Usefulness of Magnetic Resonance Spectroscopy as biomarker in Alzheimer's disease

Abstract
The use of biomarkers is growing in the early detection of Alzheimer’s disease. Although some biomarkers such as medial temporal lobe volumetry, amyloid PET, and Aß42 in CSF are being widely used, there is no clear consensus about the best biomarker to be used in each phase of the disease. Magnetic Resonance Spectroscopy (MRS) of the brain is less known as biomarker but has proven useful according to cross-sectional and longitudinal studies. This technique measures metabolite levels that reflect the degree of pathology in the brain. N-acetyl aspartate (NAA), a marker of neuronal density, decreases and Myo-inositol, a marker of glial proliferation, increases as the disease progresses. Decreased NAA levels have been detected in the prodromal phases of AD and even in presymptomatic stages in carriers of tau and amyloid protein mutations. Longitudinal studies have demonstrated good correlation between NAA levels and progression of AD, even in spite of treatment with cholinesterase inhibitors. From clinical trials we have learned that the current therapies have a modest effect on AD progression and that they do not have neuroprotective effects. This modest effect is reflected in the modest or null changes in metabolite levels in clinical trials using MRS as biomarker.

Key words
Magnetic resonance spectroscopy, Alzheimer's disease

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Introducción

Teniendo en cuenta que la enfermedad de Alzheimer (EA) es un trastorno devastador y altamente prevalente en los países occidentales, el uso de biomarcadores para su diagnóstico precoz se ha ido incrementando en la última década. Hasta la fecha no existen biomarcadores lo suficientemente sensibles y rentables para evaluar en la población general de individuos ancianos durante las fases presintomáticas de la enfermedad, aunque esto podría cambiar de acuerdo con los avances en este campo. Sin embargo, se ha establecido que el uso de marcadores biológicos es útil para detectar los casos de deterioro cognitivo leve (DCL),¹ sobre todo el tipo amnésico, que alcanza una prevalencia de alrededor del 6% en la población añosa.²
El DCL de tipo amnésico consiste en una alteración de la memoria relacionada con la edad avanzada, que no cumple con los criterios de demencia y que no interfiere con las actividades de la vida cotidiana. De todas formas, pueden coexistir otras insuficiencias cognitivas. Cuando hacemos referencia a alteraciones de la memoria en este contexto nos referimos a un puntaje promedio en las pruebas de memoria que se encuentra en 1.5 desviación estándar (DE) por debajo del valor normal para un individuo control de edad y nivel educativo similares.¹ El riesgo de conversión a la demencia en pacientes con DCL varía, de acuerdo con la definición conceptual y con el período de seguimiento, entre los siguientes porcentajes: 12% por año durante 4 años en comparación con un 2.1% anual para los controles;¹ 40% al cabo de 2 años,³ 34% en 4.5 años,⁴ 53% en 3 años⁵ y 100%, entre los 5 y los 9.5 años.^6,7
En los criterios de EA recientemente publicados, un comité de expertos determinó que se puede efectuar un diagnóstico precoz de EA en pacientes con DCL amnésico sobre la base de los criterios clínicos más la presencia de uno o dos biomarcadores.⁸ Estos profesionales tuvieron en cuenta dos tipos de marcadores biológicos: los marcadores de lesión neuronal (volumetría del hipocampo, proteína tau en líquido cefalorraquídeo [LCR], tasa de atrofia cerebral, tomografía por emisión de positrones [PET] con fluorodesoxiglucosa y tomografía computarizada por emisión de fotón simple [SPECT]) y los marcadores de depósito de amiloide (amiloide beta-42 en LCR y PET de amiloide). Se considera que un síndrome de DCL tiene altas probabilidades de representar EA cuando se detecta daño neuronal más depósito de biomarcadores amiloides. Cuando se encuentra sólo un tipo de biomarcadores, se considera que las probabilidades de presentar EA son intermedias. Otras técnicas de neuroimágenes, como la resonancia magnética (RM) de difusión, la RM de perfusión y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (ERMN) son considerados marcadores menos validados.⁸ En esta revisión nos centramos en la ERMN como biomarcador de la EA precoz.


Bases físicas de la ERMN

La ERMN permite investigar las alteraciones bioquímicas en los tejidos vivos. La espectroscopia de uso más frecuente es la técnica que se origina de los núcleos de hidrógeno (protones ¹H-ERMN). Esta técnica se basa en las diferencias que se obtienen en la resonancia cuando se aplica un campo magnético a partir de los núcleos de hidrógeno en función de los átomos circundantes (desplazamiento químico). Actualmente, los espectros pueden ser adquiridos con técnicas univóxel (UV) o multivóxel (MV).⁹ La técnica UV, en comparación con la técnica MV, tiene como ventajas: mejor localización espacial, mayor homogeneidad, mejor supresión del agua y mayor velocidad en la captura del espectro. Sin embargo, por cada toma sólo puede obtenerse un espectro. Por el contrario, la técnica MV permite obtener múltiples espectros simultáneos por toma y evaluar una mayor área cerebral, aunque brinda una resolución espectral menor. Hasta la fecha, la técnica UV sigue siendo superior a la técnica MV en términos de reproducibilidad.^{10, 11}
Los vóxeles deben colocarse lejos de fuentes susceptibles de producir artefactos (aire, grasa, áreas necróticas, LCR, metal, zonas de calcificación y hueso). Para los procesos difusos suele utilizarse un vóxel de 2 x 2 x 2 cm. Para lesiones locales se puede reducir el volumen del vóxel.⁹
El principio básico subyacente a las técnicas de localización UV consiste en la utilización de tres pulsos selectivos de corte, mutuamente ortogonales, y en el diseño de una secuencia de pulsos que recoja sólo la señal de eco desde el punto en el espacio (vóxel) de intersección de los tres cortes (Figura 1). Existen dos modalidades de adquisición de espectros: PRESS (point resolved spectroscopy) y STEAM (stimulated echo acquisition mode). El modo PRESS se usa con más frecuencia que el modo STEAM, ya que aumenta el cociente señal/ruido y es menos sensible a los artefactos de movimiento.¹² Cada metabolito evaluado revela una frecuencia de resonancia del hidrógeno diferente y aparece en un sitio diferente del espectro. Los metabolitos más comúnmente estudiados son: el N-acetil aspartato (NAA), como marcador neuronal y axonal; el mioinositol, como marcador de la glía; la colina, que refleja el recambio de la membrana celular; la creatina, como marcador del metabolismo y valor de referencia interna, y el glutamato, como marcador del metabolismo de los aminoácidos. La ubicación de la señal del metabolito se identifica en el eje horizontal por su desplazamiento químico, medido en partes por millón (ppm). Cuando se consideran todos los factores apropiados, como el número de protones y los tiempos de relajación, puede convertirse la señal a la concentración de metabolitos mediante la determinación del área bajo la curva. Dado que el agua es el principal componente de los seres vivos y su concentración es mucho mayor que la de otros metabolitos, es necesario suprimir la señal de resonancia del hidrógeno del agua. Así se obtiene un trazado que muestra las amplitudes pico y las frecuencias. Cada espectro muestra los picos correspondientes a los diferentes valores de metabolitos: mioinositol (mI): 3.56 y 4.06 ppm; compuestos de colina (Col): 3.23 ppm; creatina (Cr): 3.03 y 3.94 ppm; NAA: 2.02, 2.5 y 2.6 ppm; glutamina y glutamato (Glut): 2.1 a 2.55 ppm y 3.8 ppm (ver Figura 2). El cociente entre los metabolitos y la Cr también es de gran valor, ya que contrarresta los errores sistemáticos de las mediciones.














Hasta ahora no hay consenso con respecto a los tiempos de eco (TE) más apropiados en la ERMN. Un TE corto (20 a 40 ms) nos permite aumentar la relación señal/ruido y visualizar la mayor parte de los picos de metabolitos, pero presenta el inconveniente de que puede existir un cierto grado de superposición en los picos. Un TE intermedio (135 a 144 ms) invierte el pico del lactato y permite diferenciarlo mejor del pico de lípidos. Un TE largo (270 a 288 ms) produce una peor relación señal/ruido, pero permite una mejor visualización de algunos picos (NAA, Col y Cr), debido a que suprime la señal del resto de los metabolitos (mI, alanina, Glut).^{13, 14}


ERMN en la EA y el DCL

Existen estudios transversales que tratan sobre la ERMN en la EA. Un ensayo con 206 sujetos sanos de edad avanzada y 121 pacientes con EA mostró una disminución en los cocientes NAA/Cr, así como un aumento de los cocientes mI/Cr y Col/Cr a nivel de la circunvolución cingular posterior izquierda en los pacientes con EA en comparación con los controles.¹⁵ Se detectaron alteraciones en muchas áreas corticales y subcorticales, principalmente en el lóbulo temporal medial,^16,17 y en otras áreas corticales, como las cortezas frontal,^{18, 19} parietal^20,21 y occipital.^22-24 Algunos estudios sugieren que existe un continuum entre el envejecimiento normal, el DCL y la EA, en relación con los valores de NAA a nivel cerebral.^25,26 La relación NAA/Cr que se calcula mediante la ERMN permite diferenciar los pacientes con DCL de aquellos con EA, con un 67% de sensibilidad y un 80% de especificidad.²⁶
Los estudios longitudinales también confirman la utilidad de la ERMN como biomarcador. En una cohorte de 53 pacientes con DCL encontramos buenos valores predictivos con el vóxel de la ERMN situado en la región medial izquierda del lóbulo occipital, pero no en la corteza medioparietal ni en los hipocampos.²⁷ Teóricamente, los valores obtenidos en el hipocampo deberían haber sido mejores, pero esta área está sujeta a artefactos de técnica debido a la proximidad de aire y de estructuras óseas. Realizamos un estudio similar con una cohorte más amplia de 71 pacientes con DCL, pero en esta ocasión ubicamos el vóxel en la región medial izquierda del lóbulo occipital y en la corteza parietal posteromedial bilateral que incluía la circunvolución cingular posterior y el precuneo inferior. Si bien los valores predictivos fueron mejores en la corteza parietal posteromedial (74% de sensibilidad y 83% de especificidad), ambas zonas pudieron utilizarse como blanco predictivo.²⁸ Otros estudios longitudinales con períodos de seguimiento más cortos también arrojaron buenos valores predictivos en la corteza parietal posteromedial,²⁹ el área paratrigonal izquierda³⁰ y los hipocampos.³¹
Otros ensayos longitudinales obtuvieron resultados valiosos con la ERMN. En una gran cohorte de 151 pacientes con DCL (en su mayoría de tipo amnésico) seguidos durante 3 años, la ERMN fue predictiva de conversión a la demencia de forma individual, pero la exactitud de la predicción mejoró cuando dicha técnica se utilizó en combinación con la volumetría del hipocampo y en presencia de infartos corticales.³² También son de interés los estudios longitudinales con mediciones repetidas, dado que demostraron que los niveles de NAA disminuyen paralelamente al deterioro cognitivo. En una pequeña cohorte de pacientes con DCL (n = 15) y controles (n = 12), los cocientes NAA/Cr en el lóbulo parietal disminuyeron longitudinalmente más en los pacientes que se convirtieron a demencia que en los que no lo hicieron.³³ En otra cohorte también se observó que los niveles de NAA disminuyeron significativamente más en los 16 pacientes con DCL que se convirtieron a demencia que en los 16 que no lo hicieron.³⁴
El valor de la ERMN como marcador biológico se evaluó ante mortem en un solo estudio con 54 pacientes con probabilidades de bajas a altas de presentar EA y que fueron sometidos a autopsia. La disminución de la relación NAA/Cr y el aumento del cociente mI/Cr a nivel de la circunvolución cingular posterior bilateral se correlacionaron con las etapas neuropatológicas más altas de la escala de Braak.³⁵ Además, el valor de la ERMN como biomarcador quedó confirmado con el hecho de que los cambios en las proporciones de metabolitos se detectan años antes de la aparición clínica de la EA en pacientes portadores de mutaciones en los genes de las presenilinas³⁶ y de la proteína tau.³⁷


La ERMN como instrumento para seguir la evolución de la EA

Como se mencionó anteriormente, los principales hallazgos de la ERMN en el cerebro de los sujetos con EA se reducen a la caída de los niveles de NAA y al aumento de la concentración de mI. Un estudio longitudinal previo demostró que el cociente NAA/Cr disminuye considerablemente en los pacientes con DCL y EA, en paralelo con la progresión de la EA en la circunvolución cingular posterior, a pesar de que el 75% de los pacientes con EA utilizaba inhibidores de la colinesterasa. Las relación mI/Cr tendió a aumentar, pero no en forma significativa. Sorprendentemente, el cociente Col/Cr disminuyó en los pacientes con DCL estable en comparación con los controles y con los pacientes con DCL cuyo diagnóstico se convirtió a EA.³⁸ Hay varios ensayos publicados que evalúan mediante ERMN el efecto de los fármacos en la evolución de la EA.^39-46 En la Tabla 1 se presentan las principales características de estos ensayos y sus resultados. Como podemos ver, en general los medicamentos produjeron variaciones pequeñas en los niveles y cocientes de metabolitos, que se correlacionaban con el efecto clínico de los fármacos en la progresión de la EA, que fue escaso o nulo. En un pequeño ensayo con xanomelina, un agonista muscarínico, la colina citosólica disminuyó en la corteza parietal, en comparación con los controles.³⁹ Los mismos autores trataron de confirmar los resultados en un trabajo adicional, pero sólo 8 pacientes completaron el estudio.⁴⁰ Un ensayo aleatorizado incluyó 67 pacientes que fueron tratados con donepecilo o placebo durante un año. En las semanas 12 y 18 se observó que los niveles de NAA se elevaron de forma transitoria en el grupo tratado con donepecilo, pero las diferencias no fueron significativas al finalizar el estudio, y las mejoras cognitivas se asociaron con los incrementos de los niveles corticales de NAA. Por el contrario, en el grupo placebo, la concentración de NAA tendió a permanecer cerca de los valores de referencia o a disminuir ligeramente.⁴¹







En otro ensayo controlado, la rivastigmina tendió a aumentar los niveles de NAA en varias áreas del cerebro luego de 4 meses de uso en 24 pacientes con EA, con escasa mejora en las funciones cognitivas pero sin significación estadística en ambas variables, mientras que en el grupo de comparación sin tratamiento, la concentración de NAA tendió a disminuir.⁴² Un pequeño ensayo no controlado con 17 pacientes tratados con donepecilo durante 4 meses demostró una correlación entre las funciones cognitivas y los cambios en los niveles de NAA en el lóbulo parietal.⁴³ En otro estudio con 15 pacientes con EA tratados con donepecilo, los niveles hipocampales derechos de NAA disminuyeron después de 4 meses de tratamiento, sin cambios en las funciones cognitivas.⁴⁴ Otro ensayo aleatorizado que comparó el uso de donepecilo con el de memantina durante 6 meses no detectó diferencias significativas en las escalas clínicas ni en los niveles de metabolitos. Sin embargo, en la totalidad de la muestra de 63 pacientes se pudieron correlacionar los cambios en la Alzheimer’s Disease Assessment Scale-cognitive subscale (ADAS-cog) con los cambios en la corteza parietal posteromedial.⁴⁵ Por otra parte, en un pequeño ensayo a doble ciego con memantina, controlado con placebo, la falta de cambios en las proporciones de metabolitos se correlacionaron con la falta de efectos clínicos sobre la EA en comparación con los controles.⁴⁶
En 2 de estos trabajos también podría interpretarse que el tamaño de la muestra que requiere un estudio de pacientes con EA para observar cambios relevantes en la ERMN es menor que la muestra necesaria para detectar sólo los cambios equivalentes en las escalas clínicas como la ADAS-cog.^{42, 45}
Un ensayo longitudinal que incluyó 42 pacientes con EA y 22 controles que se sometieron a 6 estudios de ERMN en un lapso de 2 años demostró que se produce una disminución progresiva del cociente NAA/Cr, independientemente del tratamiento con inhibidores de la colinesterasa.⁴⁷
El glutamato es otro neurotransmisor que puede evaluarse mediante ERMN. Se ha comprobado que en la EA existe un aumento de la excitotoxicidad glutamatérgica, pero varios informes transversales demostraron que los niveles de glutamato de los sujetos con EA son menores que los de los controles.^48-51 En un pequeño ensayo abierto, el tratamiento con galantamina durante 4 meses mostró una tendencia a elevar los niveles de glutamato en el hipocampo.⁵²


Ventajas y desventajas de la ERMN para detectar la EA incipiente

Esta técnica tiene algunas ventajas en comparación con otras técnicas de neuroimágenes. Es objetiva, ya que las mediciones de metabolitos se hacen de manera automatizada, mientras que la volumetría de las estructuras del lóbulo temporal medial está sujeta a la variabilidad interindividual y a artefactos de la técnica.⁵³ En términos de reproducibilidad, la ERMN alcanzó un coeficiente de correlación intraclase máximo, sobre todo en la corteza parietal posteromedial, con dos determinaciones repetidas.⁵⁴ Además, los valores predictivos son similares a los obtenidos mediante volumetría en los dos grupos de pacientes con DCL más grandes estudiados: uno de ellos incluyó 389 pacientes⁵⁵ y determinó que la sensibilidad de la volumetría de la totalidad del cerebro era del 75%, con una especificidad del 68.8%, mientras que el otro estudio comprendió 139 pacientes⁵⁶ con DCL que se sometieron a volumetría del hipocampo y del área entorrinal, con una sensibilidad del 66.7% y una especificidad del 80%.

Por supuesto, hay algunas limitaciones a tener en cuenta con respecto a la ERMN. La ubicación del vóxel en el LCR o en áreas con aire puede dar lugar a falsas mediciones de metabolitos. Para obtener valores fiables se requiere la corrección de la atrofia y la presencia de LCR con el software adecuado, que no siempre es accesible. Alternativamente, el uso de proporciones sobre la Cr puede aplacar esta contrariedad. La homogeneidad del campo magnético debe revisarse con frecuencia para evitar obtener espectros de mala calidad. El tamaño del vóxel debe ser apropiado para la estructura examinada. En este sentido, un vóxel de 2 x 2 x 2 cm es demasiado grande para explorar el hipocampo, pero las áreas más pequeñas pueden analizarse con escáneres modernos. Para superar estas limitaciones, los escáneres clínicos 3T parecen ser prometedores, ya que puede discriminar entre la normalidad, el DCL y la EA en el hipocampo con vóxeles de pequeño tamaño, aunque el número de pacientes en los que se probó fue bajo.^{57, 58} Se ha publicado una presentación detallada de los avances metodológicos de la ¹H-ERMN y su posterior cuantificación.^{59, 60}
Hasta ahora, la ERMN ha demostrado ser útil en el DCL y la EA, pero no tenemos suficientes estudios que avalen su uso en las fases presintomáticas de la EA. Para este fin existen otros biomarcadores más conocidos, como el amiloide beta-42 en LCR y la PET de amiloide.⁶¹ Lo que llamamos DCL amnésico puede ser considerado como un pródromo de la EA o una condición de alto riesgo de conversión a EA, ya que la mayoría de los pacientes finalmente terminan sufriendo demencia. Hay 2 informes en los cuales se describe que, con el paso del tiempo, el 100% de los pacientes se había convertido a demencia al cabo de 10 años.^6,7 En un estudio retrospectivo vimos que los pacientes con EA precedida por DCL por más períodos de más de un año tenían menores niveles de NAA en varias regiones cerebrales y más síntomas depresivos que aquellos que no habían tenido pródromos evidentes de DCL.⁶² Por lo tanto, los estudios realizados en pacientes con DCL amnésico están sesgados, en el sentido de que muestran un exceso de tasas de conversión, por lo que debemos usar la expresión “conversión precoz a EA” en lugar de conversión a EA.

En conclusión, la ERMN es una herramienta útil en la EA, no sólo para la detección precoz, sino también para el seguimiento de la evolución de la enfermedad con tratamiento farmacológico o sin él. Se necesitan otros estudios que comparen la utilidad de esta técnica con otros biomarcadores.

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