Development of novel methods of saturation transfer MRI for clinical application

There is a growing interest in identifying neuroimaging-based biomarkers for Parkinson’s disease, (PD) a progressive neurodegenerative disorder in which the major pathologic substrate is the loss of pigmented dopaminergic neurons in the substantia nigra (SN). Recently, neuromelanin-sensitive MRI (NM-MRI) techniques have been found to provide notable contrast between the SN and surrounding brain tissues with potential applications as biomarker of PD. The contrast in NM-MRI has been associated with magnetization transfer (MT) effects, which can be exploited to obtain quantitative information about tissue physiology. This thesis presents the results of in-vitro and in-vivo MRI studies, aiming to investigate the physical mechanisms associated with the contrast observed in the NM-MRI, characterize the impact of MT on NM-MRI, and demonstrate the feasibility of performing quantitative MT (qMT) imaging in human SN, as a step closer to a clinical application in patients with PD. This work has been performed in collaboration between Fondazione IRCCS Ca Granda – Ospedale Maggiore Policlinico and Politecnico di Milano. The MRI acquisitions were performed at the UOC of Neuroradiology of Fondazione IRCCS Ca' Granda – Ospedale Maggiore Policlinico using a 3 Tesla MRI scanner.

In questi ultimi anni si è sviluppato un grande interesse riguardo la possibilità di identificare “imaging biomarkers” nel morbo di Parkinson, malattia neurodegenerativa caratterizzata principalmente da una perdita progressiva di neuroni pigmentati della substantia nigra (SN). Recentemente, le tecniche di risonanza magnetica (RM) sensibili alla neuromelanina (NM-MRI) hanno documentato un notevole contrasto tra la SN e tessuti cerebrali circostanti, reperto che, opportunamente tradotto e valutato, sta trovando applicazione come biomarkers di RM in questa patologia. Il contrasto in NM-MRI è stato associato ad effetti di trasferimento di magnetizzazione (MT). Questi possono essere utilizzati per ottenere informazioni quantitative sulla fisiologia dei tessuti e da qui la possibilità di quantificare la patologia nei soggetti con morbo di Parkinson. In questa tesi vengono esposti i risultati di studi di RM ottenuti in-vitro e in-vivo. Obiettivo è studiare i meccanismi fisici che presiedono o accompagnano il contrasto osservato nella tecnica NM-MRI, caratterizzare l'impatto del MT sulla NM-MRI, e dimostrare la fattibilità dell’imaging quantitativo di MT (qMT) nella SN umana in-vivo, per poi traslare verso l’applicazione clinica della metodica nei pazienti affetti da morbo di Parkinson. Questo lavoro è stato realizzato in collaborazione tra la Fondazione IRCCS Ca' Granda - Ospedale Maggiore Policlinico e il Politecnico di Milano. Gli studi RM su apparecchiatura 3T sono state eseguiti presso la UOC di Neuroradiologia della Fondazione IRCCS Ca' Granda - Ospedale Maggiore Policlinico (CE det 1041-2015).