1126/science.82.2120.156
22.Ackerman J.J., Ewy C.S., Kim S.G., Shalwitz R.A. Deuterium magnetic resonance in vivo: the measurement of blood flow and tissue perfusion. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1987; 508: 89–98. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1987.tb32897.x
23.Detre J.A., Subramanian V.H., Mitchell M.D. et al. Measurement of regional cerebral blood flow in cat brain using intracarotid 2H2O and 2H NMR imaging. Magn. Reson. Med. 1990; 14 (2): 389–395. https://doi.org/10.1002/mrm.1910140223
24.Warburg O., Posener K., Negelein E. Uber den stoffwechsel der carcinomzelle. Naturwissenschaften. 1924; 12 (50): 1131–1137. https://doi.org/10.1007/BF01504608
25.de Graaf R.A., Hendriks A.D., Klomp D.W.J. et al. On the magnetic field dependence of deuterium metabolic imaging. NMR Biomed. 2020; 33 (3): e4235. https://doi.org/10.1002/nbm.4235
26.De Feyter H.M., Behar K.L., Corbin Z.A. et al. Deuterium metabolic imaging (DMI) for MRI-based 3D mapping of metabolism in vivo. Sci. Adv. 2018; 4 (8): eaat7314. https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7314
27.Hartmann B., Muller M., Seyler L. et al. Feasibility of deuterium magnetic resonance spectroscopy of 3-O-Methylglucose at 7 Tesla. PLoS One. 2021; 16 (6): e0252935. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0252935
28.Ananieva E.A., Wilkinson A.C. Branched-chain amino acid metabolism in cancer. Curr. Opin. Clin. Nutr. Metab. Care. 2018; 21 (1): 64–70. https://doi.org/10.1097/MCO.0000000000000430
29.Tsuji A.B., Sugyo A., Sudo H. et al. Preclinical assessment of early tumor response after irradiation by positron emission tomography with 2-amino-isobutyric acid. Oncol. Rep. 2015; 33 (5): 2361–2367. https://doi.org/10.3892/or.2015.3868
30.Tonjes M., Barbus S., Park Y.J. et al. BCAT1 promotes cell proliferation through amino acid catabolism in gliomas carrying wild-type IDH1. Nat. Med. 2013; 19 (7): 901–908. https://doi.org/10.1038/nm.3217

Deuterium magnetic resonance spectroscopy for assessing glucose metabolism in healthy and in neurooncology diseased brain. Review

Aim: to present a new method for assessing glucose catabolism in brain tissues of healthy volunteers and neurooncology patients. This method is MR spectroscopy with resonance frequency of deuterium (hydrogen isotope) called deuterium metabolic imaging - DMI.Material and methods. We searched scientific papers in PubMed and Google Scholar indexing systems for 2017–2022 publicatioin years. Keywords used: deuterium spectroscopy, DMI, DMV, PET, non-proton spectroscopy, brain tumor metabolism, Warburg effect in brain tumor, glucose/glucolytic flux/metabolism.Results. 474 articles were analyzed, 21 of which were used for this review. The references list additionaly includes 9 articles for 1924–2014 pyublication years. The review covers the history of proton and multinuclear MR spectroscopy (phosphorus, carbon, deuterium) development of and PET diagnostics. We described DMI applicability in visual and quantitative assessment of tissue metabolism disorders in brain tumors and discussed its future use in clinical practice.Conclusion. Compared to fluorodeoxyglucose (FDG) PET, the DMI method provides additional information on metabolic disorders during anaerobic glycolysis in a tumor. DMI can be implemented and performed on clinical MRI scanners.

Keywords:
МР-спектроскопия, дейтериевая метаболическая визуализация, DMI, церебральный метаболизм, опухоли мозга, эффект Варбурга, MR spectroscopy, deuterium metabolic imaging, DMI brain metabolism, brain tumors, Warburg effect