Multivoxel magnetic resonance spectroscopy of the brain in HIV+ patients

UVOD: Neurokognitivni poremećaj udružen sa HIVinfekcijom (HIV associated neurocognitive disorder- HAND) javlja se u oko polovine pacijenata sa HIV-om. HAND obuhvata spektar neuroloških poremećaja koji variraju od asimptomatskog neurokognitivnog poremećaja(ANI), preko blagog kognitivnog oštećenja, koje se naziva blagi kognitivni poremećaj (MND) do demencije udružene sa HIV-om (HAD). U evaluaciji i dijagnostici ovog poremećaja koriste se razne laboratorijske, kliničke i metode imidžinga, među kojima magnetno-rezonantni imidžing (MRI) zauzima posebno mesto u pogledu dijagnostike strukturnih poremećaja. Međutim, za dijagnostiku suptilnih supcelularnih neurobiohemijskih poremećaja neophodno je korišćenje magnetno-rezonantne spektroskopije (MRS). Klasično shvatanje promena u neurobiohemijskom profilu kod pacijenata sa HIV infekcijom uključuje: sniženje NAA (neuronskog markera) kao odraz neurodegeneracije, povišenje Cho (markera razgradnje membrana) kao odraz inflamacije/ apoptoze, povišenje mI (markera proliferacije mikroglije) kao odraz inflamacije i povišenje Glx+Gln (markera glutaminergične ravnoteže) kao odraz ekscitotoksičnosti. Do sada u literaturi nije opisano korišćenje multivokselske MRS mozga na HIV+ pacijentima. CILJEVI: Ciljevi studije su bili: utvrditi da li postoje promene u odnosima koncentracija metabolita u mozgu dobijenih metodom multivokselske MRS u neurološki asimptomatskih HIV+ pacijenata u poređenju sa zdravim kontrolnim ispitanicima,zatim da li postoje razlike između pacijenata na kombinovanoj antiretroviralnoj terapiji (cART) i pacijenata bez cART; utvrditi da li postoji i kakva je povezanost odnosa metabolita dobijenih MRS sa imunološkim parametrima HIV+ pacijenata i nivoom nadir CD4+ T-limfocita; i konačno, utvrditi da li postoji i kakva je povezanost dobijenih odnosa metabolita sa parametrima penetracije antiretroviralne terapije u centralni nervni sistem. ISPITANICI I METODE: U studiju je uključeno ukupno 114 ispitanika (32 HIV+ pacijenta na cART, prosečne starosti 41.97 godina (25-61); 28 HIV+ pacijenata bez cART, prosečne starosti 35.21 godina (24-52); 50 kontrolnih, zdravih subjekata prosečne starosti 36.56.godina (19-53)). Svi ispitanici su potpisali informisani pristanak za učešće u studiji. Ispitivanje je odobreno od strane Etičke komisije Instituta za onkologiju Vojvodine, kao i Etičke komisije Medicinskog fakulteta Univerziteta u Novom Sadu. Kriterijum za uključenje pacijenata u studiju je bio prisustvo HIV infekcije. Kriterijumi za isključivanje pacijenata iz studije su bili: prisustvo aktivne oportunističke infekcije, prisustvo aktivnog neurološkog oboljenja, podatak o aktivnoj zloupotrebi narkotika, koinfekcija virusom hepatitisa B i C, prisustvo lezija bele ili sive mase i kontraindikacije za snimanje na aparatu za magnetnu rezonancu. 4 ispitanika su isključena iz ispitivanja. Svim ispitanicima urađeni su skrining neurokognitivni testovi, kao i rutinska laboratorijska ispitivanja (broj CD4+, CD3+ i CD8+ limfocita). Nakon toga, svim ispitanicima urađen je konvencionalni MRI praćen multivokselskom MRS supratentorijalne suprakalozalne bele mase. Ispitivano je ukupno 12 voksela (6 u sivoj i 6 u beloj masi), odnosno preko 7900 spektara. Određeni su pikovi karakterističnih metabolita. Na metodi dugog eha analizirana su tri glavna pika: NAA na 2.0ppm, Cho na 3.2ppm i tCr na 3.ppm, izražena preko odnosa koncentracija NAA/Cr i Cho/Cr. Na metodi kratkog eha analizirani su signali NAA, Cho, Cr te mI na 3.5ppm i Glx+Gln na 2.2-2.4ppm. Ovi signali su izraženi kroz odnose koncentracija NAA/Cr, Cho/Cr, mI/Cr i (Glx+Gln)/Cr. Za statističku obradu podataka korišćen je IBM SPSS ver. 21.0. Deskriptivna statistika je uključila određivanje srednje vrednosti, minimuma, maksimuma i standardne devijacije. Razlike između posmatranih grupa ispitanika za sve kontinuirane varijable ispitivane su jednofaktorskom analizom varijanse (ANOVA) sa naknadnim (post-hoc) testovima za koje je korišćena metoda po Tukey-ju. Rezultati su prikazani u vidu srednjih vrednosti, standardne devijacije, najviše i najniže izmerene vrednosti (maksimum i minimum), i za svaki ispitivani parametar pridružena je vrednost F i p. Veza između kontinuiranih varijabli je ispitivana pomoću koeficijenta Pirsonove linearne korelacije, uz prethodnu proveru zadovoljavanja uslova o homogenosti varijansi, normalnosti raspodele i linearnosti. Vrednosti p<0.05 su uzimane kao statistički značajne. REZULTATI: Pokazano je da su HIV+ pacijenti na cART značajno stariji od druge dve grupe ispitanika. Nije pokazana značajna razlika u stepenu obrazovanja među grupama. Pokazano je da godine života statistički značajno utiču samo na koncentracije NAA/Cr, dok na odnose drugih metabolita ne utiču značajno. Utvrđeno je statistički značajno sniženje (p<0.05) koncentracija NAA/Cr dobijenih metodom dugog eha između tri grupe ispitanika na svim posmatranim vokselima. Naknadnim analizama utvrđena je statistički značajna razlika na 10/12 voksela između HIV+ pacijenata sa cART i zdravih, kao i između HIV+ pacijenata bez terapije i zdravih, dok su se koncentracije NAA/Cr značajno razlikovale između HIV+ pacijenata sa i bez cART samo na jednom vokselu (duboka frontalna bela masa levo). Utvrđena je statistički značajna razlika u smislu sniženja Cho/Cr odnosa dobijenih metodom dugog eha u 5/12 voksela, sa pojedinačnim vokselima koji su prikazivali razlike između grupa. Na metodi kratkog eha utvrđeno je značajno sniženje odnosa koncentracija NAA/Cr kod HIV+ pacijenata samo na tri voksela, pri čemu nisu prikazane značajne razlike između dve grupe pacijenata sa HIV infekcijom (sa i bez cART). Rezultati odnosa koncentracija Cho/Cr između tri gurpe pacijenata dobijeni metodom kratkog eha slični su rezultatima dobijenim na metodi dugog eha (statistički značajna razlika dobijena je na 5/12 voksela). Što se tiče odnosa koncentracija mI/Cr, uočeno je značajno povišenje ovog odnosa kod HIV+ pacijenata u odnosu na zdrave na 6/12 voksela. Prikazano je statistički značajno povišenje ovog markera kod pacijenata bez cART u odnosu na pacijente sa cART samo u regiji levog dorzalnog anteriornog cinguluma. Statistički značajno povišenje (Glx+Gln)/Cr odnosa je prikazano u regiji zadnjeg cinguluma desno kod pacijenata na terapiji u odnosu na pacijente bez terapije, dok na drugim vokselima nije prikazana značajna razlika. Vokseli 4, 7 i 10 su dali najviše informacija(supkortikalna bela masa frontalno levo, dorzalni prednji cingulum levo te parijetalni supkorteks leve cerebralne hemisfere), sa prikazanim značajnim razlikama u bar 4 odnosa metabolita. Prikazana je značajna pozitivna korelacija nadir CD4 + broja limfocita sa koncentracijama NAA/Cr, a negativna sa odnosima Cho/Cr i mI/Cr, što čini nadir CD4+ najboljim serološkim prediktorom neurodegenerativnog oštećenja. Pokazana je pozitivna korelacija indeksa penetracije lekova u monocite (ME) sa odnosima NAA/Cr i negativna korelacija indeksa penetracije lekova u centralni nervni sistem (CPE) sa Cho/Cr i mI/Cr. Došli smo do zakljulka da je ME indeks bolji marker neurodegenerativnog odgovora a CPE indeks bolji u monitoringu kontrole inflamacije. ZAKLJUČAK: Smatra se da HIV virus uzrokuje prerano starenje mozgašto je prvenstveno posledica direktnog oštećenja nervnih ćelija samim virusom (preko viralnih proteina, indukovanih citokina i hemokina). Pokazali smo da su neuronski gubitak i neurodegeneracija proces koji zahvata celokupan volumen mozga, dok su procesi inflamacije i proliferacije mikroglije svedeni na tačno određene regione, pretežno sive mase. Visoka senzitivnost multivokselske 1H-MRS sa korišćenjem senzitivnih površinskih kalemova omogućava mapiranje metabolita sa prostornom rezolucijom. MRS može dati ključni uvid u promene koncentracija metabolita mozga tokom razvoja infekcije od akutne i primarne do hronične. Vrlo brzo nakon serokonverzije, dolazi do detektabilnih promena u metabolitima mozga u smislu neuronskog oštećenja i inflamacije. U našem istraživanju su po prvi put analizirani rezultati protonske multivokselske MRS bele i sive mase velikog mozga u suprakalozalnom regionu. Utvrđeno je da postoje difuzne, ali ipak visoko regionalno-zavisne promene u odnosima neurometabolita kod pacijenata koji dobijaju antiretroviralnu terapiju i kod pacijenata koji je ne dobijaju, u poređenju sa zdravim kontrolnim ispitanicima (odgovarajućim po polu i starosti). Dodatne studije sa posmatranjem apsolutnih koncentracija neurometabolita, kao i longitudinalne studije u koje su uključeni HIV+ pacijenti u različitim fazama bolesti, su neophodne za dalje i bolje razumevanje neuropatogeneze HAND-a. MRS se pokazala uspešnom u detekciji efikasnosti određenih terapijskih opcija. Dva postojeća indeksa za procenu efikasnosti antiretroviralne terapije (CPE, ME) odvojeno pogađaju dva puta neuropatogeneze kognitivnog poremećaja, sa različitim uspehom u sveobuhvatnoj proceni efekta i efikasnosti terapije. U budućnosti je potrebna njihova pojedinačna modulacija ili kreiranje jedinstvenog indeksa, koji bi obuhvatio i efikasnost prolaza leka kroz hematoencefalnu barijeru i dejstvo na latentni rezervoar HIV-a u ćelijama monocitno-makrofagne loze.INTRODUCTION: HIV associated neurocognitive disorder- HAND appears in about half of the HIV+ patients. HAND represents a spectrum of neurological disorders varying from asymptomatic neurocognitive impairment (ANI), over mild neurocognitive disorder (MND) to HIV associated dementia (HAD). For evaluation and diagnostics of this disorder, many laboratory, clinical and imaging methods are used, first of all magnetic resonance imaging (MRI). Nevertheless, for detecting subtle subcellullar neurobiochemical disorders, the use of magnetic resonance spectroscopy (MRS) is necessary. Classical pattern of neurobiochemical changes in HIV infection consist of: decrease in NAA (neuronal marker) depicting neurodegeneration, increase in Cho (metabolism on membrane marker) depicting inflammation/ apoptosis, increase in mI (marker of microglial proliferation) depicting inflammation and increase in Glx+Gln (glutaminergic balance marker) depicting the effect of excytotoxicity. To the best of our knowledge, this is the first study using multivoxel MRS of the brain in HIV+ patients. AIMS: The aims of this study were: to show whether there are differences in metabolites' ratios on multivoxel MRS in neurologically asymptomatic HIV+ patients compared to control subjects; whether there are differences in metabolites' ratios between patients on combined antiretroviral therapy (cART) and therapy-naive ones; whether there are correlations between matebolites' ratios and immunological parameters in HIV+ patients as well as with nadir CD4+ count; whether there are correlations between metabolites' ratios with parameters of drugs' penetration in central nervous system (CNS). SUBJECTS AND METHODS: Overall of 114 subjects were enrolled in the study (32 HIV+ paients on cART, average age 41.97 years (25-61); 28 HIV+ patients off cART, average age 35.21 years (24-52); 50 control subjects, average age 36.56 years (19-53)). All the subjects signed the informed consent. The study was ethically approved by Ethical committee of Vojvodina Oncology Institute and Ethical committee of Faculty of Medicine, University of Novi Sad. Inclusion criteria for HIV+ subjects were: the presence of HIV infection. Exclusion criteria included: active opportunistic infection, active neurological illness, usage of drugs of abuse, hepatitis B or C coinfection, presence of both white or grey matter lesions, and contraindications that apply for magnetic resonance (MR) examination. 4 subjects were excluded from the study due to the presence of white matter lesions (3 HIV+ and one control subject). Each patient performed International HIV Dementia Scale (IHDS), a screening test for evaluation of global cognitive status in HIV-infected patients. Baseline study laboratory variables were assessed (CD4+ T-lymphocyte count and plasma HIV RNA, nadir CD4+ counts and CD4+ T-cell counts at the moment of MR scan. Conventional MRI scan was followed by multivoxel MRS with both long and short echo. We analyzed 12 voxels (6 in grey and 6 in white matter) with overall of over 7900 spectra. Finally, we analyzed following dominant signals: on the long echo tCr (creatine plus phosphocreatine) at 3.0 ppm, NAA (N-acetyl-aspartate) at 2.0 ppm and Cho (choline containing compounds) at 3.2ppm (ratios of NAA/Cr and Cho/Cr were assessed); on the short echo tCr, NAA, Cho, (Glx+Gln) at 2.2-2.4ppm and mI (myoinositol) at 3.5ppm (ratios of NAA/Cr, Cho/Cr, (Glx+Gln)/Cr and mI/Cr were assessed. All statistical calculations were performed using IBM SPSS software (version 21.0, Chicago, IL, USA). Descriptive statistics included determination of mean values, minimum, maximum and standard deviation. Among-group differences (HIV infected subjects versus healthy controls) in acquired metabolite ratios were evaluated using ANOVA with post hoc Tukey test to determine the differences between separate groups. Due to a known impact of age and education on the NAA concentrations, differences in NAA/Cr ratios among groups were tested using ANCOVA, with age as a covariate variable. Testing relationships between continuous variables was performed using Pearson linear correlation. Statistical significance was set at value p<0.05. RESULTS: We showed that HIV+ patients on therapy were significantly older than the other two groups of patients. There was no significant difference in the level of education. We confirmed that the age significantly affects the level of NAA/Cr only.There was significant decrease (p