Implementation of high-resolution MRSI methods in a pre-clinical scanner, and optimization for brain longitudinal studies of therapy response in mice glioma models

Abstract

L'Espectroscòpia de Ressonància Magnètica i d'Imatge (MRS/MRSI) són metodologies diagnòstiques no invasives que utilitzen camps magnètics i irradiació de radiofreqüència intensos per a avaluar la composició química dels essers vius. La MRS, que es basa en els mateixos principis que la Imatgeria de Ressonància Magnètica (MRI), en lloc de produir imatges, genera un espectre de senyals codificades en freqüència que poden utilitzar-se en la identificació i quantificació de les molècules presents en un teixit determinat. Es necessari fer estudis preclínics del glioblastoma (GB), ja que encara no tenim una cura pels pacients. Aquests estudis es beneficiarien extraordinàriament d'una major resolució espacial i d'una millor homogeneïtat de les dades de la MRSI. Conseqüentment, vàrem voler treballar durant aquesta Tesi en la millora de les estratègies d'adquisició de dades de MRS i MRSI. Quan a això, existeix un consens metodològic entre experts en espectroscòpia MRS senyalant la seqüència 'Eco de spin localitzat, adiabàtic, re-enfocat' (semiLASER), com a l'estratègia de localització de senyal MRS amb major probabilitat de millora de la qualitat de l'abans dita adquisició de dades MRS. Aquesta seqüència semiLASER fa servir polsos adiabàtics per re-enfocar el senyal originat en un determinat volum d'interès. Allò produeix un millor quocient senyal/soroll (SNR) i una millor resolució espacial, comparat amb altres seqüències convencionals d'adquisició de dades. Encara que la utilitat de la semiLASER a l'ús preclínic està ben acceptada, la utilització i posada a punt de la seqüència semiLASER a experiments preclínics està molt menys estesa. Es en aquest camp preclínic on el nostre grup ha demostrat una provada expertesa en el seguiment de la resposta a la teràpia mitjançant MRSI a un model de glioblastoma de ratolí (amb la línia cel·lular GL261), encara que fent servir una seqüència d'adquisició de dades MRSI accessible comercialment. Així, com a continuació del nostre treball, hem desenvolupat i posat a punt en aquesta Tesi la seqüència semiLASER que es fa servir a hospitals, però per ser emprada a un escàner preclínic Bruker BioSpec de 7 Teslas, que utilitza el programa ParaVision 5.1. Aquest programa ens proporciona una interfície gràfica d'usuari per a la programació de noves seqüències de polsos i per a l'adquisició de dades. Les seqüències SV-semiLASER i MRSI-semiLASER desenvolupades en aquesta Tesi s'han descrit de manera que puguin ser utilitzades per altres usuaris interessat d'institucions diferents. Així, les SV-semiLASER i MRSI-semiLASER es van optimitzar per a l'adquisició de dades d'espectroscòpia d'alta resolució de cervell de ratolí. Per a això, es va valorar el seu correcte funcionament amb 'maniquis', in vitro, per a continuació avaluar-les in vivo, en ratolins control i també portadors d'un tumor cerebral induït de tipus GL261. Les seqüències SV and MRSI-semiLASER implementades van produir un augment aproximat d'1.3-1.4 vegades en la SNR de dissolucions model a maniquis, mentre que l'augment de SNR a cervell de ratolí va ser d'aproximadament 1.2-1.3 cops, comparat amb la seqüència comercial PRESS Bruker disponible per a adquisicions de volum únic (SV). Es va obtenir també un augment de la resolució espacial. A més, es va fer una anàlisi quantitativa dels resultats obtinguts mitjançant algoritmes de post-processament desenvolupats en MATLAB, que es van estendre a propostes de millora futura pel seu processament integrat accelerat mitjançant automatització. Així mateix, es varen simular les seqüències semiLASER desenvolupades mitjançant l'eina 'NMRSCOPE-B simulador virtual', accessible entre els mòduls del jMRUI, el que va confirmar la correcta programació de les seqüències de polsos desenvolupades. Finalment, es varen obtenir imatges nosològiques mitjançant l'aplicació del programa SpectraClassifier, ensinistrat amb dades de tumors GL261 obtingudes amb la seqüència CSI-PRESS comercial, a xarxes de dades obtingudes

La Espectroscopía de Resonancia Magnética y de imagen (MRS/MRSI) son metodologías diagnósticas no invasivas que utilizan campos magnéticos e irradiación de radiofrecuencia intensos para evaluar la composición química de los seres vivos. La MRS, que se basa en los mismos principios que la Imaginería por Resonancia Magnética (MRI), en lugar de producir imágenes, genera un espectro de señales codificadas en frecuencia que pueden utilizarse en la identificación y cuantificación de las moléculas presentes en un determinado tejido. Es necesario llevar a cabo estudios preclínicos acerca del glioblastoma (GB), ya que actualmente no existe aún cura para los pacientes. Dichos estudios se beneficiarían enormemente de una mayor resolución espacial y de una mejor homogeneidad de las mallas de datos de la MRSI. En consecuencia, pretendimos trabajar durante la presente Tesis en la mejora de las estrategias de adquisición de datos de MRS y MRSI. En ese sentido, existe un consenso metodológico entre expertos señalando la secuencia ¿Eco de espín localizado, adiabático re-enfocado¿ (semiLASER) como la estrategia de localización de señal MRS con mayor probabilidad de mejora de la calidad de dicha adquisición. La secuencia semiLASER utiliza pulsos adiabáticos para re-enfocar la señal procedente de un determinado volumen de interés. Ello conlleva un mejor cociente señal/ruido (SNR) y una mejor resolución espacial, comparado con secuencias de adquisición de datos convencionales. Aunque la utilidad de la semiLASER en el trabajo clínico está bien aceptada, el uso y puesta a punto de la secuencia semiLASER en experimentos preclínicos está menos extendida. En ese campo preclínico, nuestro grupo tiene una probada experiencia en el seguimiento de la respuesta a terapia mediante MRSI en un modelo de glioblastoma murino (con la línea celular GL261), aunque utilizando una secuencia de adquisición de datos MRSI disponible comercialmente. Como continuación de nuestro esfuerzo en conectar la experimentación preclínica con su traslacionalidad clínica, hemos desarrollado y puesto a punto durante esta Tesis la secuencia semiLASER en un escáner preclínico Bruker Biospec de 7 Teslas, equipado con el programa ParaVision 5.1, que nos proporciona una interfaz gráfica de usuario para programación de nuevas secuencias y adquisición de datos. Las secuencias SV-semiLASER y MRSI-semiLASER desarrolladas durante esta Tesis se han descrito de manera que puedan ser reutilizadas por parte de usuarios interesados en otros centros de investigación. Así, las SV-semiLASER y MRSI-semiLASER se optimizaron para la adquisición de datos en espectroscopía de alta resolución de cerebro de ratón, in vivo. Para llegar a ello, dichas secuencias se verificaron primero en ¿maniquíes¿, in vitro, para a continuación evaluarse in vivo en ratones control y aquejados por tumor cerebral inducido de tipo GL261. Las secuencias SV y MRSI-semiLASER implemetnadas produjeron un aumento aproximado de 1.3-1.4 veces en la SNR en disoluciones modelo, mientras que el aumento de SNR para cerebro de ratón fue de aproximadamente 1.2-1.3 veces, comparado con la secuencia comercial PRESS Bruker accesible. Se obtuvo también un aumento de resolución espacial. Además, se llevó a cabo un análisis cuantitativo de los resultados obtenidos mediante algoritmos de post-procesamiento desarrollados en MATLAB, que se extendieron a propuestas de mejora futura para su procesamiento integrado automatizado acelerado. Asimismo, se simularon las secuencias semiLASER mediante la herramienta ¿NMRSCOPE-B simulador virtual¿, accesible a través de los módulos de jMRUI, lo que confirmó la correcta programación llevada a cabo de las secuencias desarrolladas. Finalmente, se obtuvieron imágenes nosológicas mediante la aplicación de la herramienta SpectraClassifier, entrenada mediante datos de tumores GL261 obtenidos mediante la secuencia CSI-PRESS comercial, a mallas de datos de tumores GL261 obtenidos con la secuencia MRSI-semiLASER desar

Magnetic resonance spectroscopy and magnetic resonance spectroscopic imaging (MRS/MRSI) are non-invasive diagnostic techniques that use a strong magnetic field and radio waves to examine the chemical composition of living tissue. Working on the same principles as Magnetic Resonance Imaging (MRI), instead of producing images, MRS generates a spectrum of signals that can be used to identify the type and quantitative content of molecules present in a tissue. Preclinical glioblastoma studies looking forward to improving therapeutic outcomes are necessary since clinical GB has no current cure. These studies can greatly benefit from improved spatial resolution and homogeneity of the acquired MRSI grids. Hence, we can work towards improved acquisition schemes enhancing the quality of acquired data using MRS and MRSI. There exists a methodological consensus among spectroscopy experts where the Localized Adiabatic Spin Echo Refocused (semiLASER) data acquisition strategy has been ranked as the most likely localization technique to improve (pre) clinical MRS. SemiLASER uses adiabatic pulses to selectively excite and refocus the signal from a localized volume of interest in the brain. This results in a higher signal-to-noise ratio (SNR) and better spatial resolution compared to conventional data acquisition sequences. Although, the clinical utility of semiLASER has been acknowledged, the pre-clinical use and implementation of semiLASER still remains a less explored area. Our group has a long record of using MRSI in therapy response monitoring of a murine model glioblastoma (the GL261 cell line) using a commercially available MRSI acquisition sequence. In our efforts towards bridging the barriers between pre-clinical and clinical research, we have implemented the clinically verified semiLASER sequence on a pre-clinical 7T Bruker Biospec USR scanner running the ParaVision 5.1 software package, which provides a graphical user interface for sequence programming and data acquisition. The single and multi-voxel semiLASER sequences were implemented with the idea that the developments generated during this PhD project will be replicable by other interested users. The implemented SV-semiLASER and MRSI-semiLASER sequences for preclinical acquisitions were optimised to perform high resolution MRSI of living mouse brain. For this, sequences were duly verified and tested first in phantoms and later in-vivo, in wild-type (wt) and tumor bearing (GL261) mice. To do so, the Bruker pulse sequence implementation was first studied in detail to become familiar with the Bruker programming environment and a test sequence PRESS_Slice to localize the slice dimension was developed by modifying the Bruker stock PRESS sequence for single voxel localization. The implemented SV-and MRSI-semiLASER sequences provided a ca. 1.3-1.4-fold improvement in SNR in phantoms and ca. 1.2-1.3 fold improvement in SNR for in-vivo subjects, in comparison to the stock Bruker PRESS sequences. Higher spatial resolution was also achieved for the implemented MRSI-semiLASER. The quantification analysis of the results was done using MATLAB based post-processing tools specially designed to process Bruker datasets, and solutions for a faster post processing pipeline were proposed. The single voxel MRSI-semiLASER sequences were further simulated using NMRSCOPE-B virtual simulator, a jMRUI plug-in which positively correlated with the experimental results. Preliminary nosological images obtained using MRSI-semiLASER datasets and the SpectraClassifier tool previously developed in our group, and trained with GL261 tumors using already available CSI-PRESS data.