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Metabolic Fingerprints from Magnetic Resonance: Levels, Maps, and Microstructure

English title Metabolic Fingerprints from Magnetic Resonance: Levels, Maps, and Microstructure
Applicant Kreis Roland
Number 175984
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Abt. Magnetresonanz-Spektroskopie u. Method. Departement für Klinische Forschung Universität Bern
Institution of higher education University of Berne - BE
Main discipline Neurophysiology and Brain Research
Start/End 01.12.2017 - 30.11.2021
Approved amount 700'000.00
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All Disciplines (4)

Discipline
Neurophysiology and Brain Research
Endocrinology
Physiology : other topics
Biophysics

Keywords (14)

brain; lipids; magnetic resonance spectroscopy; metabolic imaging; magnetic resonance imaging; methodology; obesity; diffusion; neurotransmitters; depression; diurnal variation; microstructure; sleep; skeletal muscle

Lay Summary (German)

Lead
Magnet Resonanz (MR) ist die Basis für die vielseitigste Technik, um Eigenschaften von Molekülen und Geweben in verschiedensten Wissenschafts-Gebieten, wie der Chemie, Physik, Biologie und Medizin zu untersuchen. In der Form von MR Bildgebung (MRI oder MRT) bewährt sich diese Methodik als das vielseitigste Verfahren, das ganz ohne Eingriffe oder schädliche Strahlung auskommt, um Schnittbilder des Körpers, vor allem der Weichteile, anzufertigen. Die MR Spektroskopie (MRS) ist eine Technik, die es erlaubt mit den gleichen Instrumenten die chemische Zusammensetzung von Organen - wiederum eingriffsfrei - zu bestimmen. Diese chemische Information kann zur Untersuchung von grundlegenden Stoffwechselvorgängen oder zur Erforschung von Veränderungen bei verschiedenen Krankheiten verwendet werden. Auch im Einzelpatienten kann MRS zur Diagnose oder zur Beurteilung des Erfolgs einer Behandlung eingesetzt werden.
Lay summary

Inhalt und Ziele des Forschungsprojekts

Obwohl die MR Technik schon anfangs der 90er Jahre in der Medizin weitläufig Einzug gehalten hat, werden auch jetzt noch stetig grundlegende Weiterentwicklungen in den Apparaturen und in den Techniken, wie diese Methodik eingesetzt und verbessert werden können, erzielt.  Höhere Magnetfelder, stärkere Gradientenfelder und multiple Detektoren sind dabei einige der Hauptattraktionen der letzten Jahre, die es erlauben, Bilder immer schneller und mit höherer Auflösung, sowie mit ganz speziellen und anwendungs-spezialisierten Kontrasten aufzunehmen und auch weitere Eigenschaften von bestimmten Molekülen zuverlässiger zu bestimmen. Vor allem zum letzten Punkt soll dieses Forschungsprojekt beitragen.
Es befasst sich als erstes mit Verbesserungen in der Methodik von MR Spektroskopie, so wie sie heute in der Klinik angewendet wird. Damit sollen genauere und zuverlässigere Daten erhoben werden können und auch Gewebskonzentrationen von Molekülen erfasst werden können, die heute noch nicht messbar sind. Andererseits dreht sich das Projekt auch um Erweiterungen der MRS, die es erlauben die Moleküldiffusion, also die mikroskopische Bewegung von Molekülen in spezifischen Geweben, zu nutzen und zu beurteilen. Dazu werden in Zusammenarbeiten mit Forschungsinstitutionen in Zürich und Leipzig, neuste und einzigartige MR Scanner mit sehr starken Gradientenfeldern genutzt.  Auch MR Spektroskopie Methoden, die auf höheren Magnetfeldern beruhen als sie heute in der Klinik stehen, werden weiterentwickelt, um genauere chemische Analysen erlauben zu können. Des Weiteren zielt das Projekt auch auf einige konkrete Anwendungen im Bereich der Erforschung des Schlafs, psychischer Erkrankungen und des Diabetes.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

MR Untersuchungen sind zwar teuer, aber erlauben häufig auch sehr genaue Diagnosen und die nicht-invasive Beurteilung der Wirksamkeit diverser Therapien, was dann sehr wohl kostensparend wirkt.  Der Grossteil der beabsichtigten Forschung ist zwar Grundlagenforschung und kann deshalb nicht direkt mit einem konkreten sicheren gesellschaftlichen Gewinn verbunden werden. Basierend auf den Erfahrungen in den letzten 20 bis 30 Jahren im Gebiet der medizinischen MR Technologie kann aber klar behauptet werden, dass auch dieses Projekt grosse Chancen hat, diagnostische und basiswissenschaftliche Fortschritte für die Behandlung von Patienten zu liefern. Diese werden das Verständnis von Stoffwechselvorgängen im Allgemeinen und im einzelnen Patienten fördern und so zu verbesserter Diagnostik und Behandlungsmöglichkeiten beitragen.

Direct link to Lay Summary Last update: 10.11.2017

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
156952 Magnetic resonance techniques to determine metabolite levels: extending scope and clinical robustness 01.12.2014 Project funding (Div. I-III)
170062 The aging mitochondria, dynamic and protective adaptations of exercise 01.12.2016 Project funding (Div. I-III)

Abstract

BackgroundMagnetic resonance imaging (MRI) and spectroscopy (MRS) provide non-invasive modalities to explore human morphology, function and metabolism. MRS is widespread as biomedical research tool to investigate chemical fingerprints of human physiology in health and disease. Clinical applications still lag behind for lack of a simple push-button tool and limited robustness. In research on the other hand, applications abound while progress is far from complete. It relies on dedicated explorations using the latest technological advances in MR hardware and methodology, but also on specific step-by-step optimization of existing methods under the aspect of specific metabolic imaging targets. Ultra-high magnetic fields (UHF, 7-9.4T) provide the arena to overcome previous limitations in signal-to-noise, while ultra-strong gradient (USG) systems are now available to obliterate previous limits in diffusion-related techniques. In addition, techniques like exchange saturation transfer (CEST) MRI and relaxation enhancement MRS extend the range of metabolites of high clinical interest, while using an interplay of optimized acquisition and processing algorithms promises pushing into the micromolar range. The novel methods will immediately be applied to address diverse crucial open issues in human physiology: 1) Neurotransmitter levels, like GABA, glutamate come into focus for non-invasive mapping by MR in humans. 2) Accumulation of ectopic lipids in diabetes and obesity, where it is of prime interest to distinguish between beneficial and detrimental lipid accrual. 3) Physiology of sleep and diurnal homeostasis, where invasive animal data suggests a major role for sleep in detoxification and initial cardiac studies show changes in ectopic lipd levels.Working HypothesesA) “Use of forefront technology and methods” and B) “Optimization of all steps in state-of-the-art methodology” are two paths that lead in this project to substantial lowering of the detection thresholds for metabolite levels in humans.C) Seminal findings with wide-ranging consequences will emerge from application of the developed techniques for distinct applications in the context of neurophysiology and ectopic lipids. Methods & Expected ResultsForefront technology and a collaboration network at five prime MR research sites allow the use and combination of pioneering UHF and USG systems with sophisticated acquisition and processing methods, as well as a unique constellation of know-how, including field probes and optical devices for measurement stabilization, non-water-suppressed sequences for signal enhancement, as well as specialized expertise on MR technology, spectral fitting, as well as sleep physiology, ectopic lipids and serotonin disorders.Expected Value of the Proposed ProjectThe proposal aims at extending methodology towards more sensitive and robust MRS and metabolic imaging on one side and at novel uses in physiology and medicine on the other. The use of forefront methodology will pave the way for further technical innovation, but also provides results that can be used on clinical systems. The specific applications promise to provide groundbreaking new findings themselves. In particular, any means to further characterize diurnal homeostasis and sleep physiology may have substantial impact in neurodegeneration research. In addition,lipid droplet size may become a crucial parameter to judge the interplay of ectopic fat deposition, insulin resistance and benefits from exercise training and specific diets.
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