Ruolo SPECT e la PET cerebrali nella definizione e classificazione

RELAZIONE ATTIVITA’ DEL I ANNO DI DOTTORATO XXII CICLIO
NEUROSCIENZE APPLICATE (SCUOLA DI DOTTORATO IN TECNICHE
E TECNOLOGIE BIOMEDICHE)
DOTTORANDO Silvia Daniela Morbelli
TUTOR Prof Guido Rodriguez
Titolo:
Ruolo di SPECT e PET cerebrali nello studio del paziente affetto da
deterioramento cognitivo di grado lieve (MCI).
Abstract:
Attività svolta durante il primo anno di dottorato:
1. Ottimizzazione dell’analisi degli SPECT cerebrali: creazione di un template customizzato
di 99mTc-ECD (basato sul database di sani del gruppo di neurofisiologia, Prof.Rodriguez)
per l’analisi SPM e dimostrazione del significativo impatto che un template omogeneo per
tracciante ha sull’analisi statistica in SPM.
2. Valutazione dei diversi pattern di ipoperfusione alla SPECT nei diversi sottotipi i MCI:
partecipazione allo studio multicentrico europeo DESCRIPA finalizzato a sviluppare criteri
clinici e linee guida per lo screening dell’ AD in fase precoce (pre-demenza). Ho effettuato
la normalizzazione degli studi SPECT dei vari soggetti MCI provenienti da tutti i centri
partecipanti e la valutazione semiquantitativa della perfusione presente in regioni 3D
cerebrali scelte in base ai dai presenti in letteratura in soggetti MCI e aMCI in particolare.
Tali dati sono stati poi avviati all’analisi statistica (SAS/STAT, v.8.1, 1999 SAS Institute
Inc., Cary, NC, USA) per l’identificazione delle variabili cliniche e neuropsicologiche che
influenzano i dati SPECT e la valutazione della differenza tra i 3 gruppi coinvolti (MCI
amnestici, MCI non amnestici, soggetti con deficit soggettivo di memoria) nelle diverse
VROI. I nostri dati dimostrano che la perfusione cerebrale e’ precocemente alterata nei
soggetti aMCI in diverse aree corticali tipicamente colpite dall’AD. In particolare,
conformemente ai dati presenti in letteratura, l’ipoperfusione in corrispondenza
dell’ippocampo sinistro e della corteccia associativa temporo parietale bilaterale e’ stata la
quella maggiomente significativa rispetto agli altri gruppi. Nella correlazione con i test
neurospicologici, la perfusione nelle 12 VROI (in particolare quella della corteccia parietale
bilaterale, temporale sinistra e delle strutture ippocampali) si e’ dimostrata altamente
dipendente dal punteggio dei test di apprendimento verbale. In conclusione i nostri dati
hanno supportato l’evidenza riguardo alla presenza di differenti substrati neuropsicologici
tra i sottotipi clinici di MCI.
3. Valutazione dei pattern di ipometabolismo PET presenti nei soggetti destinati a convertire in
AD rispetto agli altri soggetti MCI. Nello studio sono stati per il momento reclutati 21
pazienti consecutivi con aMCI e 10 soggetti normali. I pazienti hanno effettuato PET e
valutazione neuropsicologica “basali” cioe’ in prossimità della prima visita e sono stati fino
ad oggi seguiti per un periodo compreso tra i 7 ed i 24 mesi. Gli studi PET dei pazienti sono
stati analizzati in SPM2 per il confronto tra converters e controlli, converters e non
converters, controlli e non converters. I risultati preliminari dello studio hanno dimostrato
che i soggetti destinati a convertire in AD hanno mostrato un ipometabolismo in regioni
tipiche dell’AD già alla PET “basale”. In questo gruppo di pazienti l’ipometabolismo in sede
temporo-parietale e nel cingolo posteriore dell’emisfero destro ha distinto il gruppo dei
converters dai non converters. Al contrario dei dati PET i test neuropsicologici basali non
sono stati in grado di distinguere il gruppo dei converters dai non converters.
In dettaglio:
OTTIMIZZAZIONE DELL’ANALISI DEGLI STUDI SPECT CEREBRALI.
L’analisi statistica parametrica (statistical parametric mapping) tramite le diverse versioni del
software SPM e’ utilizzata in tutto il mondo per l’analisi voxel-based e la comparazione statistica di
studi cerebrali con fMRI, PET e SPECT. Come per altri software di analisi la normalizzazione
spaziale e’ un cruciale step di pre-processing poiche’ deforma il volume cerebrale del singolo
individuo in modo che sia corrispondente a quello neuroanatomico di riferimento dell’atlante di
Talairach.
Pertanto, sarebbe consigliabile che le modalità di acquisizione dei soggetti in esame e quelle
utilizzate nella scansione dei soggetti utilizzati per la costituzione del template fossero il piu’ simili
possibili. Nel campo della medicina nucleare questo problema e’ stato recentemente sottolineato da
Gispert e colleghi per la PET. Essi hanno, infatti mostrato l’nfluenza che puo’ avere sui risultati il
fatto di utilizzare un template inappropriato per la normalizzazione.
Lo stesso problema puo’ essere trasportato in ambito SPECT. Infatti nella maggior parte dei
centri medico nucleari che effettuano SPECT cerebrali due differenti traccianti vengono utilizzati
per valutare la distribuzione del flusso cerebrale: 99mTc-HMPAO e
99m
Tc-ECD.
E’ noto che i due traccianti si distribuiscono in maniera significativamente diversa si nel
soggetto sano che in molti quadri patologici compresa la malattia di Alzheimer.
In particolare i lavori che hanno effettuato una sistematica comparazione dei due traccianti
hanno riportato che l’uptake di 99mTc-HMPAO e’ piu’ elevato in corrispondenza di gangli della
base, cervelletto, talamo e corteccia temporo-mesiale mentre l’uptake di 99mTc-ECD e’ piu’ elevato
in corrispondenza della corteccia occipitale mesiale, parietale superiore, e frontale, cuneo e
precuneo. Nonostante questi dati tutte le versioni di SPM (SPM99, SPM2, SPM5) contengono un
solo template di normalizzazione 99mTc-HMPAO SPECT ed i centri che non hanno i mezzi o i
soggetti sani utili per costruire un proprio template SPECT effettuano la normalizzane della SPECT
con 99mTc-ECD sul template 99mTc-HMPAO presente di default nel pacchetto di SPM.
Siccome questa procedura non corretta puo’ generare errori nei risultati dell’analisi statistica
in SPM, abbiamo voluto approfondire il problema costruendo un template 99mTc-ECD e valutando
in maniera sistematica gli effetti che si hanno sui risultati in base al fatto di utilizzare per la
normalizzazione il template 99mTc-HMPAO o 99mTc-ECD. A tale scopo e’ stata effettuata una
classica comparazione tra soggetti sani di pari età e pazienti affetti da AD lieve (eAD) ed e’ stata
valutazionela correlazione del flusso cerebrale dell’intero gruppo con una covariata esterna : il
MMSE.
Il nostro template 99mTc-ECD e’ stato costruito utilizzando la stessa procedura utilizzata
originariamente per il template 99mTc-HMPAO di default in SPM. Le stesse analisi statistiche (t-test
di comparazione tra soggetti sani e eAD e correlazione dell’intero gruppo con il punteggio MMSE)
sono state effettuatea 2 volte normalizzando prima con il template 99mTc-HMPAO e poi con il
template customizzato 99mTc-ECD.
Nel confronto tra eAD e controlli un cluster di significativa ipoperfusione negli eAD in
corrispondenza del giro del cingolo posteriore e’ stato messo in evidenza solo dopo
normalizzazione con l’appropriato template 99mTc-ECD. Parimenti nella correlazione tra il flusso
cerebrale e l’MMSE l’area di correlazione si e’ dimostrata piu’ estesa (con inclusione anche del giro
temporale superiore destro) e maggiormente significativa dopo normalizzazione col template 99mTcECD.
Il nostro studio ha percio’ mostrato che i risultati dell’analisi statistica in SPM variano in relazione
al template utilizzato e che l’uso di un appropriato template permette di ottenere risultati piu’ precisi
e verosimilmente piu’ significativi.
Il template 99mTc-ECD SPECT costruito in questo lavoro e’ stato reso disponibile in formato
Analyze sul sito dell’associazione italiana di Medicina Nucleare (www.aimn.it) in modo che altri
gruppi possano utilizzarlo per la normalizzazione dei loro pazienti acquisiti con 99mTc-ECD.
I risultati di questo lavoro sono in stampa sul Quarterly Journal of Nuclear Medicine THE
NEED OF APPROPRIATE BRAIN SPECT TEMPLATES FOR SPM COMPARISONS
Silvia Morbelli, Guido Rodriguez, Alessandro Mignone, Vania Altrinetti, Andrea Brugnolo,
Arnoldo Piccardo, Alberto Pupi, Pierre Malick Koulibaly, Flavio Nobili
VALUTAZIONE DEI DIVERSI PATTERN DI IPOPERFUSIONE ALLA SPECT NEI DIVERSI
SOTTOTIPI I MCI
I risultati del lavoro sulla costruzione di un tempate SPECT ECD ci hanno spinto a cercare una
crescente ottimizzazione dell’analisi in SPM e ad utilizzare un template non solo tracciantespecifico ma anche malattia-specifico. Tale template costruito dal gruppo del Prof Frisoni presso
l’Università di Brescia e stato ottenuto a partire da immagini MRI e SPECT acquisite in pazienti
MCI ed e’ risltato, percio’, ideale per magnificare le possibili minime differenze tra i diversi
sottotipi di pazienti MCI arruolati nello studio DESCRIPA studio multicentrico europeo cui il
nostro centro ha partecipato (altri centri partecipanti Brescia, Montpellier, Maahstrict, Amsterdam).
Questo studio ha, in generale, lo scopo di sviluppare criteri clinici e linee guida per lo screening
dell’ AD in fase precoce (pre-demenza).
In questo lavoro sono stata coinvolta in prima persona nella scelta e nell’effettiva esecuzione della
modalità di analisi dei dati (vedi in seguito)
Tale studio e’ stato finalizzato al supporto dell’ idea che la subclassificazione dei pazienti MCI
dipenda da differenti eziologie sottostanti. Abbiamo valutato tramite SPECT di flusso con ECD la
perfusione cerebrale in pazienti aMCI (MCI amnestici), naMCI (MCI non amnestici) in confronto
con individui che lamentavano riduzione soggettiva della memoria non obbiettivata dalla visita
neurologica e dai test neuropsicologici. La nostra ipotesi di partenza e’ stata che i soggetti aMCI
potessero mostrare un pattern di ipoperfusone tipo eAD rispetto ai pazienti con soggettivo deficit di
memoria e che i naMCI non mostrassero un omogeneo effetto di gruppo (i.e. differeni eziologie
sottostanti). Inoltre, poiche’ questa sottoclassificazione si basa su differenze nel profilo
neurospicologico, abbiamo investigato la correlazione con la performance nei test cognitivi.
In ciascun centro, una batteria di test neurospicologici e’ stata somministrata ai pazienti per
inquadrare la performance cognitiva nei differenti domini (memoria, linguaggio, funzione
esecutiva, attenzione e visuocostruzione). I punteggi grezzi sono stati trasformati in Z-scores
corretti per età, scolarità e sesso e sono stati usati nelle successive analisi statistiche. In tutti i casi e’
sato considerato come “deficit” in una certa funzione uno Z score > -1.5.
In base al performance neuropsicologica i soggetti sono stati classificati in 3 gruppi.
I soggetti che non hanno presentato alcun deficit sono stati classificati come “deficit soggettivi di
memoria” (Subj). I soggetti con deficit di memoria isolato o accompagnato da deficit degli altri
domini come aMCI. I soggetti con deficit in uno o piu’ domini in assenza di deficit di memoria
come naMCI.
Tutti i soggetti hanno effettuato, presso i diversi centri partecipanti, uno studio SPECT cerebrale di
flusso con ECD secondo le modalità di acquisizione dello studio precedente.
La ricostruzione delle immagini di tutti i centri e’ stata effettuata in Genova utilizzando lo stesso
algoritmo iterativo (OSEM 10 subset, 8 iterazioni) sulla base dei dati ottenuti dalle acquisizioni dei
capillari nei diversi centri.
In questo caso non e’ stato possibile effettuare un’analisi voxel based ma un’ analisi VROI
(volumetric region of interest). Infatti, pur utilizzando uno stesso metodo di ricostruzione basato
sulle diverse caratteristiche dei collimatori, i dati, provenienti da diversi tipi di gamma-camere (2
teste VS 3 teste; collimatori fanbeam Vs a fori paralleli etc) non possono essere considerati
sufficientemente omogenei per un’analisi in SPM.
Il metodo utilizzato e’ stato il seguente:
Le immagini SPECT sono state normalizzate nello spazio MNI tramite le consuete fasi di
preprocessing in SPM2 (come detto e’ stato utilizzato un template di normalizzazione basato su
MRI e SPECT di soggetti MCI). Sono quindi state scelte, a partire da un atlante presente all’interno
di SPM (PICK Atlas) le seguenti VROI: ippocampo, giro paraippocampale, cingolo posteriore,
precuneo, giro frontale medio, lobulo parietale inferiore, giro temporale superiore di ciascun
emisfero.
La scelta delle regioni e’ stata effettuata sulla base dei dati SPECT e PET gia’ pubblicati sui
soggetti MCI ed aMCI in particolare. Il cervelletto e’ stato utlizzato per la normalizzazione dei conti
delle VROI e i conti del cervelletto sono stati normalizzai sui conti totali.
L’analisi statistica dei dati SPECT e’ stata effettuata usando il software SAS
(SAS/STAT, v.8.1, 1999 SAS Institute Inc., Cary, NC, USA) secondo i seguenti step:
1. Identificazione delle variabili clincihe e neuropsicologiche che influenzano i dati SPECT.
2. Differenza tra i 3 gruppi nelle diverse VROI.
L’analisi ANOVA corretta per età e centro ha dimostrato differenza significativa tra i tre gruppi (p<
0.02) e le diverse VROI (p<0.0001).
In particolare, la comparazione post-hoc ha dimostrato differenza significativa tra Subj e aMCI
mentre non c’e’ stata nessuna differenza significativa tra naMCI da una parte e aMCI e Subj
dall’altra.
Nel gruppo degli aMCI le VROI caratterizzate da minori conteggi rispetto al gruppo subj sono state
l’ippocampo sinistro e la corteccia temporale e parietale bilaterali. In tutti i pazienti il flusso
cerebrale globale ha correlato piu’ significativamente con la “learning measure” dei test di memoria
verbale (p>0.0001).
I nostri dati dimostrano che la perfusione cerebrale e’ gia’ alterata nei soggetti aMCI in diverse aree
corticali tipicamente colpite dall’AD. In particolare, conformemente ai dati presenti in letteratura
l’ipoperfusione in corrispondenza dell’ippocampo sinistro e della corteccia associativa temporo
parietale bilaterale si e’ dimostrata la piu’ evidente.
Il gruppo degli naMCI non ha evidenziato, per quanto riguarda la per fusione cerebrale, un
significativo effetto di gruppo rispetto sia a aMCI che Subj. Questo fatto potrebbe essere dovuto alla
eterogeneità di questo gruppo di pazienti. In ogni caso gli naMCI valori di perfusioni inferiori ai
Subj si sono evidenziate in corrispondenza della corteccia frontale, specialmente dell’emisfero
destro .
Rispetto alla correlazione con i test neurospicologici, la perfusione nelle 12 VROI (in particolare
quella della corteccia parietale bilaterale, temporale sinistra e delle strutture ippocampali) si e’
dimostrata altamente dipendente dal punteggio dei test di apprendimento verbale.
In conclusione I nostri dati hanno supportato l’evidenza riguardo alla presenza di differenti
substrato neuropsicologici tra I sottotipi clinici di MCI. Ulteriori studi longitudinali sui sottotipi di
MCI in rapporto alla loro perfusione alla SPECT cerebrale potrebbero rivelare il reale rapporto di
questi dati con il loro outcome clinico.
I risultati di questo studio finanziato dal European Commission all’interno del quinto Framework,
programme (Quality of Life and management of living resources’, key action 6: The aging
population, and priority 6.1: Age-related illnesses and health problems) sono in corso di prima
valutazione da parte del Journal of Neurology BRAIN SPECT IN SUBTYPES OF MILD
COGNITIVE IMPAIRMENT: FINDINGS FROM THE ‘DESCRIPA’ MULTICENTER
STUDY. Autori: Flavio Nobili, Giovanni B. Frisoni, Florence Portet, Frans Verhey, Guido
Rodriguez,
Anna Caroli, Jacques Touchon, Piero Calvini, Silvia Morbelli, Fabrizio De Carli, Laura Van de Pol,
Pieter-Jelle Visser.
VALUTAZIONE DEI PATTERN DI IPOMETABOLISMO PET PRESENTI NEI SOGGETTI
DESTINATI A CONVERTIRE IN AD RISPETTO AGLI ALTRI SOGGETTI MCI.
L’interesse dei risultati raggiunti e la nota migliore risoluzione e quindi maggiore sensibilità della
metodica PET rispetto alla SPECT rendono inevitabile la necessità di passare alla prima metodica.
Un primo gruppo di pazienti aMCI sono stati reclutati dalla memory clinic del gruppo, classificati
come tali e a beve intervallo di tempo dalla prima visita sottoposti ad esame PET di Metabolismo
cerebrale (tracciante 18F-FDG), MRI e valutazione neurospicologica mirata.
Lo scopo di tale studio e’ in particolare quello di individuare i pattern metabolici PET con FDG in
grado di identificare precocemente i soggetti aMCI “converters” rispetto ai “non-converters”.
Nello studio sono stati per il momento reclutati 21 pazienti consecutivi con aMCI (9 maschi; età
media :76.5±5.9; MMSE medio:27.8±1.5) e 10 soggetti normali (2 maschi; età media:70.4±7.3;
MMSE medio:28.7±1.3). Tutti i pazienti hanno eseguito un PET cerebrale con 18F-FDG-PET (GE
Advance, acquisizione 2D, ricostruzione OSEM 16 subset, 2 iterazioni).
Tutti i pazienti sono stati, fino ad oggi seguiti per un periodo compreso tra i 7 e i 24 mesi
dall’esecuzione della PET cerebrale.
Otto pazienti hanno sviluppato l’AD (Converters, C: MMSE basale medio:27.8±0.9) mentre 13
sono rimasti sostanzialmente stabili (nonConverters, nC: MMSE basale medio :27.8±1.4).
Un’analisi statistica parametrica (SPM2; p< 0.01,.) e’ stata effettuata per valutare la presenza di
significative differenze alla PET con FDG tra
1. controlli e converters
2. converters e non converters
3. controlli e non converters
Tale analisi ha dimostrato significativo ipometabolismo nei converters rispetto ai controlli in due
cluster corrispondenti a precuneo (BA 31) e giro del cingolo posteriore (BA 31) e giro temporale
medio (BA 21) nell’emisfero destro. Non si e’ evidenziato alcun cluster di significativa
ipoperfusione nei non converters rispetto ai controlli. Per contro, nel confronto tra converters e non
converters si e’ evidenziato un cluster di relativo ipometabolismo comprendente i giri temporali
inferiore (BA 20) e superiore (BA 38) e il lobulo parietale inferiore (BA 40) nell’emisfero destro. In
rapporto ai non converters, i converters si sono dimostrati modestamente piu’ depressi (p=0.065) e
hanno dimostrato una performance peggiore nei test di memoria verbale episodica (p=0.068) e di
fluenza verbale (p=0.077). Nessuna di queste variabili neuropsicologiche ha pero’ raggiunto la
significatività statistica.
In conclusione, i nostri dati preliminari, dimostrano che i soggetti destinati a convertire in AD
hanno mostrato un ipometabolismo in regioni tipiche dell’AD già alla PET “basale”. In questo
gruppo di pazienti l’ipometabolismo in sede temporo-parietale e nel cingolo posteriore
dell’emisfero destro ha distinto il gruppo dei converters dai non converters. Al contrario dei dati
PET i test neuropsicologici basali non sono stati in grado di distinguere il gruppo dei converters dai
non converters.
Questi dati confermano una volta di piu’ che la PET con FDG puo’ migliorare, piu’ della
neuropsicologia, l’identificazione precoce dei pazienti destinati a convertire in AD.
La naturale prosecuzione di quest’ultimo lavoro sara’ il prolungamento del tempo di follow up dei
pazienti gia’ inseriti nello studio al fine di meglio differenziare il gruppo dei converters rispetto ai
non converters, il reclutamento di nuovi pazienti e nuovi controlli e la correlazione con altre
indagini mirate (MRI  voxel based morphometry, test neuropsicologici, MRI DTI, fMRI).