Динамика проницаемости гематоэнцефалического барьера после ФУЗ-таламотомии по данным МРТ с контрастным усилением

Фокусированный ультразвук (ФУЗ), проводимый под контролем МРТ (ФУЗ-МРТ), — это новый неинвазивный метод ультразвукового воздействия на структуры головного мозга (ГМ). В последние несколько лет ФУЗ-МРТ применяется для коррекции дрожания при болезни Паркинсона (БП) или эссенциальном треморе (ЭТ) [1—4]. Для коррекции дрожания и других экстрапирамидных симптомов мишенями при воздействии ФУЗ являются вентральное промежуточное ядро таламуса, субталамическое ядро и бледный шар [3, 4] (рис. 1).

Рис. 1. Схематическое изображение ядер таламуса (а) и проекционное схематическое изображение ядер на аксиальном изображении в режиме T1-взвешенной магнитно-резонансной томографии на уровне базальных ядер (б).

VIM — вентральное промежуточное ядро; VPL — вентральное заднелатеральное ядро; IML — внутренняя медуллярная пластинка (тонкий Y-образный слой миелинизированных нервных волокон разграничивает между собой переднюю, медиальную и боковую (латеральную) группы таламических ядер); PuLV (pulvinar thalami) — ядра подушки таламуса; PT — задняя ножка внутренней капсулы.

ФУЗ проводится с субмиллиметровой точностью с использованием обратной связи в режиме реального времени для мониторинга и интраоперационного наведения изображения. Безопасность и эффективность ФУЗ-МРТ сопоставимы со стереотаксическим лечением, с воздействием низких или высоких температур (крио- и термодеструкция), электростимуляцией глубинных структур ГМ [5—8].

Применение ФУЗ позволяет обратимо изменять проницаемость гематоэнцефалического барьера (ГЭБ) [1—3]. Это предполагает возможность использования ФУЗ-МРТ в том числе для направленной доставки лекарственных средств [9—10]. В экспериментальных исследованиях S. Bhunia и соавт. (2023) было показано, что ФУЗ нарушает проницаемость ГЭБ посредством уменьшения плотности контактов между эндотелиальными клетками [11]. Z.I. Kovacs и соавт. при анализе проницаемости ГЭБ с использованием ультразвукового контрастного вещества (КВ) — микропузырьков — через 10 мин, 2, 6 и 24 ч после ФУЗ-таламотомии, а также при введении в качестве КВ гадопентетовой кислоты (Магневист) выявили повышение проницаемости ГЭБ, проявляющееся накоплением КВ в области соникации и усилением сигнала на T1-взвешенных изображениях (T1-ВИ) в первые часы после воздействия ФУЗ с последующей нормализацией проницаемости к концу первых суток (отсутствие гиперинтенсивности) [12].

В клинической практике динамика проницаемости ГЭБ после ФУЗ мало изучена. На текущий момент нет данных о том, как в клинических условиях меняется проницаемость ГЭБ в острейшем, остром и отдаленном периодах после ФУЗ и какие факторы воздействуют на это.

Цель исследования — изучить динамику проницаемости ГЭБ после ФУЗ-таламотомии на основании оценки объема накопления КВ в зоне воздействия ФУЗ (соникаций).

В исследование было включено 10 пациентов: 8 больных БП и 2 пациента с ЭТ. Возраст больных БП составил 60,9±4,9 лет; возраст пациентки с ЭТ — 50 лет, пациента с ЭТ — 71 год. Все пациенты дали информированное письменное согласие на участие в исследовании. Протокол исследования, включая алгоритм МРТ-сканирования с КВ, был утвержден на Ученом совете ФГБУ «Федеральный центр мозга и нейротехнологий» ФМБА России и проведен через локальный этический комитет (протокол №23 от 24.11.22).

Клиническая оценка включала изучение неврологического статуса и оценку по шкалам моторного состояния Unified Parkinson’s Disease Rating Scale (UPDRS), hemi-UPDRS (разделы 20—26), оценку ригидности и гипокинезии по UPDRS (разделы 22 и 23—26 соответственно), а также оценку дрожания по шкале Clinical Rating Scale for Tremor (CRST), hemi-CRST (разделы 5—6, 8—9, 11—15). Кроме двигательных нарушений и выраженности дрожания изучалось состояние когнитивных функций по шкале The Montreal Cognitive Assessment (MoCA), качество жизни по шкале Parkinson’s disease questionnaire (PDQ-39) и активность в повседневной жизни по шкале Schwab and England Activities of Daily Living Scale (S&E ADL) (табл. 1).

Таблица 1. Демографические и клинические показатели

Примечание. UPDRS (Unified Parkinson’s Disease Rating Scale) — унифицированная шкала оценки болезни Паркинсона.

ФУЗ-таламотомия проводилась с применением системы для неинвазивной абляции фокусированным ультразвуком (HIFU) InSightec ExAblate производства INSIGHTEC (Израиль). Каждому пациенту в среднем было проведено 3 лечебных соникации с температурой от 58 до 62 °C.

МРТ-исследование проводилось на томографе Discovery MR750w 3,0 T (GE Healthcare, США) с использованием 32-канальной головной катушки. Всем пациентам был выполнен стандартный протокол магнитно-резонансного сканирования, включавший в том числе T1-ВИ с контрастированием. В качестве КВ использовался «Гадовист» («Гадобутрол»).

Проницаемость ГЭБ оценивалось до и после ФУЗ-таламотомии. Первое определение состояния ГЭБ проводилось за 16—24 ч до ФУЗ-таламотомии по стандартному протоколу, включавшему T1-ВИ, T2-взвешенные изображения (T2-ВИ), T2-взвешенные изображения с подавлением сигнала от жидкости (T2-FLAIR), диффузионно-взвешенные изображения (DWI) и последовательности с усилением сигналов от венозной крови и продуктов распада гемоглобина (SWAN). Оценивались структурные особенности ГМ с акцентом на глубинные отделы и на наличие геморрагических, ишемических и других изменений. После операции оценивались изменения сигнальных характеристик, в том числе объем проникновения КВ в области соникации через 2 и 24 ч, затем через 3, 6 и 12 мес. В 5 наблюдениях состояние ГЭБ дополнительно определялась через 1 мес после ФУЗ-таламотомии.

Для характеристики степени проницаемости ГЭБ оценивались объем, характер и интенсивность накопления КВ на T1-ВИ через 1 мин после его внутривенного введения. Выделяли следующие варианты накопления КВ:

— вариант 1 — «кольцо» (интенсивное сплошное по окружности накопление КВ) (рис. 2);

Рис. 2. Магнитно-резонансные томограммы головного мозга в аксиальной проекции в режиме T1-взвешенного изображения с контрастным усилением на уровне подкорковых ядер. Варианты накопления контрастного препарата через 2 ч после фокусированной ультразвуковой таламотомии.

а — интенсивное равномерное кольцевидное накопление контрастного препарата; б — интенсивное неравномерное кольцевидное накопление контрастного препарата в двух близко расположенных очагах коагуляционного некроза.

— вариант 2 — неполное «кольцо» (интенсивное, захватывающее до ½ окружности очага) (рис. 3);

Рис. 3. Магнитно-резонансные томограммы головного мозга в аксиальной проекции в режиме T1-взвешенного изображения с контрастным усилением на уровне подкорковых ядер. Варианты накопления контрастного препарата через 24 ч после фокусированной ультразвуковой таламотомии.

а — минимальное точечное накопление контрастного препарата; б — слабое неравномерное накопление контрастного вещества по периферии до ⅓ окружности у пациента с двумя очагами коагуляционного некроза.

— вариант 3 — мелкоточечное (мелкокалиберное очаговое накопление) (рис. 5).

Рис. 5. Магнитно-резонансные томограммы головного мозга в аксиальной проекции в режиме T1-взвешенных изображений с контрастным усилением на уровне подкорковых ядер на фоне закономерного эволюции в виде уменьшения размеров очага коагуляционного некроза. Варианты накопления контрастного препарата через три месяца после ФУЗ-таламотомии.

а – очаговое точечное накопление контрастного препарата; б – линейное накопление по краю очага.

Расчет объема накопления КВ выполнялся при помощи программы Slicer 5.6.1. Измерение проводилось вручную двумя рентгенологами. Сопоставлялись аксиальные T1-ВИ до и после введения КВ; на постконтрастных изображениях измерялся объем накопления КВ в сегментированных структурах в 3D-пространстве с учетом их пересечений. Результаты представляли в мм³. Расчет объема отека мозгового вещества по периферии очага коагуляционного некроза также выполнялся при помощи программы Slicer 5.6.1. Измерение проводилось вручную. Сопоставлялись аксиальные изображения на T2-FLAIR ВИ в сегментированных структурах в 3D-пространстве с учетом их пересечений. Результаты представляли в мм³. Для определения связи рассчитывали коэффициенты корреляции Пирсона: чем ближе экспериментальные точки к модельной линии, тем лучше процесс сходится с представленной моделью (оценивается параметром R²).

Демографические и клинические особенности пациентов отражены в табл. 1. Во всех временных точках до и после ФУЗ отмечалась прямая корреляционная связь между UPDRS и выраженностью тремора: r≥0,7043, p≤0,035. Не отмечено связи между показателями UPDRS и выраженностью тремора с одной стороны, объемом очага, типом и равномерностью накопления контрастного вещества через 2 и 24 ч после ФУЗ.

До ФУЗ на МРТ ни у одного из пациентов не было выявлено структурных изменений в области вентрального промежуточного ядра.

Через 2 ч после ФУЗ в передневентральных отделах таламуса определялся очаг с минимальным перифокальным отеком — повышение сигнала на T2-ВИ и T2-FLAIR (табл. 2); петехиальным отложением продуктов биодеградации гемоглобина — гипоинтенсивные включения на SWAN изображениях; очаговым истинным ограничением диффузии на DWI и картах коэффициента видимой диффузии (ADC-картах) и накоплением контрастного вещества по периферии очага в виде «кольца» на T1-ВИ (рис. 2, табл. 3, 4).

Таблица 2. Объем накопления контрастного средства в зоне соникации на T1-взвешенных изображениях, мм³

Таблица 3. Объем отека по периферии очага коагуляционного некроза на T2- FLAIR взвешенных изображениях, мм³

Таблица 4. Сводные данные объема накопления контрастного препарата в очаге коагуляционного некроза и отека по периферии

Через 24 ч отмечалось увеличение размеров очага с нарастанием перифокального отека и распространением его на заднее бедро внутренней капсулы и на прилежащие отделы ипсилатеральной ножки мозга (табл. 3). Кроме этого, выявлялось минимальное нарастание объема продуктов биодеградации гемоглобина на SWAN-изображениях и минимальное увеличение объема ограничения диффузии на DWI/ADC-картах. Накопление КВ по сравнению с 2 ч после ФУЗ снижалось как по объему, так и по форме — по типу «неполного кольца» (рис. 3).

Через 1 мес у 5 пациентов визуализировано уменьшение размеров очага на T2-ВИ с умеренным уменьшением перифокального отека на T2-ВИ и T2-FLAIR (табл. 3). Объем продуктов биодеградации гемоглобина не претерпевал значимых изменений. Также отмечалось минимальное уменьшение объема очага повышенной интенсивности на DWI с практически полным регрессом гипоинтенсивного сигнала на ADC-картах. Как и через 2 ч после ФУЗ, у 4 из 5 пациентов вновь отмечалось увеличение накопления КВ по периферии очага по типу «кольца» (рис. 5). В рамках данных параметров соникации, временных интервалов, мощности, температур воздействия не было выявлено корреляции с интенсивностью и объемом накопления КВ.

Через 3 мес после ФУЗ-таламотомии отмечалось значимое уменьшение размеров очага на всех последовательностях, а также снижение интенсивности и объема сигнала повышенной интенсивности на DWI без истинного ограничения диффузии на ADC-картах (рис. 4). Также наблюдалось практически полное исчезновение перифокального отека у 2 пациентов, у остальных — его полный регресс (табл. 3), а также локализация и минимальное содержание продуктов биодеградации гемоглобина. Мелкоточечное накопление КВ по периферии очага было зафиксировано у 6 пациентов (табл. 2).

Рис. 4. Магнитно-резонансные томограммы головного мозга в аксиальной проекции в режиме T1-взвешенных изображений с контрастным усилением на уровне подкорковых ядер. Варианты накопления контрастного препарата через один месяц после ФУЗ.

а — интенсивное равномерное накопление по периферии; б — интенсивное неравномерное сплошное накопление по типу «кольца».

Через 6 мес наблюдалось дальнейшее уменьшение размеров очагов, а также количества и объема продуктов биодеградации гемоглобина, которое сохранялось преимущественно по периферии. Также не фиксировалось ограничения диффузии на DWI/ADC картах. Отмечалось мелкоточечное накопление КВ по периферии очага у 7 пациентов (рис. 6, табл. 2), в 1 наблюдении накопление КВ не визуализировалось вообще и отмечался полный регресс перифокального отека (табл. 3).

Рис. 6. Магнитно-резонансные томограммы головного мозга в аксиальной проекции в режиме T1-взвешенного изображения с контрастным усилением на уровне подкорковых ядер. Варианты накопления контрастного препарата через 6 мес после фокусированной ультразвуковой таламотомии.

а — петехиальное накопление по периферии очага; б — минимальное очаговое накопление по периферии очага.

Через 12 мес у 8 пациентов отмечено дальнейшее уменьшение размеров очагов. У 1 пациента размеры очагов по сравнению с исследованием через 6 мес не изменились. Ограничение диффузии не выявлялось ни в одном случае. У всех пациентов определялись единичные продукты биодеградации гемоглобина. Мелкоточечное накопление контрастного агента по периферии очага фиксировалось у 3 пациентов, в остальных случаях накопления не было (рис. 7, табл. 2).

Рис. 7. Магнитно-резонансные томограммы головного мозга в аксиальной проекции в режиме T1-взвешенных изображений с контрастным усилением на уровне подкорковых ядер. Варианты накопления контрастного препарата через 12 мес после фокусированной ультразвуковой таламотомии.

а — минимальные единичные точечные накопления по периферии очага; б — накопление контрастного вещества в области очага не определяется.

У всех пациентов после ФУЗ было зафиксировано повышение проницаемости ГЭБ в виде патологического накопления КВ в зоне соникаций. Наиболее интенсивное накопление отмечалось через 2 ч после ФУЗ и уменьшалось к 24 ч (рис. 8). Через 1 мес после ФУЗ-таламотомии вновь наблюдалось нарастание интенсивности и площади накопления КВ в области соникаций (рис. 8). Через 3 мес отмечалось значимое уменьшение объемов накопления КВ (табл. 2). Через 6 мес визуализировалось снижение накопления КВ вплоть до его полного отсутствия у 1 пациента (табл. 2). Через 12 мес у 3 пациентов сохранялось минимальное накопление КВ, у остальных наблюдалось отсутствие накопления КВ (табл. 2).

Рис. 8. Зависимость объема накопления контрастного вещества через 24 ч после фокусированной ультразвуковой таламотомии от объема накопления через 2 ч.

По оси X отложен объем накопления контраста через 2 ч после фокусированного ультразвука (в мм³, измеренный ручным методом), по оси Y — объем накопления контраста через 24 ч после фокусированного ультразвука (в мм³, измеренный ручным методом).

Имелась определенная корреляция между суммой калибровочных, верифицирующих и лечебных соникаций, максимальной температурой в очаге после соникации, величиной суммарной поданной мощности (Вт) и энергии (Дж) и накоплением КВ. У пациентов с наибольшей суммой воздействия отмечалась мелкоточечное накопление КВ через 6 и 12 мес (рис. 6, 7, табл. 2, 5, рис. 9).

Таблица 5. Коэффициенты корреляции Пирсона для объема магнитно-резонансных контрастных средств в зоне соникации, объема отека по периферии очага коагуляционного некроза на T2-FLAIR взвешенных изображениях от температуры, мощности, энергии и числа лечебных соникаций

Примечание. В скобках указан уровень значимости.

Рис. 9. Кумулятивный эффект ультразвуковых соникаций на проницаемость гематоэнцефалического барьера в долгосрочном периоде (6 мес).

По оси X отложен объем накопления контраста (в мм³, измеренный ручным методом), по оси Y — количество лечебных соникаций. График отражает линейный рост: предполагается, что увеличение числа соникаций приводит к прогрессирующему накоплению контраста, но с возможным плато (насыщением эффекта) при высоких дозах из-за адаптивных механизмов гематоэнцефалического барьера, а также с учетом индивидуальной вариабельности (индивидуальной чувствительности гематоэнцефалического барьера, точности наведения, быстроты восстановления эндотелия, нарушения глимфатического клиренса).

Коэффициенты корреляции Пирсона для объема накопления КВ в очаге соникации по временным точкам и объема отека по периферии очага коагуляционного некроза с температурой соникации, числом лечебных соникаций, мощностью и энергией представлены в табл. 5.

Проведенное исследование показало изменение в динамике проницаемости ГЭБ после ФУЗ-таламотомии. ГЭБ — сложно организованная структура с уникальной транспортной функцией, регуляторными и защитными механизмами. ГЭБ включает систему капилляров и посткапиллярных венул, регулирующих прохождение молекул и клеток в вещество ГМ и из него. Известно, что одним из предикторов при оценке целостности ГЭБ является проникновение и распределение гадолиний-содержащих препаратов в межклеточном пространстве при магнитно-резонансных исследованиях.

Исследования A. Burgess и соавт. (2015), N. Lipsman и соавт. (2018), Y. Meng и соавт. (2019) показали, что преходящее перивенозное накопление КВ может наблюдаться в течение 24 ч после открытия ГЭБ. Этот маркер визуализации соответствует проницаемости ГЭБ и сохраняется в течение 24 ч до спонтанного разрешения [13—15].

По одной из гипотез в фокусе ультразвукового луча в эндотелии сосудов инициируется острая воспалительная реакция. Это приводит к увеличению экспрессии провоспалительных цитокинов и хемокинов, что способствует запуску каскада биоэффектов. Помимо потенциального влияния на нейрогенез, ангиогенез и экспрессию белков-переносчиков, острое воспаление, вероятно, может способствовать усилению эндоцитоза и снижению иммунореактивности белков плотных соединений. Воздействие ФУЗ может вызывать реактивный глиоз, который, в свою очередь, может препятствовать нейропластичности и регенерации [16]. По данным E. Zenaro и соавт. (2016), активность молекул адгезии, интегрированных в плотные соединения, включая клаудин-1, клаудин-5 и ZO-1, может быть инициирована посредством ФУЗ-воздействия [17].

Увеличение концентрации глиального фибриллярного кислого белка (GFAP) подтверждает, что нарушение проницаемости ГЭБ посредством ФУЗ запускает активацию не только микроглии, но и астроцитов [12]. Нарушение проницаемости ГЭБ посредством ФУЗ вызывает изменения транскрипции генов, которые связаны в том числе и с транзиторной воспалительной реакцией в микрососудах. При этом повышенная транскрипция генов провоспалительных цитокинов, по-видимому, быстро возвращается к исходному уровню, что отражается в активности проникновения молекул контрастного вещества через ГЭБ и коррелирует с изменением интенсивности магнитно-резонансного сигнала в зоне воздействия [18, 19].

E.A. Kiyatkin и соавт. отмечают, что проницаемость ГЭБ, количественно оцениваемая по утечке альбумина, зависит от температуры. В исследованиях на крысах было показано, что количество альбумин-позитивных клеток, локализующихся по периферии капилляров ГМ, минимально при нормотермических значениях (34,2—38 °C), выше (в 2—4 раза) при гипотермических значениях (32,2—34,2 °C) и значительно выше (в 26 раз) при гипертермических значениях (38—42,5 °C). Клетки ГМ исключительно чувствительны к термическому повреждению. В культивируемых нейронах спонтанная активность необратимо прекращалась между 42 и 43 °C, что указывает на прямое повреждение. На моделях крыс структурно аномальные клетки отсутствовали при низких и нормальных температурах, а при температуре 38,5 °C было обнаружено несколько аномальных клеток, их количество линейно увеличивалось с повышением температур. Температурный порог, вызывающий прогрессирующее термическое повреждение метаболически активных клеток, ГЭБ и эндотелия сосудов, по-видимому, составляет 39—40 °C. При аналогичном температурном пороге активируются белки теплового шока, вызывающие толерантность к теплу и усиливающие клеточную защиту. Помимо повреждений на клеточном уровне, термические повреждения также являются частью последствий на тканевом уровне, которые включают отек паренхимы и повреждение ГЭБ [20].

Под данным R.I. Mehta и соавт. (2021), у женщин (возраст 61, 72 и 73 лет), после 3 процедур ФУЗ на гиппокамп и энторинальную кору с использованием преобразователя частотой 220 кГц и с введением КВ с интервалом в 2 нед было выявлено нарушение проницаемости ГЭБ и накопление КВ в этих областях. Накопление КВ исчезало через 24 ч после каждого ФУЗ-воздействия, подтверждая нормализацию проницаемости ГЭБ, что соответствует полученным в представленном исследовании результатам [21].

Дальнейшее изучение связи между длительностью, объемом повреждения при ФУЗ-таламотомии и степенью накопления КВ может помочь как в прогнозировании результатов лечения, так и возможных остаточных явлений (возобновления тремора).

Введение контрастного вещества ФУЗ-таламотомии позволяет выявить нарушение целостности ГЭБ в зоне соникаций.

В первые 2 ч после ФУЗ-таламотомии отмечается активное накопление контрастного вещества (КВ), которое значительно уменьшается к исходу 24 ч. Через 1 мес наблюдается повторное повышение проницаемости ГЭБ и накопление КВ. В последующие месяцы проницаемость ГЭБ постепенно восстанавливается, и через 6 и 12 мес накопление КВ наблюдается в единичных случаях.

Полученные данные свидетельствуют о волнообразном нарушении проницаемости ГЭБ в зоне соникации при ФУЗ-таламотомии.

Связь между длительностью и объемом повреждения при ФУЗ может стать предиктором успешности лечения и выраженности остаточных явлений (возобновления тремора), что может быть определено по степени накопления КВ в зоне воздействия.

Поиск наиболее специфичных молекул, в том числе парамагнитных контрастных препаратов, для оценки степени проницаемости ГЭБ является перспективным и требует дополнительных исследований.

Участие авторов:

Концепция и дизайн исследования — Долгушин М.Б., Мартынов М.Ю.

Сбор и обработка материала — Долгушин М.Б., Мартынов М.Ю., Гумин И.С., Катунина Е.А.

Написание текста — Долгушин М.Б., Мартынов М.Ю., Прищепина К.А., Дворянчиков А.В.

Редактирование — Долгушин М.Б., Мартынов М.Ю., Таирова Р.Т., Катунина Е.А., Сенько И.В., Дворянчиков А.В.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.