MEMRI

En esta nueva newsletter, el Servicio de Resonancia de Investigación quiere mostraros una técnica que lleva empleándose más de 20 años. Esta técnica se llama MEMRI: Manganese Enhanced MRI y está basada en el contraste T1 que puede generar el ión Mn+2 en imagen por Resonancia Magnética cuando es administrado como MnCl2.  

El Mn+2 es un elemento esencial para los organismos y participa como cofactor en varias familias de enzimas. Aunque es considerado como uno de los  menos tóxicos, la exposición excesiva a éste produce una toxicidad a nivel del sistema nervioso central. De hecho, encontramos mucha bibliografía en la que se describen muchos protocolos con distintas vias de administración. 

Puede entrar en el SNC a través de las neuronas receptoras de la via olfativa  y también a la barrera hematoencefálica por mecanismos de difusión o trasporte activo. Una vez que el Mn⁺² está dentro del sistema nervioso, el Mn⁺² es transportado por los microtúbulos que existen en el transporte axonal, participar en la sinapsis y acumularse en las neuronas vecinas.

El uso del Mn⁺² como agente de contraste en RM fue empleado por primera vez hace 20 años en ratas anestesiadas y fue utilizado para estudiar su toxicidad. El primero que empléo MEMRI para estudiar la actividad cerebral y los tractos neuronales fue Koretsky.  

MEMRI tiene tres principales aplicaciones en los sistemas biológicos:

• Proporciona un aumento del contraste anatómico
• Evalúa la actividad dependiente de la concentración de Mn⁺²
• Hace posible trazar las conexiones neuronales o seguimiento de los tractos

MEMRI se basa entonces en las tres propiedades del Mn⁺² :

Es un ion paramagnético que acorta el tiempo de relajación T1 del agua;  en aquellas zonas donde se acumule producirá un aumento de contraste T1, imágenes hiperintensas con acortamiento de los valores del T1. Como es un análogo al Ca⁺², éste puede entrar en las células excitables (neuronas o células cardiacas con canales de Calcio dependientes de voltaje)

La combinación de las propiedades físicas y biológicas del Mn⁺² hace que sea un contraste eficaz para imagen anatómica y funcional en múltiples sistemas. Actualmente, las aplicaciones principales son:                               

• Variación del contraste T1: la inyección sistémica del Mn⁺² se utiliza para estudiar la citoarquitectura cerebral en estudios anatómicos. Esta técnica que ha sido usada en adultos también se utiliza en organismos en desarrollo, por ejemplo para estudiar el desarrollo de los embriones en el útero.

• Como el Mn⁺² puede entrar en las células a través de los canales de Ca⁺² dependientes de voltaje, se usa también como marcador de la actividad en determinados protocolos que estudian la acumulación en áreas cerebrales activas. También tiene aplicación en estudios cardíacos por la alta concentración de canales de Ca⁺².

• MEMRI se usa también como un trazador de los tractos neuronales para varias vías neuronales. Incluyendo la visual, olfativa y la somatosensorial en varios modelos animales como la rata, ratón, monos y pájaros.

• Incluso se ha demostrado que con MEMRI se pueden detectar lesiones y que el transporte de Mn⁺² dentro de las neuronas de la médula espinal puede incluso dar una indicación del grado de recuperación de la médula en roedores.

Un artículo publicado en 2020 estudia como con la técnica MEMRI se puede caracterizar las vías ascendentes y descendientes de la médula espinal. Existen varios artículos que describen la técnica y uno es de los que se resume a continuación.

Como ya sabéis todos, la médula espinal está compuesta por nueve láminas celulares distintas que hasta ahora solo se podían visualizar  por métodos histológicos.  Los métodos de imagen que se están desarrollando permiten visualizar la arquitectura laminar in vivo. La técnica MEMRI como ya se comentó anteriormente, puede dar una información funcional y estructural  en el cerebro y tiene una gran potencialidad para caracterizar las vías neuronales de la médula espinal.

El empleo de técnicas de imagen no invasiva para monitorizar la viabilidad de las neuronas motoras en la médula espinal podría contribuir a encontrar nuevas estrategias terapéuticas para enfermedades cuyo origen está en las neuronas motoras.  La mayoría de estas enfermedades afectan inicialmente a una población específica determinada dentro de la médula y no producen grandes cambios estructurales. Por tanto, se necesitan desarrollar nuevas tecnologías que permitan por métodos no invasivos estudiar la función de la médula espinal. Sin embargo, el poder obtener imágenes de alta resolución conlleva un reto porque hay que tener una serie de factores tales como el movimiento del animal, la profundidad del tejido y el artefacto de susceptibilidad del líquido cerebroespinal y de las vértebras que pueden estropear la calidad de la imagen.

En el artículo también se describe como con MEMRI se pueden visualizar las regiones laminares I-IX del segmento torácico por un aumento en la intensidad de la imagen por contraste T1.  Insistiendo siempre que todas estos resultados tienen que estar confirmados por técnicas histológicas.

Existen numerosos artículos publicados que explican las diferentes formas de administración del MnCl2. En el artículo comentado aquí, el MnCl2 se inyectó via ip y la imagen no se tomó hasta 48 horas después.

El protocolo de imagen descrito en el artículo fue aplicado en un equipo de de 11.7T, que permite trabajar con resoluciones mejores que para un 7T como el que disponemos en el laboratorio. Se adquirieron imágenes potenciadas en T1 y también  mapas paramétricos de T1 con varios tiempos de repetición en la secuencia para obtener los valores cuantitativos de T1 en determinadas regiones de interés, siempre en situación basal y post-administración de MnCl2.

Al haber adquirido varias imágenes de T1 con distintos tiempos de repetición (TR) es posible obtener los  mapas de T1. En las rois seleccionadas se puede obtener el valor de T1 antes y después de haber administrado MnCl2.

Como ya comentamos anteriormente, una vez realizada la imagen, los animales fueron sacrificados para poder comparar los resultados obtenidos de RM con cortes histológicos preparados para inmunohistoquímica e inmunofluorescencia.

El articulo demuestra en sus estudios como con la administración de Mn⁺² se pueden diferenciar las distintas láminas de la médula espinal mediante imagen por Resonancia Magnética in vivo. Por supuesto, vosotros poséis un gran conocimiento de la estructura anatómica de la médula espinal y sois capaces de reconocer estas zonas mediante cortes histológicos pero es un reto emocionante y muy atractivo el poder estudiar estos tractos in vivo. Os animo a la lectura de los artículos que os adjunto y si tenéis curiosidad por la técnica no dudéis en contactar con el servicio de Resonancia Magnética

Bibliografía

1. Benedikt T. Bedenk, Suellen Almeida-Corrêa, Angela Jurik, Nina Dedic, Barbara Grünecker, Andreas J. Genewsky, Sebastian F. Kaltwasser, Caitlin J. Riebe, Jan M. Deussing, Michael Czisch, Carsten T. Wotjak. Mn2+ dynamics in manganese-enhanced MRI (MEMRI): Cav1.2 channel-mediated uptake and preferential accumulation in projection terminals. NeuroImage,Volume 169,2018,Pages 374-382

• Zhang J., Wu D., Turnbull D.H. (2018) In Utero MRI of Mouse Embryos. In: García Martín M., López Larrubia P. (eds) Preclinical MRI. Methods in Molecular Biology, vol 1718. Humana Press, New York, NY.

• Cynthia A. Massaad and Robia G. Pautler Manganese-Enhanced Magnetic Resonance Imaging (MEMRI) . Methods Mol Biol. 2011 ; 711: 145–174. doi:10.1007/978-1-61737-992-5_7

• Vijai Krishnan, Jiadi Xu, Albert German Mendoza, Alan Koretsky, Stasia A Anderson, Galit Pelled. High-resolution MEMRI characterizes laminar specific ascending and descending spinal cord pathways in rats. Journal of Neuroscience Methods. Volume 340. 2020, 108748, ISSN 0165-0270. https://doi.org/10.1016/j.jneumeth.2020.108748.