Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin einer Hohen Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität Bochum

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1 Aus dem Institut für diagnostische und interventionelle Radiologie und Nuklearmedizin im St. Josef-Hospital Bochum - Universitätsklinik - der Ruhr-Universität Bochum Direktor: Prof. Dr. med. O. Köster Ermittlung regionaler Zusammenhänge zwischen degenerativen Veränderungen infratentorieller Strukturen bei Multipler Sklerose mittels quantitativer Volumetrie und DTI-Analyse. Inaugural-Dissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Medizin einer Hohen Medizinischen Fakultät der Ruhr-Universität Bochum vorgelegt von Eva Lena Kowal aus Bochum 2011

2 Dekan: Prof. Dr. med. K. Überla Referent: Prof. Dr. med. O. Köster Korreferent: PD Dr. med. Werner H. Weber Tag der Mündlichen Prüfung:

3 Inhaltsverzeichnis: 1 Einleitung Multiple Sklerose Epidemiologie Ätiologie und Pathogenese Verlauf und Klinik Der EDSS Score nach Kurtzke Diagnostik MR-Tomographie bei Multipler Sklerose Die Beteiligung infratentorieller Struturen und des 14 Rückenmarks bei Multipler Sklerose bezogen auf Veränderungen im MRT 1.3. Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) Grundlagen Werte Diffusionsgewichtete Bildgebung bei MS Diffusionsgewichtete Aufnahmen und 19 klinische Befunde bei MS 1.5 Das Kleinhirn Funktion Die Kleinhirnpedunkel Die Quantifizierung der Atrophie im Bereich des ZNS Atrophie im ZNS bei MS und deren Verlaufsformen 24 2 Zielsetzung 26 3 Material und Methoden Durchführung der statistischen Auswertung Deskriptive Darstellung der Patienten- und Probandengruppe MRT Bildgebung im Rahmen der vorliegenden Studie Durchführung der Volumetrie in der vorliegenden Studie Volumetrie des intrakraniellen Volumens Kleinhirnvolumetrie Volumetrie der Querschnittfläche des oberen Spinalmarks Volumetrie des Hirnstamms 32 1

4 3.5 Auswertung der DTI-Parameter in der vorliegenden Studie Einstellung der mittleren Kleinhirnstiele Einstellung der oberen und unteren Pedunkel Auswahl der mittleren Kleinhirnpedunkel Auswahl der oberen und unteren Kleinhirnstiele 39 4 Ergebnisse Größen und Daten Einfluss des Geschlechts, der Seite und des Alters auf die 40 erhobenen Daten 4.3 Auswertung der Volumetrie Untersuchung des Kleinhirnvolumens Untersuchung der Querschnittfläche des zervikalen 43 Myelons Untersuchung des Hirnstammvolumens Korrelationen der regionalen Veränderungen in der 47 MS-Patientengruppe 4.4 DTI Resultate und Zusammenhänge DTI-Mittelwerte und Verlaufsform der MS DTI und EDSS DTI-Mittelwerte und EDSS-Subgruppenanalyse DTI-Mittelwerte, Krankheitsdauer und Alter DTI-Auswertung und Kleinhirnvolumetrie DTI und zervikale Rückenmarkquerschnittsfläche DTI und Hirnstammvolumetrie Reproduzierbarkeit der DTI-Auswertung Regressionsanalysen 57 5 Diskussion 59 6 Zusammenfassung 70 7 Literaturverzeichnis 72 2

5 Verzeichnis der Abkürzungen: ADC = Apparent diffusion coefficient B = Regressionskoeffizient BPF = brain parenchymal fraction CIS = Clinical isolated syndroms CV = Coeficient of variation DTI = Diffusion tensor imaging DWI = Diffusion weighted imaging EDSS = Expanded Disability Status Scale EPI = Echo-planar imaging Bildgebung FA = Fraktionierte Anisotropie MD = Mean diffusity Flair = Fluid attenuated inversion recovery fmri = Functional magnetic resonance imaging GdDTPA = Gadoliniumdiäthylen-Triamin-Penta-Essigsäure HHV = Humanes Herpesvirus HWS = Halswirbelsäule ICC = Intra cranial cavity IgG = Immunglobulin G KH = Kleinhirn KM = Kontrastmittel MP-RAGE = magnetization prepared rapid acquired gradient echo MRT = Magnetresonanztomographie MS = Multiple Sklerose N = Anzahl NAGM = Normal appearing gray matter NAWM = Normal appearing white matter P = Signifikanzwert PI = Progressionsindex R 2 = Bestimmtheitsmaß rho = Korrelationskoeffizient ROI = Region of interest 3

6 RRMS = Relapse remitting multiple sclerosis PPMS = Primary progressive multiple sclerosis SPMS = Secondary progressive multiple sclerosis SA = Standardabweichung ZNS = Zentrales Nervensystem 4

7 Verzeichnis der Tabellen: Tab. 1: McDonald Kriterien zur Diagnose einer MS aus Tab. 2: Altersverteilung mit Mittelwerten Patienten/Probanden. 28 Tab. 3: Mittelwerte der Kleinhirnvolumetrie (auf ICC normiert) im 41 Vergleich Patienten/Probanden. Tab. 4: EDSS-Subgruppen und Volumina des Kleinhirns. 42 Tab. 5: MS-Subtyp und Volumina des Kleinhirns. 42 Tab. 6: Krankheitsdauer-Subgruppen und Volumina des Kleinhirns. 43 Tab. 7: Mittelwerte des normierten zervikalen Myelon-Fläche (mm 2 ). 43 Tab. 8: EDSS-Subgruppen und Fläche des zervikalen Myelons. 44 Tab. 9: MS-Subtyp und Fläche des zervikalen Myelons. 45 Tab. 10: Krankheitsdauer-Subgruppen und Myelon-Querschnittfläche. 45 Tab. 11: Mittelwerte der Hirnstammvolumetrie (auf ICC normiert) 45 Patienten/Probanden. Tab. 12: EDSS-Subgruppen und Volumina des Hirnstamms. 46 Tab. 13: MS-Subtyp und Volumina des Hirnstamms. 47 Tab. 14: Krankheitsdauer-Subgruppen und Volumina des Hirnstamms. 47 Tab. 15: Zusammenhänge der Volumina/Querschnittfläche in der 47 Patientengruppe. Tab. 16: DTI-Mittelwerte Probanden und Patienten. 48 Tab. 17: DTI-Mittelwerte und Verlaufsform der MS. 49 Tab. 18: DTI-Mittelwerte und EDSS. 50 Tab. 19: Zusammenhänge DTI/Kleinhirnvolumen und 51 Patientengesamtgruppe. Tab. 20: Reproduzierbarkeit der DTI-Werte. 53 Tab. 21: Rohdaten zur Reproduzierbarkeit im Bereich der mittleren 54 Kleinhirnstiele. Tab. 22: Rohdaten zur Reproduzierbarkeit im Bereich der unteren 55 Kleinhirnstiele. Tab. 23: Rohdaten zur Reproduzierbarkeit im Bereich der oberen 56 Kleinhirnstiele. Tab. 24: Regressionsanalyse DTI-Modell Hirnstammvolumen. 57 5

8 Tab. 25: Regressionsanalyse DTI-Modell Kleinhirnvolumen. 57 Tab. 26: Regressionsanalyse klinisches Modell (EDSS). 58 6

9 Verzeichnis der Abbildungen Abb. 1: Semiautomatische Klassifizierung des Gewebes als 31 Kleinhirn oder Nicht-Kleinhirn. Abb. 2: 3D-Ansicht des segmentierten Kleinhirns. 31 Abb. 3: Auswahl eines definierten Abschnitts des Zervikalmarks. 32 Abb. 4: Definition der oberen und unteren Begrenzung des Hirnstamms 33 in Bezug auf die anatomischen Gegebenheiten. Abb. 5: Subklassifikation in Hirnstamm und Nicht-Hirnstamm 33 dargestellt durch verschiedene farbige Marker. Abb. 6: Darstellung der drei Faserqualitäten am rechten, mittleren 35 Pedunkel. Abb. 7: Einstellung des rechten, mittleren Kleinhirnstiels. 36 Abb. 8: Ausschnitt des mittleren Kleinhirnstiels. 36 Abb. 9: Einstellung des rechten, unteren Kleinhirnstiels. 37 Abb. 10: Anschnitt des unteren Kleinhirnstiels. 37 Abb. 11: Einstellung des rechten, oberen Kleinhirnstiels. 38 Abb. 12: Auswahl des mittleren, rechten Kleinhirnstiels. 38 Abb. 13: Auswahl des Messbereichs für den linken, oberen Kleinhirnstiel. 39 Abb. 14: Auswahl des Messbereichs für den rechten, unteren 39 Kleinhirnstiel. Abb. 15: Kleinhirnvolumen in ml Probanden/Patienten. 42 Abb. 16: Zervikaler Rückenmarksquerschnitt in mm 2 Probanden/Patienten. 44 Abb. 17: Hirnstammvolumen in ml Probanden/Patienten. 46 7

10 1 Einleitung 1.1 Multiple Sklerose Der französische Neurologe Jean-Martin Charcot ( ) war der Erste, der die Krankheit, welche heute unter dem Namen Multiple Sklerose (MS) oder Encephalomyelitis disseminata bekannt ist, in ihren typischen drei Symptomen Nystagmus, skandierender Sprache und Intentionstremor (Charcot-Trias) beschrieb. Bei durchgeführten Sektionen von MS-Patienten fand er multiple Glioseherde im zentralen Nervensystem (ZNS), welche der Krankheit den damaligen Namen Sclerose en Plaque oder Polysklerose einbrachte (Charcot, 1868) Epidemiologie Die Multiple Sklerose ist die häufigste entzündliche Erkrankung des ZNS bei jungen Erwachsenen, die die Nervenfasern demyelinisiert und meist progredient verläuft. Sie stellt einer der häufigsten Ursachen für die nicht traumatisch verursachte schwere Behinderung im jungen Erwachsenenalter dar (Zipp et al., 1997). Die Prävalenz der MS in Deutschland beträgt etwa pro Einwohner. Die durchschnittliche Anzahl von Erkrankten wird für Deutschland auf etwa Fälle geschätzt (Berlit, 2006). Das Hauptmanifestationsalter der Erkrankung liegt zwischen dem 15. und dem 50. Lebensjahr. Frauen sind etwa 1,8-mal häufiger betroffen als Männer. Die Inzidenz wird auf etwa 4 pro Einwohner pro Jahr geschätzt (Berlit, 2006). Hinsichtlich der globalen geographischen Verteilung konnte ein Nord-Süd-Gefälle nachgewiesen werden. (Berlit, 2006). Einwanderer, die aus südlicheren Gegenden der Erde kommen, nehmen das Risiko des neuen Heimatlandes an sofern sie vor dem 15. Lebensjahr, also etwa der Pubertät, einwandern. Erfolgt der Wechsel des Heimatlandes nach dem 15. Lebensjahr wird die Erkrankungswahrscheinlichkeit des Ursprungslandes mitgenommen (Berlit, 2006; Dean and Kurtzke, 1971). 8

11 1.1.2 Ätiologie und Pathogenese Die Ätiologie der MS ist bis heute nicht geklärt. Als auslösende Faktoren werden u.a. Viren, Umweltfaktoren und genetische Faktoren diskutiert. Die MS wird als Autoimmunerkrankung bezeichnet, da die Entzündungsreaktionen durch eine überschießende Reaktion des Immunsystems gegen körpereigenes Gewebe, die Myelinscheiden des Zentralnervensystems, hervorgerufen werden. Es besteht eine genetische Prädisposition, wobei von einer polygenen Veranlagung ausgegangen wird (Gorodezky et al., 1986). In den 90er Jahren wurde zunehmend über eine virale (u.a. HHV6) oder eine bakterielle (Chlamydien) Genese als Auslöser der Erkrankung diskutiert. (Boman et al., 2000; Challoner et al., 1995; Enbom et al., 1999; Martin et al., 1997; Soldan et al., 1997; Sriram et al., 1999). Bis heute wird angenommen, dass zumindest in den frühen schubförmigen Stadien der MS aktivierte autoimmune T-Zellen, die gegen Myelinbestandteile gerichtet sind, eine große Rolle für die Pathogenese der Erkrankung spielen (Strotmann et al., 2002). Lange Zeit wurde die MS als Demyelinisierungserkrankung ohne primäre axonale Schädigung angesehen. Wie man jedoch weiß, lassen sich im Krankheitsverlauf auch axonale Schädigungen nachweisen. Das Ausmaß der axonalen Schädigung korreliert mit dem klinischen Defizit der Patienten und stellt somit einen wesentlichen Faktor für die permanente Behinderung der Patienten dar (Davie et al., 1995; Losseff et al., 1996) Verlauf und Klinik Da die Läsionen im ZNS an multiplen Stellen und in unterschiedlicher Form und Größe in der weißen Substanz auftreten, fallen die klinischen Symptome dementsprechend heterogen aus. Drei Grundsätzliche Verlaufsformen der MS werden anhand von klinischen Kriterien unterschieden (Berlit, 2006; Lublin and Reingold, 1996). I. Der schubförmig remittierende Verlauf (RRMS, relapsing remitting MS), welcher bei etwa 80% der Patienten auftritt, ist gekennzeichnet durch eine 9

12 II. III. schubförmige Verschlechterung gefolgt von Remission der neurologischen Ausfälle. Ein Krankheitsschub ist definiert als ein wiederkehrendes neurologisches Defizit, welches mindestens 24 Stunden anhält oder länger besteht. Definitionsgemäß muss zwischen zwei Schüben ein Zeitraum von einem Monat liegen. Nach ca Jahren geht der primär schubförmige Verlauf in 50% der Fälle in den sekundär progredienten Verlauf (SPMS, secondary progressive MS) über. Der weitere Verlauf ist dann gekennzeichnet durch eine Zunahme der Behinderung, ohne dass Schübe abgrenzbar sind. Die primär chronisch-progrediente Verlaufsform (PPMS, primary progressive MS) ist seltener und bei nur 10-15% der Erkrankten nachweisbar. Bei dieser Verlaufsform lassen sich keine einzelnen Schübe abgrenzen. Es kommt vom Krankheitsbeginn an zu einer progredienten Zunahme der neurologischen Symptomatik. Die Ausfälle manifestieren sich besonders im Bereich des Rückenmarks mit spastischen Para- oder Tetraparesen. Diese fortschreitende Verlaufsform korreliert meist mit einem eher ungünstigen Krankheitsverlauf Der EDSS Score nach Kurtzke Dieser Score besteht aus einer Skala mit 10 Punkten, wobei ein EDSS von 10 den Tod durch MS bedeutet (nach Kurtzke, 1983). Beim EDSS werden acht funktionelle Systeme (Pyramidenbahn, Kleinhirn, Hirnstamm, sensibles System, Blasenfunktion, Visus, zerebrale Funktionen, andere Funktionen) unterschieden und zusätzlich die Gehstrecke ausgewertet, welche ab einem EDSS von 4,0 eingeschränkt ist Diagnostik Die erste Expertengruppe, die international anerkannte Kriterien zur Diagnose einer MS aufstellte, war die Gruppe um G. A. Schumacker im Jahre Vereinfacht ausgedrückt, wurde dort sowohl eine zeitliche, als auch eine örtliche Krankheits- Dissemination für die Diagnose einer MS gefordert. Die Diagnose wurde rein klinisch unter Berücksichtigung von Altersgrenzen gestellt. 10

13 Im Jahre 2000/2001 wurden die bisherigen Kriterien zur Diagnosesicherung der MS durch eine Konsensusgruppe um W. J. McDonald aktualisiert. Ein wesentlicher Aspekt hierbei war die Integration bzw. stärkere Wichtung der Magnetresonanztomographie (MRT) in das etablierte diagnostische Vorgehen (Wiendl et al., 2006). Im Jahre 2005 wurde eine Revision der McDonald Kriterien, auf Grund neuer klinischer und magnetresonanztomographischer Daten, vorgeschlagen (Polman et al., 2005). Im Vordergrund stehen drei wesentliche Änderungen. 1) Die Kriterien für die zeitliche Dissemination wurden geändert, sodass der Nachweis der zeitlichen Dissemination nun schneller nach einem Erstereignis erfolgen kann. 2) Die Rolle der spinalen Bildgebung wurde neu definiert und kann nun einen höheren Beitrag zur paraklinischen Beurteilung der räumlichen und zeitlichen Dissemination leisten. 3) Ein positiver Liquorbefund ist für die Diagnose einer primär progressiven MS nicht mehr notwendig, kann aber die Diagnose stützen. Im Jahre 2010 wurden die McDonald Kriterien von Polman et al. erneut überarbeitet (Polman et al., 2011). Die Diagnose einer MS ist damit noch frühzeitiger, inbesondere mit den MRT-Kriterien der räumlichen und zeitliche Dissemination, zu stellen, wie in Tabelle 1 dargestellt. 11

14 Tab. 1: McDonald Kriterien zur Diagnose einer MS aus 2011 (gekürzt). Klinische Darstellung 2 Schübe; 2 Läsionen oder 1 Läsion mit objektivierbarem und gesichertem klinischen Bezug auf einen vorhergehenden Schub 2 Schübe; objektivierbarer klinischer Beweis einer Läsion Ein Schub; objektivierbare klinische Darstellung von 2 Läsionen Ein Schub; objektivierbare klinische Darstellung einer Läsion (CIS) Neurologisch fortschreitende Symptome, die auf eine MS hinweisen können (PPMS) Keine Nötige Zusatzdiagnostik Örtliche Dissemination: 1 T2 Läsion in 2 von 4 MS-typischen Regionen des ZNS oder das Abwarten eines weiteren klinischen Schubes eine andere ZNS-Seite betreffend Zeitliche Dissemination: Gleichzeitige Darstellung einer asymptomatischen Gadolinium-aufnehmenden und einer nicht aufnehmenden Läsion zu jeder Zeit oder eine oder mehrere neue T2 und/oder Gadoliniumaufnehmende Läsion(en) im Verlaufs-MRT; oder Abwarten eines neuen klinischen Schubes Zeitliche und räumliche Dissemination: Örtliche Dissemination: eine T2-Läsion in 2 von 4 MS-typischen Regionen des ZNS oder das Abwarten eines weiteren klinischen Schubes eine andere ZNS-Seite betreffend Zeitliche Dissemination: Gleichzeitige Darstellung einer asymptomatischen Gadolinium-aufnehmenden und einer nicht aufnehmenden Läsion zu jeder Zeit oder eine oder mehrere neue T2 und/oder Gadoliniumaufnehmende Läsion(en) im Verlaufs-MRT; oder Abwarten eines neuen klinischen Schubes 1 Jahr fortschreitende Symptomatik + 2 der 3 folgenden Kriterien: 1) Darstellung der räumlichen Dissemination in Bezug auf das Gehirn ( eine T2-Läsion in MS-typischen Regionen) 2) Darstellung der räumlichen Dissemination im Bereich der spinalen Achse ( 2 T2- Läsionen im Myelon) 3) Positiver Liquorbefund (Oligoklonale Banden und/oder erhöhter IgG-Index 12

15 1.2 MR-Tomographie bei Multipler Sklerose Die Magnetresonanztomographie hat sich, auf Grund ihrer hohen Sensitivität, zu einer der wichtigsten Untersuchungsmethoden bei Multipler Sklerose entwickelt. Die MRT kann als wichtigste, nicht invasive Untersuchungsmethode angesehen werden. Die Spezifität jedoch, in Bezug auf die differentialdiagnostische Zuordnung cerebraler oder spinaler Veränderungen oder zur Beurteilung der zugrunde liegenden Läsionspathologie, ist jedoch gering (Awad et al., 1986; Fazekas et al., 1988; Miller, 1998). In der T1-Sequenz stellen sich chronisch persistierende, hypointense Herde (sogenannte black holes ), entsprechend einer Hirnparenchymschädigung, dar. Zwischen diesen hypointensen Herden und dem EDSS der Patienten scheint ein Zusammenhang zu bestehen (van Walderveen et al., 1995). Sie werden als Marker für Gewebedestruktion angesehen. Zur Abbildung akuter Läsionen in der T1- Wichtung wird zur besseren, signalintenseren Darstellung der MS-Herde Gadoliniumdiäthylen-Triamin-Penta-Essigsäure (GdDTPA) verwendet. In T2-gewichteten Sequenzen kommen sowohl akute, als auch chronische Läsionen zur Darstellung. Diese Sequenzen sind in der MS-Bildgebung heute Goldstandard und stellen das total burden of disease dar. Jede neu Kontrastmittel (KM) aufnehmende Läsion wird als aktiv bezeichnet. Eine Läsion reichert generell ca. einen Monat lang KM an. In der sich daran anschließenden Reparationsphase bilden sich die Herde auf den T2-Aufnahmen dann größenmäßig zurück (Bruck et al., 1997; Miller, 1998; Paty, 1997). Zur Erhöhung von Sensitivität und Spezifität der MRT wurden von verschiedenen Arbeitsgruppen kernspintomographische Kriterien entwickelt um so die Aussagekraft der MRT-Untersuchung im Rahmen der MS-Diagnostik zu erhöhen (Barkhof et al., 1997; Fazekas et al., 1988; Paty et al., 1988; Swanton et al., 2007), welche z.t. auch in den McDonald Kriterien zur Diagnose einer MS berücksichtigt werden. 13

16 1.2.1 Die Beteiligung infratentorieller Strukturen und des Rückenmarks bei Multipler Sklerose bezogen auf Veränderungen im MRT Infratentoriell finden sich bei der MS Läsionen im Bereich des Hirnstammes, des Kleinhirnes, sowie im Rückenmark. Die Läsionen im Hirnstamm liegen oft am Boden des 4. Ventrikels und um den Aquädukt herum. Im Kleinhirn sind am häufigsten die Kleinhirnstiele, das Marklager und die kortikal bzw. subkortikal gelegenen Windungsfurchen betroffen. Im Rückenmark zeigen die Herde häufig eine Ausrichtung in der Längsachse und es sind bevorzugt die Seitenstränge betroffen. Postmortale Untersuchungen an MS-Patienten konnten in den letzten Jahren nachweisen, dass neben den in der MRT nachweislichen Läsionen eine ausgeprägte Demyelinisierung, insbesondere im cerebellären Kortex, stattfindet (Gilmore et al., 2009; Kutzelnigg et al., 2007). Generell scheinen diese in der grauen Substanz vorliegenden krankheitsspezifischen Veränderungen stärker ausgeprägt und insbesondere unabhängig von Veränderungen der weissen Substanz zu sein. Neben dem cerebellären Kortex ließen sich auch Veränderungen im Bereich der Kleinhirnkerne, insbesondere im Ncl. dentatus, nachweisen (Tjoa et al., 2005). Infratentorielle Läsionen scheinen insbesondere einen Einfluss auf die Balance und die Sturzhäufigkeit im Rahmen einer MS zu haben (Prosperini et al., 2011) und können Hinweise hinsichtlich der Langzeitbehinderung liefern (Minneboo et al., 2004) Diffusions-Tensor-Bildgebung (DTI) Die Diffusions-Tensor-Bildgebung ( diffusion-tensor-imaging oder DTI) ist eine Weiterentwicklung der diffusionsgewichteten Bildgebung, welche auf der Brownschen Molekularbewegung beruht, mit der es schon 1965 unter experimentellen Bedingungen möglich war, Diffusionsvorgänge von Wassermolekülen nachzuweisen (Stejskal and Tanner, 1965). 14

17 1.3.1 Grundlagen Die Molekularbewegung kann in Geweben, die zum größten Teil aus Wasser bestehen, schon seit Längerem mit Hilfe der diffusionsgewichteten Bildgebung dargestellt werden. Die Diffusionsparameter, die bei der Untersuchung gewonnen werden, geben Auskunft über die räumlich Verteilung der Wassermoleküle und damit auch Hinweise z.b. auf die Morphologie der weißen und grauen Substanz. Besonders geeignet ist dieses Untersuchungsverfahren im Bereich der kraniellen und spinalen Bildgebung für ischämische und entzündlich-demyelinisierende Erkrankungen, da es verändertes Diffusionsverhalten im Gehirn aufzeigen kann. Etabliert hat es sich in der Frühdiagnostik zerebraler Ischämien und der Darstellung von Substanzdefekten bei Multipler Sklerose (Gass et al., 1999; Horsfield et al., 1998; Sorensen et al., 1999). In den letzten Jahren beschäftigten sich unterschiedliche Forschungsgruppen damit, welche Faktoren die Diffusion beeinflussen und wie die Bahnen und Strukturen mit Hilfe der Diffusionsbildgebung zur Darstellung gebracht werden können (Inglese und Bester, 2010). Es ergab sich, dass die Diffusion im ZNS richtungsabhängig, d.h. entlang von Nervenbahnen, verläuft. Myelinscheiden in der weißen Substanz des Gehirns stellen sogenannte Biobarrieren dar, weil sie durch ihren mikrostrukturellen Aufbau die freie Wasserbeweglichkeit einschränken, wodurch sie die Wassermoleküle nicht mehr in jede Richtung bewegen, sondern gezwungen sind, entlang einer Hauptrichtung zu diffundieren. Diese Bewegung wird als anisotrop bezeichnet. Sind diese Barrieren nun durch neuropathologische Prozesse im Gehirn gestört, verläuft die Diffusion zunehmend isotrop, d.h. dass sich das Wassermolekül in alle Richtungen bewegt, sodass der Ort seiner Aufenthaltswahrscheinlichkeit das Bild einer Kugel beschreibt, was sich die DTI zu Nutze macht und so den Nachweis nicht physiologischer Prozesse im Gehirn ermöglicht. Mittels DTI können Rückschlüsse auf die Aufenthaltswahrscheinlichkeit von Wasser in einem Raum mit Biobarrieren gezogen und direkte Informationen über den Faserverlauf in der weißen Substanz gewonnen werden. Sie erlaubt zusätzlich zur konventionellen diffusionsgewichteten Bildgebung die exakte Charakterisierung der Mobilität der Wassermoleküle in alle drei Raumrichtungen. Die Diffusionsrichtung wird mit Hilfe eines Kugel- bzw. Ellipsoid-Modells beschrieben, wozu mindestens sechs gemessene 15

18 Diffusionsrichtungen benötigt werden, die sich auf drei Vektoren in drei Ebenen aufteilen (Basser and Pierpaoli, 1998; Le Bihan et al., 2001). Durch die Darstellung der Diffusion in Form eines Tensors ergibt sich nicht nur die Möglichkeit die Länge oder Größe des Vektors, sondern auch die Diffusionsrichtung von Wassermolekülen im ZNS darzustellen (Basser and Pajevic, 2000). Dies zeigt einen Vorteil der DTI gegenüber der diffusionsgewichteten Bildgebung (DWI), welche nur die Stärke der Diffusionsstörung nachweisen kann. Die Richtung des größten Diffusions-Koeffizienten spiegelt den Verlauf der Nervenfaser wieder. Die anderen Vektoren beschreiben die Diffusion quer zum Verlauf der Faser. Die Auswertung von DTI-Daten kann nach zwei Ansätzen erfolgen. Die am häufigsten verwendete Methode ist die des Region-of-interest -Ansatzes (ROI- Ansatz). Hierbei werden durch erstellte Hypothesen ausgesuchte Bereiche des Gehirns ausgewertet. Als Alternative steht die voxelbasierte Auswertung zur Verfügung, wobei Voxel für Voxel das gesamte Gehirn untersucht wird. Nutzt man weitere statistische Auswertungsverfahren oder vergleicht man DTI- Daten mit fmri-untersuchungen, ist es möglich, die anatomische und funktionelle Konnektivität zwischen verschiedenen Hirnarealen zu ermitteln. Außerdem kann mittels komplexen mathematischen Algorithmen der Verlauf großer Nervenbahnen rekonstruiert werden ( Fiber Tracking ) Werte Für Studien mittels DTI werden hauptsächlich zwei Werte bestimmt, welche als fraktionierte Anisotropie (Pierpaoli and Basser, 1996) und Mean Diffusivity bezeichnet werden. Als fraktionierte Anisotropie (FA) wird das statistische Verhältnis der Hauptachse zu den beiden kleineren Achsen des Tensors bezeichnet. Sie stellt ein Maß für die Nervenfaserintegrität dar. Die Mean diffusivity (MD, mittlere Diffusivität, oder auch Strength genannt) ist definiert als der Mittelwert aus den drei Hauptachsen des Diffusiontensors und stellt ein Maß für die durchschnittliche Stärke der Diffusion unabhängig von der Richtung dar. Der Wert der MD ist aus dem ADC (apparent diffusion coefficient) entstanden, der die MD in nur eine Richtung gemessen darstellt (Filippi, 2000). 16

19 1.4 Diffusionsgewichtete Bildgebung bei MS Die konventionelle MRT ist zwar sehr sensitiv, was die Entdeckung von MS- Herden im ZNS betrifft, hat aber auch Grenzen. Zum Einen kann sie die sehr heterogenen pathologischen Mechanismen, die zu individuellen Läsionen führen, nicht differenzieren (Katz et al., 1993; van Walderveen et al., 1998) und zum Anderen besteht mittels konventioneller MRT nicht die Möglichkeit, Gewebsschädigungen außerhalb der makroskopisch sichtbaren Läsionen aufzudecken, die sich hinter normal erscheinender weißer (NAWM, normal appearing white matter) und grauer Substanz (NAGM, normal appearing grey matter) verbergen können (Miller et al., 2003). Der Einsatz diffusionsgewichteter MRT-Verfahren bei MS ist von besonderem Interesse, da quantitative Schätzungen über das Ausmaß von Gewebsschädigungen gemacht werden können und es eventuell in Zukunft ermöglichen, die zugrunde liegenden Mechanismen zu verstehen, welche zur irreversiblen Behinderung der Patienten führen. In der ersten Studie, die sich mit Wasserdiffusion im Gehirn von MS-Patienten beschäftigt hat, konnte gezeigt werden, dass sich in Läsionen, im Gegensatz zur normal erscheinenden weißen Substanz, stark erhöhte ADC-Werte finden lassen. Die höchsten Werte ließen sich in Läsionen nachweisen, die weniger als drei Monate alt waren (Larsson et al., 1992). Eine weitere Studie konnte dieses Ergebnis bestätigen und weiter nachweisen, dass die ADC-Werte in NAWM von MS Patienten höher waren, als in der weißen Substanz einer gesunden Kontrollgruppe (Christiansen et al., 1993). Die Ergebnisse wurden später durch weitere Studien bestätigt und erweitert, welche zum Teil auch bessere technische Möglichkeiten nutzten um z.b. Bewegungsartefakte zu reduzieren (Droogan et al., 1999; Horsfield et al., 1996; Sailer et al., 2008). Die Probleme, die die oben genannten Studien störten, können mit Hilfe der Echoplanar imaging Bildgebung (EPI), welche weniger anfällig für Bewegungsartefakte ist und eine größere Reichweiten garantiert, minimiert werden, da sie in gegebener Zeit mehr Diffusionsgradientenrichtungen nutzt. Darauf folgende Studien 17

20 (Cercignani et al., 2000; Filippi et al., 2000b; Werring et al., 1999) konnten damit zu weiterführenden Schlüssen kommen. Die MD-Werte von NAWM im Gehirn von MS-Patienten sind höher als diejenigen im Gehirn von gesunden Kontrollpersonen. T2-Läsionen sowie hypointense T1- Läsionen haben höhere MD-Werte als normal erscheinende weiße Substanz. Diese Läsionen stellen Zonen dar, in denen es zu starker Gewebszerstörung gekommen ist (van Walderveen et al., 1998). Der Vergleich von kontrastmittelaufnehmenden Läsionen im Vergleich zu nicht kontrastmittelaufnehmenden Läsionen im Bezug auf die MD hat widersprüchliche Ergebnisse erbracht (Filippi, 2000; Werring et al., 1999). Allerdings ist die FA in kontrastmittelanreichernden Läsionen wohl niedriger als in Läsionen, die kein Kontrastmittel speichern. Außerdem scheint sie in und um sichtbare T2-Läsionen verringert zu sein (Werring et al., 1999). Die niedrigsten FA-Werte fanden sich in den sogenannten black holes (Bammer et al., 2000). Die FA ist wohlmöglich allgemein sensitiver hinsichtlich der Betrachtung von Pathologien der weißen Substanz, als die MD (Filippi et al., 2001; Guo et al., 2002; Werring et al., 1999). Neben Veränderungen in der weißen Substanz konnten andere Studien eine erhöhte Wasserdiffusion in der grauen Substanz des Gehirns von MS-Patienten nachweisen, unter der Annahme, dass auch die graue Substanz vom Krankheitsprozess nicht ausgespart bleibt (Bozzali et al., 2002; Cercignani et al., 2001). Es wird angenommen, dass die Pathologie in der grauen Substanz von MS Patienten im chronischen Stadium stärker ausgeprägt ist als im schubförmigen Verlauf der Erkrankung (Bozzali et al., 2002). Des Weiteren scheinen Patienten mit primär chronischem Verlauf stärkere Diffusionsstörungen der grauen Substanz aufzuweisen als Patienten, deren Erkrankung sekundär chronisch verläuft (Rovaris et al., 2002). Vrenken et al. konnte 2006 in einer Studie zeigen, dass sich in fast allen ROI der NAGM der untersuchten MS-Patienten die FA signifikant erniedrigt und der ADC eindeutig erhöht darstellte, verglichen mit einer gesunden Kontrollgruppe (Vrenken et al., 2006). Im Jahre 2008 konnten Poonawalla et al. nachweisen, dass FA und MD in kortikalen Läsionen von MS-Patienten signifikant höher sind, als die Werte an der gleichen Stelle im Gehirn von gesunden Probanden (Poonawalla et al., 2008). Es konnte weiterhin gezeigt werden, dass die MD und FA in MS Läsionen in starker Korrelation zu der T1- und T2-Läsionslast in konventionellen MRT-Aufnahmen stehen (Filippi et al., 2001). Jedoch konnte keine Korrelation zwischen MD, FA und 18

21 der Volumetrie des Gehirns von MS-Patienten gefunden werden (De Stefano et al., 2002; Iannucci et al., 2001). Es ließ sich daher schlussfolgern, dass der destruktive Prozess, der für die Atrophie des ZNS von MS-Erkrankten verantwortlich ist, nicht mit der Schwere der fokalen, in der T2-Wichtung sichtbaren Pathologie, korreliert (Rovaris et al., 2005). Viele Studien haben die NAWM von MS-Patienten mittels Diffusionsbildgebung in verschiedenen Regionen des Gehirns untersucht. Die dabei gefundenen Pathologien sind weit gestreut, jedoch eindeutig häufiger in Regionen nah den makroskopisch sichtbaren Läsionen (Guo et al., 2002) und an Stellen, an denen typischerweise MS Läsionen lokalisiert sind (Bammer et al., 2000; Cercignani et al., 2001; Filippi, 2000; Filippi et al., 2001). Statistisch signifikante Unterschiede in den FA-Werten konnten in einer Studie von Andrade 2007 in den Plaques, in der Region um die Plaques herum und in Regionen von NAWM in der Nähe der Plaques, gefunden werden, wenn diese mit den FA- Werten der weißen Substanz einer gesunden Kontrollgruppe verglichen wurden (Andrade et al., 2007). Rueda et al. konnten 2008 zeigen, dass sich signifikante Unterschiede zwischen der NAWM des Corpus Callosum von an schubförmiger MS erkrankten Patienten und einer gesunden Kontrollgruppe darstellen lassen. Die FA war in der Patientengruppe, vor allem in Rostrum, Corpus und Splenium, deutlich niedriger als bei dem gesunden Probandenkollektiv. Dies ließ auf eine unterschwellige und diffuse Pathologie in der NAWM des Corpus callosum von MS- Patienten schließen (Rueda et al., 2008) Diffusionsgewichtete Aufnahmen und klinische Befunde bei MS Das Ausmaß von Veränderungen der Anisotropie in T2-gewichteten Läsionen korreliert moderat aber deutlich mit dem Behinderungsgrad der Patienten (Ciccarelli et al., 2001; Filippi et al., 2001). Physiotherapie kann sowohl die FA- als auch die MD-Werte beeinflussen (Ibrahim et al., 2011). Patienten mit unterschiedlichen Verlaufsformen der MS zeigten außerdem Beziehungen zwischen der Veränderung von FA und MD in den Kleinhirnstielen und Unterschieden in einem Sub-Score des EDSS bezogen auf die Pyramidenbahn, was vermuten lässt, dass Pathologien in klinisch relevanten Bereichen signifikante Faktoren sind, die zur Behinderung der Patienten beitragen (Ciccarelli et al., 2001). 19

22 Diffusionsstudien bei MS deuteten des Weiteren darauf hin, dass das Ausmaß der (DTI-) Veränderungen in T2-gewichteten Läsionen als auch in der NAGM und NAWM eine eindeutige Auswirkung auf die neurologische Behinderung der Patienten hat (Rovaris et al., 2005). DTI-Veränderungen in der inneren Kapsel und dem Corpus callosum von MS-Patienten wurden von mehreren Autoren in Verbindung mit der motorischen Behinderung und der kognitiven Beeinträchtigung der Patienten gebracht (Filippi et al., 2001; Thompson et al., 1997). 1.5 Das Kleinhirn Das Kleinhirn, Cerebellum, stellt die höchste und wichtigste Instanz für das Erlernen, die Koordination und die Feinabstimmung von Bewegungsabläufen dar (Trepel, 2004). Es befindet sich in der hinteren Schädelgrube auf Medulla oblongata und Pons aufliegend und ist mit dem Hirnstamm über die drei Kleinhirnstiele (Pedunkel) verbunden. Als oberste Verbindung findet sich der Pedunculus cerebellaris superior, auch Brachium conjunctivum genannt, in der Mitte liegt der Peduculus cerebellaris medius, Brachium pontis, und als unterster Stiel findet sich der Pedunculus cerebellaris inferior, der auch als Corpus restiforme bezeichnet wird. Durch diese drei Strukturen entsendet das Kleinhirn alle seine Efferenzen und empfängt alle Afferenzen. Das Kleinhirn besteht aus zwei Hemisphären und einen Wurm, Vermis, der dazwischen liegt. Unter dem Wurm liegt ein paariges Gebilde, welches als Flocculus bezeichnet wird und das über einen Stiel, Nodulus, mit dem Vermis verbunden ist Funktion Das Kleinhirn steht im Wesentlichen im Dienste der Motorik und besitzt viele verschiedene Funktionen. Das Vestibulocerebellum erhält vor allem Informationen über die Körperlage- und Bewegung, Lokomotion genannt, da es in direkte Verbindung zum Vestibularapparat steht. Indirekt kann das Vestibolucerebellum Einfluss auf die Stützmotorik des 20

23 Rumpfes nehmen, da es Efferenzen zu den Vestibulariskernen und zur Formatio reticularis schickt, die beide über extrapyramidale Bahnen ins Rückenmark senden. Das Spinocerebellum erhält vorwiegend Afferenzen aus dem Rückenmark, wodurch es ständig Informationen über die Stellung der Extremitäten und des Rumpfes und über den Muskeltonus erhält. Über Efferenzen sendet es diese Informationen hauptsächlich zum Ncl. ruber und zur Formatio reticularis. Diese wiederum projizieren die erhaltenen Informationen ins Rückenmark, wo Muskeltonus und Bewegung der vorwiegend proximalen Muskeln beeinflusst werden. Das Pontocerebellum steuert willkürliche Zielbewegungen und ist für das Erlernen, den Ablauf und die Feinabstimmung dieser Motorik verantwortlich. Es spielt eine herausragende Rolle in Bezug auf das Lernen von Bewegungen, da es im Bedarfsfall immer wieder korrigierend in den Regelkreis der Bewegungsabläufe eingreifen kann. Afferente Verbindungen erhält es hauptsächlich aus der Pons. Efferenzen entsendet das Pontocerebellum zum Ncl. ruber und zum Thalamus Die Kleinhirnpedunkel Im Pedunculus cerebellaris inferior verlaufen drei wichtige afferente Bahnen. - Tractus vestibulocerebellaris - Tractus olivocerebellaris - Tractus spinocerebellaris Der Tractus vestibulocerebellaris enthält zum Einen Bahnen, die von den Ncll. vestibulares aus ins Kleinhirn ziehen und zum Anderen auch Afferenzen, die direkt aus dem Vestibularapparat des Innenohrs zum Cerebellum führen. Der größere Trakt von beiden ist derjenige, der von den Vestibularkernen ausgeht. Die Fasern aus dem Vestibularapparat enden vorwiegend in der Rinde von Nodulus und Flocculus, was diesem Bereich des Kleinhirns auch den Namen Vestibulocerebellum eingebracht hat. Die Fasern geben Kollateralen zum Ncl. fastigii ab, welcher im Kleinhirnwurm liegt und efferent wieder direkt in die Ncll. vestibulares sendet. Der Tractus olivocerebellaris enthält fast alle Fasern, die aus dem Ncl. olivaris entsendet werden, welche im Hirnstamm kreuzen, um dann in den unteren Kleinhirnstiel einzutreten. Die Bahnen des größeren Ncl. olivaris principalis enden in 21

24 der Rinde der Hemisphären, die Fasern der Ncll. olivares enden in der Rinde des Kleinhirnwurms. Die Fasern des Tractus spinocerebellaris posterior beginnen im Ncl. Dorsalis (Ncl. thoracicus, Stilling Clarke) im Hinterhorn und führen propriozeptiv-sensible Informationen der ipsilateralen Seite zum Kleinhirn. Sie steigen also ohne zu kreuzen aufwärts und enden in der gleichseitigen Kleinhirnhälfte. Sie terminieren hauptsächlich in der paravermalen Zone und im Wurm selbst, weshalb dieser Bereich des Kleinhirns Spinocerebellum genannt wird. Die wichtigste Efferenz des unteren Kleinhirnstiels stellt der Tractus cerebellovestibularis dar, welcher aus dem Vestibulocerebellum zu den vestibulären Kernen führt. Enthalten sind Fasern aus dem Ncl. fastigii und Bahnen aus der vestibulocerebälleren Rinde. Teils laufen die Fasern des Ncl. fastigii auch zur Formatio reticularis. Der größte Anteil von afferenten Kleinhirnbahnen wird von Fasern aus dem Pons gebildet, welche in ihrer Masse den gesamten mittleren Kleinhirnpedunkel bilden. Sie beginnen im Ncl. pontis im Brückenfuß und kreuzen vor dem Eintritt in den mittleren Pedunkel zur Gegenseite. In den Hemisphären des Kleinhirns enden sie und senden Kollaterale zum Ncl. emboliformis und Ncl. dentatus. Als einzige größere afferente Bahn verläuft im oberen Kleinhirnstiel der Tractus spinocerebellaris anterior, welcher aus dem Rückenmark kommt. Ein Teil dieser Fasern durchläuft als Tractus spinocerebellaris posterior den unten Kleinhirnpedunkel. Der Tractus spinocerebellaris anterior steigt sowohl gekreuzt, als auch ungekreuzt im Seitenstrang nach oben in den Hirnstamm. Dort durchläuft die Bahn die Brücke und endet im Kleinhirn. Die Fasern kreuzen zurück auf die ursprüngliche Seite und erreichen gemeinsam mit den anderen Nervenfasern die Rinde des Spinocerebellum im Kleinhirnwurm. Der größte Teil der zerebellären Efferenzen verläuft im oberen Kleinhirnpedunkel. Dabei sind zwei Bahnen auf Grund ihrer Größe und Wichtigkeit hervorzuheben. - Tractus cerebellothalamicus - Tractus cerebellorubralis 22

25 Die größte Efferenz des Kleinhirns stellt der Tractus cerebellothalamicus dar und nimmt zum überwiegenden Teil seinen Ursprung im Ncl. dentatus. Ein geringerer Teil der Fasern entspringt dem Ncl. emboliformis. Alle efferenten Fasern des oberen Kleinhirnstiels kreuzen zur Gegenseite, so auch die Fasern des Tractus cerebellothalamicus im mesenzephalen Tegmentum. Danach ziehen die Fasern zum Thalamus (Tractus dentatothalamicus) und projizieren dort vor allem auf den Ncl. ventralis lateralis, welcher die Informationen zum motorischen Kortex weitergibt. Fasern aus dem Ncl. emboliformis, dem Ncl. globosus und dem Ncl. dentatus speisen den Tractus cerebellorubralis. Diese Bahn kreuzt ebenso im Mesencephalon zur Gegenseite und endet im kontralateralen Ncl. ruber. Vom Tractus tegmentalis centralis führen Fasern zur Olive, welche die Impulse weiter an die Kleinhirnrinde leitet. Von dort aus werden sie wieder in die Kleinhirnkerne projiziert und von dieser wieder zurück zum Ncl. Ruber (Trepel, 2004). 1.6 Die Quantifizierung der Atrophie im Bereich des ZNS Es existieren verschiedene Verfahren, die es ermöglichen, mit der MRT das Ausmaß der atrophischen Veränderungen im Bereich des ZNS zu quantifizieren. Neben manuellen Verfahren existieren eine Vielzahl von Methoden die eine semibzw. vollautomatische Berechnung des Gehirnvolumens in vivo erlauben (Miller et al., 2002). Um benutzerabhängige Fehler zu reduzieren, scheinen semi- bzw. vollautomatisierte den manuellen Verfahren mit hoher Benutzerinteraktion überlegen zu sein. Neben der Erfassung des globalen Hirnvolumens erlauben regionale Verfahren das Ausmaß atrophischer Veränderungen, z.b. nur auf das Kleinhirn bezogen, zu erfassen. Die Möglichkeit diese krankheitsspezifischen Veränderungen in vivo messen zu können, begründet u.a. den derzeitigen hohen Stellenwert der MRT in der Diagnostik und Verlaufsuntersuchung neurodegenerativer Erkrankungen. Der Volumenverlust kann entweder anhand zwei- oder dreidimensionaler MR- Datensätze erfasst werden, wobei dreidimensionale Verfahren den Vorteil aufweisen weniger von der Schichtposition und -auswahl anhängig zu sein (Sharma et al., 2004). Standardisierte hochauflösende 3D-MRT-Sequenzen verringern 23

26 Partialvolumeneffekte und bieten einen guten Kontrast zwischen der weißen und der grauen Substanz, sowie zwischen Liquor und dem angrenzenden Gehirngewebe. Auf jeden Fall sollte eine Normierung auf das intrakranielle Volumen (ICC) erfolgen, da kleinere Veränderungen durch die normale Variabilität der Volumina verschleiert werden können Atrophie im ZNS bei MS und deren Verlaufsformen Im Jahre 1999 fand eine Forschungsgruppe durch Vermessung der Liquorräume, heraus, dass die Atrophie des ZNS signifikant mit der neurologischen Behinderung der untersuchten MS-Patienten korreliert ist, welche am EDSS-Score gemessen wurde. Konventionellen Messungen wie z.b. der T2-Läsionslast, also das Volumen aller T2-hyperintensen Läsionen, zeigten bislang nur einen sehr geringen Zusammenhang mit dem Grad der Behinderung (Dastidar et al., 1999). Viele andere Studien stützen diese Hypothese. Insbesondere die Ermittlung der Aufweitung der inneren und äußeren Liquorräume kann als indirektes Maß für die Atrophie der tiefen grauen Substanz (zentrale Hirnatrophie) angesehen werden und scheint einen aussagekräftigen Marker in Hinblick auf die Behinderungsprogression bei MS darzustellen (Bermel et al., 2003; Lukas et al., 2010). Es ist daher anzunehmen, dass die atrophischen Veränderungen im Gehirn bzw. Rückenmark bei der MS einen großen, wenn nicht den größten Einfluss auf den Grad der Behinderung bzw. auf die weitere Entwicklung der Krankheitsprogression haben (Anderson et al., 2006; Lin et al., 2003; Zivadinov and Bakshi, 2004). Im Zuge der Krankheitsprogression lassen sich bei der MS nicht nur am Großhirn und Rückenmark atrophische Veränderungen nachweisen. Unter Berücksichtigung des Alters scheinen diese Veränderungen jedoch bei der MS deutlicher zu sein, und über das altersbedingte Maß hinauszugehen. Mehrere Arbeiten konnten atrophische Veränderungen infratentorieller Strukturen, insbesondere des Kleinhirns und des Hirnstamms (Anderson et al., 2011; Anderson et al., 2006; Edwards et al., 1999; Liu et al., 1999) und auch des Zervikalmarks (Rocca et al., 2011) nachweisen. Hinsichtlich der Ausprägung in Bezug auf die unterschiedlichen Verlaufsformen liegen jedoch widersprüchliche Daten vor. Während Edwards et al. atrophische Veränderungen im Hirnstamm und Kleinhirn 24

27 schon bei der schubförmiger Verlaufsform nachweisen konnten, zeigten RRMS- Patienten hinsichtlich des Volumens in den Arbeiten von Lin et al. und Anderson et al. keine signifikanten Unterschiede zu gesunden Probanden. In allen drei Arbeiten fanden sich hingegen bei Patienten mit chronischer Verlaufsform im Vergleich zu Gesunden deutliche Volumenminderungen des Kleinhirns und teilweise auch des Hirnstamms, sofern dieser untersucht wurde (Anderson et al., 2011; Edwards et al., 1999; Lin et al., 2003). Studien, die Patienten mit klinisch isolierten Syndromen (clinical isolated syndroms, CIS), schubförmiger (relapsing remitting MS, RRMS), sekundär progredienter (SPMS) oder primär progredienter MS (PPMS) eingeschlossen haben, gehen davon aus, dass atrophische Veränderungen schon früh im Krankheitsverlauf auftreten und fortschreiten. Bislang ist noch nicht genau geklärt, ob die Veränderung der Atrophie in einem Patienten konstant bleibt oder ob sie sich verändert (Zivadinov and Bakshi, 2004). Die jährliche Veränderung der Atrophie scheint bei Patienten mit schubförmiger MS in einem frühen Stadium leicht höher zu sein als bei Patienten in weiter fortgeschrittenen Stadien. Außerdem haben Patienten mit primär progredienter MS eine schneller voranschreitende Atrophierate als Patienten mit sekundär chronischem Verlauf, aber wiederum eine langsamere Progression als Erkrankte mit schubförmiger Verlaufsform (Zivadinov and Bakshi, 2004). Des Weiteren scheint bei der PPMS die Atrophie des Rückenmarks schneller voranzuschreiten als die des Gehirns. Im Allgemeinen scheint die Atrophie des ZNS nicht von der Krankheitsdauer abhängig zu sein, da sie vermutlich am Anfang der Erkrankung schneller und sowohl interindividuell als auch intraindividuell verläuft und daher sehr heterogen ausfällt (Zivadinov and Bakshi, 2004). 25

28 2 Zielsetzung Die Beteiligung infratentorieller Strukturen bei MS ist von großem wissenschaftlichen Interesse und immer wieder Gegenstand verschiedener Studien. Ziel der Dissertation ist es, mit Hilfe von DTI-Parametern zu untersuchen, ob Zusammenhänge zwischen Störungen der Faserintegrität im Bereich der wichtigsten Faserbündel der Kleinhirnpedunkel und der Atrophie des Kleinhirns sowie unmittelbar benachbarter infratentorieller Abschnitte, wie dem zervikalem Rückenmark und dem Hirnstamm, vorliegen. Diese Zusammenhänge könnten Ausdruck einer anterograden bzw. retrograden Degeneration sein, wie in vorangegangenen Studien bereits für den Zustand nach Schlaganfall (Khong et al., 2004; Liang et al., 2008; Thomalla et al., 2004; Thomalla et al., 2005; Werring et al., 2000), als auch kürzlich, z.t. während der Bearbeitungszeit der eigenen Arbeit, für Faserverbindungen bei Multipler Sklerose (Anderson et al., 2011; Audoin et al., 2007), nachgewiesen wurde. Zusätzlich soll untersucht werden, in wie weit diese Schädigungen in den wichtigsten Faserbündeln des Kleinhirns Einfluss auf den Behinderungsgrad bei MS haben, da bereits kleinste Veränderungen im Bereich vulnerabler Regionen des ZNS, insbesondere bei Defekten im Bereich infratentorieller Strukturen, wesentlichen Einfluss auf die Behinderung haben können. Erwartet werden eine Volumenreduktion der gemessenen Hirnabschnitte bzw. eine erniedrigte Querschnittsfläche des zervikalen Myelon bei den MS-Patienten, vor allem bei denen mit progressivem Verlauf, im Vergleich zu den gesunden Probanden. Weiterhin werden Zusammenhänge zwischen der Atrophie der infratentoriellen Hirnabschnitte und dem Behinderungsgrad, gemessen am EDSS der Patienten, und der Krankheitsdauer vermutet, welche insbesondere bei den Patienten mit progressivem Verlauf am stärksten ausgeprägt sind. Es ist vorgesehen die Ergebnisse dieser Doktorarbeit zu veröffentlichen. 26

29 3 Material und Methoden 3.1. Durchführung der statistischen Auswertung Die gesamte Aufarbeitung und Berechnung der Studiendaten sowie sämtliche Diagramme wurden mit Hilfe des Statistikprogramms SPSS, Version 16.0, durchgeführt und erstellt. Zum Nachweis der Normalverteilung der Daten wurde der Kolmogorov-Smirnov Anpassungstest verwendet, welcher auch für kleinere Stichproben genutzt werden kann. Auf Grund der Normalverteilung der Werte wurden Mittelwertvergleiche und Signifikanzauswertungen mit dem t-test geprüft. Zur Prüfung von Art und Grad der Abhängigkeiten zwischen den verschiedenen Variablen wurde die Korrelationsanalyse nach Spearman verwendet, da diese anders als der Korrelationskoeffizient nach Pearson, nicht die Annahme benötigt, dass die Beziehung zwischen den Variablen linear ist. Der Korrelationskoeffizient nach Spearman ist zusätzlich weniger anfällig für Ausreißer. Des Weiteren wurde eine lineare Regressionsanalyse mit Vorwärtsselektion genutzt um den lineare Zusammenhang zwischen einer Zielvariablen sowie einer oder mehrerer Einflussvariablen zu untersuchen. Dahingehend wurden zwei Modelle genauer untersucht, in denen die Wertigkeiten der einzelnen Parameter unabhängig voneinander Einfluss ausüben und in die als Subgruppen sowohl die DTI-Werte, als auch die Volumina und klnischen Parameter mit einbezogen wurden um die prädiktive Wertigkeit der einzelnen Variablen genauer zu untersuchen. 27

30 3.2 Deskriptive Darstellung der Patienten- und Probandengruppe Alle Patienten, die in die Studie eingeschlossen wurden, litten zum Zeitpunkt der Untersuchungen an klinisch gesicherter Multiplen Sklerose. Zum Untersuchungszeitpunkt lagen die EDSS Werte der Patientengruppe zwischen 1,0 und 7,0. Der Mittelwert lag bei 4,0. Die Patienten wurden in zwei EDSS Kategorien unterteilt um ggf. Gruppenunterschiede nachweisen zu können. Es ergeben sich 17 Patienten mit einem EDSS < 4 und 20 Patienten mit einem EDSS 4. Tab. 2: Altersverteilung mit Mittelwerten Patienten/Probanden (SA: Standardabweichung). MS-Patienten Gesunde Kontrollen N Alter / Jahre Mittelwert ± SA [Bereich] Alle 37 40,23 ± 11,20 [19-64] Frauen 24 40,65 ± 10,175 [19-64] Männer 13 39,46 ± 13,299 [19-59] N Alter / Jahre Mittelwert ± SA [Bereich] 17 40,54 ± 14,91 [23-70] 9 37,11 ± 15,03 [23-70] 8 44,41 ± 14,75 [26-70] Die Erkrankungsdauer der Patienten (der Zeitraum zwischen zwischen Diagnose und Einschluss in die Studie) reichte vom ersten Schub einer RRMS (0 Jahre) bis zu 28 Jahren Krankheitsverlauf. Hier wurden drei Gruppen erstellt: Krankheitsdauer kleiner fünf Jahre (16 Patienten), Krankheitsdauer zwischen fünf und 20 Jahren (16 Patienten) und Erkrankungsdauer über 20 Jahre (5 Patienten). Als Kontrollgruppe wurden insgesamt 17 gesunde Probanden eingeschlossen. Die Alters- und Geschlechtsverteilung der Probanden wurde denen der Patienten angepasst, wie in Tabelle 2 dargestellt. 28

31 3.3 MRT Bildgebung im Rahmen der vorliegenden Studie Alle MRT Untersuchungen wurden mit einem 1,5 Tesla Kernspintomographen (Magenetom Symphony, Siemens Erlangen; max. Gradientenstärke 30 mt/m) durchgeführt. Für die Untersuchungen wurden die Patienten und Probanden anhand von äußeren anatomischen Markern reproduzierbar in einer Standard-Kopfspule gelagert. Der Kopf wurde gegen unwillkürliche Bewegungen durch seitliche Kissen fixiert. Bei der Bildaufnahme befand sich das Zentrum der Empfangsspule im Zentrum des Magneten um optimale Magnetfeldhomogenität zu gewährleisten. Die Schichtpositionierung für die Datenaufnahme wurde durch drei orthogonale Lokalisierungsaufnahmen definiert, die jeweils an der anatomischen Struktur des Balkens und der Mittellinie des Gehirns ausgerichtet wurden. Für die Volumetrie wurden dünnschichtige, sagittale T1-gewichtete 3D Sequenzen verwendet (MP-RAGE, magnetization prepared rapid acquired gradient echo vom Typ Turbo FLASD 3D mit TE: 3,93 ms, TR: 1900 ms, TI: 1100 ms, FA: 15, Auflösung: 1x1x1,5 mm, 128 Schichten). Für die DTI Datenaufnahmen wurde eine Single-shot 2D EPI Sequenz mit TE: 109 ms, TR: 8500 ms, Auflösung: 2,5 mm x 2,5 mm, 46 transaxiale Schichten mit 2,5 mm Schichtdicke, verwendet. Damit wurde jeweils ein stark T2 gewichteter Bilddatensatz ohne Diffusionswichtung und sechs Datensätze mit Diffusionswichtung (b=1000 s/mm 2 ) in verschiedenen linear unabhängigen Gradientenrichtungen erzeugt. Um das Signal zu Rausch Verhältnis in den DTI Bildern zu verbessern wurde die Datenakquisition jeweils 10-mal wiederholt und anschließend im Rahmen der Bildverarbeitung gemittelt. 3.4 Durchführung der Volumetrie in der vorliegenden Studie Die dünnschichtigen T1-gewichteten 3D-MRT Bilddatensätze wurden mit einer semi-automatischen Volumetriesoftware nachverarbeitet, welche Applikationen für die Volumenbestimmung des Kleinhirns, des oberen Spinalmarks, des Hirnstamms und des intra-kraniellen Volumens enthalten. Diese Volumetrieverfahren basieren alle auf der NeuroQlab Software, einer Entwicklungsplattform zur medizinischen 29