Investigating vascular involvement in multiple sclerosis by magnetic resonance imaging

Evidence is mounting that vascular factors play an important role in the development of multiple sclerosis (MS). Some studies have reported neck vessel morphological and hemodinamical alterations in MS patients. Furthermore, cerebral blood flow (CBF) and cerebrovascular reactivity (CVR) impairment has been observed. Nevertheless, the exact role that vascular component plays in MS is still not completely understood. Therefore, the aim of this doctoral work was to investigate vascular involvement in MS with magnetic resonance imaging (MRI), from different points of view (i.e. neck vessel morphology, brain perfusion, CVR), in order to provide new insights about this issue. Methods Firstly, a semi-automatic method to measure the cross sectional area (CSA) of major neck vessels on their whole course was introduced for time of flight (TOF) magnetic resonance angiography (MRA) data. A resampling procedure was implemented to normalize CSA measured on all slices, in order to allow group comparisons at homologous levels and on the whole vessel. Then, the intra- and inter-rater reproducibility of the derived CSA measures was assessed in a group of 36 healthy individuals (HI). In addition, scan-rescan reproducibility was assessed by scanning a group of 9 HI twice, 5 days apart. Once the CSA reproducibility was confirmed, the method was applied in a longitudinal study including 69 MS patients and 22 HI, acquired twice, five years apart. CSA differences were tested at baseline, at follow-up and over the five years. The association between CSA alterations, MS phenotypes and cardiovascular co-morbidity was tested. In a separate study, CBF was investigated with arterial spin labeling (ASL) MRI, together with gray matter (GM) atrophy. Specifically, 26 MS patients and 26 HI were recruited to test if hypoperfusion in MS could be related to GM volume loss. Finally, 31 MS patients and 25 HI were scanned with ASL MRI in normocapnic and hypercapnic conditions, and CVR alterations were tested within GM parcels (resting state networks and vascular territories) and white matter (WM). Bivariate correlation between CVR, age and MS clinical parameters was also computed. Results The semi-automatic method CSA evaluation showed excellent inter- and intra-rater repeatability at all cervical levels and on the whole vessel course (ICC>0.90, median DSC>0.9), and good degree of scan-rescan reproducibility for all the considered neck vessels (internal carotid artery - ICA; vertebral artery - VA and internal jugular veins - IJV) (on the whole vessel: ICC > 0.9, p< 0.001 for CCA-ICAs, ICC >0 .6, p< 0.001 for VAs, and ICC >0.7, p< 0.001 for IJVs). MS-vs-HI CSA comparison showed no significant CSA differences between the two groups at baseline and at follow-up. Nevertheless, in MS patients, significant CSA decrease was observed for the ICAs (C4: p = 0.048; C7: p = 0.005; WV: p = 0.012), for VAs (C3: p = 0.028; C4: p = 0.028; C7: p = 0.028; WV: p = p.012), and for IJVs (C3: p = 0.014; C4: p = 0.008; C5: p = 0.010; C6: p = 0.010; C7: p = 0.008; WV: p = 0.002).Furthermore, patients with MS without cardiovascular disease showed significantly greater IJV CSA change than MS patients presenting with cardiovascular disease (C3: p= 0.018; C4: p=0.018; C5: p=0.010; C6: p=0.015; C7: p=0.018; WV: p=0.003). Significant hypoperfusion was observed in MS patients within the anterior cingulate and paracingulate gyri, supplementary motor cortex, precentral and superior frontal gyrus (pFWE≤0.05). No GM atrophy was found in these regions. No significant CVR differences were observed in MS group with respect to HI within GM parcels and WM. Significant CVR-age correlation was found for HI (min RSN r = -0.433, p = 0.031, observed within frontoparietal RSN; min VT r = -0.422, p = 0.027, observed within left posterior cerebral artery VT; WM r = -0.488, p = 0.025) but not in MS patients. No significant correlation was observed between CVR and lesion load, EDSS, and disease duration. Discussion and Conclusions The first study proposed a semi-automatic method to measure neck vessel CSA along the whole vessel course. The method proved to produce reproducible CSA measures, and the feasibility of CSA longitudinal studies was confirmed. No significant CSA differences between MS and HI were identified at the baseline. However, significant CSA decrease over time of all major neck vessels was observed for MS group, and not for HI. Although Type 2 errors may have occurred preventing showing any CSA difference over time in HC, the significant CSA changes observed in MS patients may be associated to MS-related factors. In addition, a greater CSA reduction was observed for IJVs in patients without CVD with respect to MS patients with CVD, suggesting that the changes in IJV CSA are influenced by MS independently of CVD. In addition, since the regions where hypoperfusion was found did not coincide with GM atrophy areas, hypoperfusion may not be merely a secondary phenomenon to GM volume reduction. Therefore, brain perfusion might be used as a further marker of tissue damage, in addition to GM volume. Finally, the loss of correlation between CVR and age in the MS group, compared to the significant correlation observed in HI, suggests that other factors related to the disease may influenced CVR in MS.

Molte evidenze hanno mostrato che i fattori vascolari hanno un ruolo importante nello sviluppo della sclerosi multipla (SM). Alcuni studi hanno riportato alterazioni morfologiche ed emodinamiche dei vasi del collo in pazienti affetti da SM. Inoltre, sono state osservate alterazioni di perfusione cerebrale (PC) e ridotta reattività cerebrovascolare (RCV). Tuttavia, ad oggi, l’esatto ruolo che i fattori vascolari svolgono nello sviluppo della SM non è del tutto chiaro. Pertanto, lo scopo di questo lavoro di dottorato è stato quello di indagare il coinvolgimento vascolare nella SM con risonanza magnetica (RM) da diversi punti di vista (i.e.morfologia dei vasi del collo, PC, RCV), al fine di fornire nuove conoscenze per la comprensione di questa questione. Metodi In un primo studio, è stato definito un metodo semiautomatico per misurare l'area della sezione trasversale (AST) dei vasi del collo sul loro intero sviluppo, a partire da immagini di angiografia a risonanza magnetica a tempo di volo. Inoltre, è stata implementata una procedura di ricampionamento per normalizzare l’AST misurata su tutte le fette segmentate, al fine di consentire confronti di gruppo sia in corrispondenza di livelli omologhi, che per l’intero vaso. La riproducibilità intra e inter-opearatore delle misure è stata valutata in un gruppo di 36 individui sani (IS). Inoltre, la riproducibilità scan-rescan è stata valutata acquisendo un gruppo di 9 IS due volte, a 5 giorni di distanza. Una volta confermata la riproducibilità, il metodo è stato applicato in uno studio longitudinale di 69 pazienti con SM e 22 IS, acquisiti due volte, a distanza di cinque anni. Le differenze di AST sono state testate alla baseline, al follow-up e sui cinque anni. Sono state inoltre valutate le associazioni tra i cambiamenti di AST, i fenotipi di SM e la presenza di co-morbilità cardiovascolare. In uno studio separato, la PC è stata studiata con RM utilizzando una sequenza di arterial spin labelling (ASL). La PC è stata valutata insieme all’atrofia in 26 pazienti affetti da SM e in 26 IS, per verificare se l'ipoperfusione fosse correlata alla perdita di volume di materia grigia. Infine, 31 pazienti con SM e 25 IS sono stati sottoposti a RM ASL in normocapnia e ipercapnia, al fine di valutare le alterazioni di RCV all'interno di specifiche regioni di materia grigia (resting state networks e territori vcascolari) e della sostanza bianca. È stata calcolata anche la correlazione tra CVR, età e parametri clinici della SM. Risultati Il metodo semiautomatico ha mostrato un'eccellente ripetibilità inter- e intra-operatore, sia sui singoli livelli cervicali che sull'intero corso del vaso (ICC>0.90, DSC mediano>0.9)., e un buon grado di riproducibilità tra scansioni diverse per tutti i vasi del collo considerati (arteria carotide interna - ACI, arteria vertebrale - AV, vena giugulare interna - VGI) (sull’intero vaso: ICC > 0.9, p< 0.001 per ACI, ICC >0 .6, p< 0.001 per AV, e ICC >0.7, p< 0.00 per VGI). Il confronto di AST tra pazienti affetti da SM e IS non ha mostrato differenze significative di AST tra i due gruppi alla baseline e al follow-up. Tuttavia, nel gruppo di pazienti è stata osservata una diminuzione significativa della AST per le ACI (C4: p = 0.048; C7: p = 0.005; WV: p = 0.012), per le AV (C3: p = 0.028; C4: p = 0.028; C7: p = 0.028; WV: p = p.012), e per le VGI (C3: p = 0.014; C4: p = 0.008; C5: p = 0.010; C6: p = 0.010; C7: p = 0.008; WV: p = 0.002). Inoltre, i pazienti con SM senza co-morbidità cardiovascolare hanno mostrato una variazione della AST delle VGI significativamente maggiore rispetto ai pazienti con SM con patologie cardiovascolari (C3: p= 0.018; C4: p=0.018; C5: p=0.010; C6: p=0.015; C7: p=0.018; WV: p=0.003). Il gruppo SM ha mostrato ipoperfusione significativa nel cingolo anteriore e nel giro paracingolato, nella corteccia motoria supplementare, nel giro precentrale e nel giro frontale superiore (pFWE≤0.05). Nessuna riduzione del volume di materia grigia è stata osservata in queste regioni. Non sono state trovate differenze significative di RCV per il gruppo di pazienti SM rispetto agli IS, né all'interno delle regioni di materia grigia, né nella materia bianca. La correlazione significativa tra RCV ed età trovata negli IS (min RSN r = -0.433, p = 0.031, observed within frontoparietal RSN; min VT r = -0.422, p = 0.027, observed within left posterior cerebral artery VT; WM r = -0.488, p = 0.025), è persa nei pazienti con SM. Nessuna correlazione significativa è stata osservata tra RCV e carico lesionale, EDSS e durata della malattia. Discussione e conclusioni Nel primo studio è stato proposto un metodo semiautomatico in grado di misurare la AST dei vasi del collo lungo l'intero sviluppo del vaso. È stato dimostrato che il metodo è in grado di produrre misure di AST riproducibili, e la fattibilità di studi longitudinali è stata confermata. Sebbene non siano state identificate differenze significative di AST tra pazienti affetti da SM e IS, e nonostante errori di tipo 2 potrebbero essersi verificati, è stata osservata una diminuzione significativa dell’AST per tutti i principali vasi del collo nel gruppo di pazienti con SM, e non negli IS. Quindi, i cambiamenti di AST osservati nel tempo potrebbero essere associati a fattori correlati alla SM. Inoltre, una maggiore diminuzione di AST di VGI è stata osservata nei pazienti in assenza di co-morbidità cardiovascolari, suggerendo che i cambiamenti della AST delle VGI potrebbero essere influenzati da MS indipendentemente da CVD. Inoltre, poiché le regioni in cui è stata rilevata ipoperfusione non sono coincidenti con le aree caratterizzate da atrofia, l'ipoperfusione potrebbe non essere solamente un fenomeno secondario alla riduzione del volume della materia grigia. Pertanto, la PC potrebbe essere utilizzata come ulteriore indicatore di danno tissutale, oltre al volume di materia grigia. Infine, la perdita di correlazione tra RCV ed età osservata nel gruppo SM rispetto al gruppo IS suggerisce che altri fattori legati alla patologia, diversi dall’età, potrebbero influenzare la RCV nella SM.