MR Elastography-Based Assessment of Matrix Remodeling at Lesion Sites Associated With Clinical Severity in a Model of Multiple Sclerosis

Magnetic resonance imaging (MRI) with gadolinium based contrast agents (GBCA) is routinely used in the clinic to visualize lesions in multiple sclerosis (MS). Although GBCA reveal endothelial permeability, they fail to expose other aspects of lesion formation such as the magnitude of inflammation or tissue changes occurring at sites of blood-brain barrier (BBB) disruption. Moreover, evidence pointing to potential side effects of GBCA has been increasing. Thus, there is an urgent need to develop GBCA-independent imaging tools to monitor pathology in MS. Using MR-elastography (MRE), we previously demonstrated in both MS and the animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) that inflammation was associated with a reduction of brain stiffness. Now, using the relapsing-remitting EAE model, we show that the cerebellum-a region with predominant inflammation in this model-is especially prone to loss of stiffness. We also demonstrate that, contrary to GBCA-MRI, reduction of brain stiffness correlates with clinical disability and is associated with enhanced expression of the extracellular matrix protein fibronectin (FN). Further, we show that FN is largely expressed by activated astrocytes at acute lesions, and reflects the magnitude of tissue remodeling at sites of BBB breakdown. Therefore, MRE could emerge as a safe tool suitable to monitor disease activity in MS

Neue MR-Bildgebungsmethoden visualisieren Hirnschrankenstörungen im Mausmodell der Multiplen Sklerose

Previous studies on multiple sclerosis (MS) and its animal model experimental autoimmune encephalomyelitis (EAE) have highlighted the role of brain-barrier breakdown for the initiation and maintenance of neuroinflammation. Prior research generally confirms that visualization of barrier-disruption is of major interest for an early diagnostic of neuroinflammatory diseases. However, common contrast-agents like gadolinium-based contrast agents (GBCA) have important limitations as they don’t accurately show all aspects of brain-barrier breakdown and recent reports point towards potential side effects of repeated gadolinium applications. In the last years, our group has applied novel magnetic resonance imaging (MRI) techniques to visualize more accurately neuroinflammation in vivo and to elucidate pathological pathways involved in disease development. In this study, we first used Europium-doped very small iron oxide particles (Eu-VSOP), a new kind of magnetic nanoparticles, to visualize alterations of the blood-cerebrospinal-fluid-barrier (BCSFB) at the site of the Choroid Plexus (CP) in a mouse model of MS. We performed MRI measurements in EAE mice at different phases of disease after injection of Eu-VSOP and analyzed histopathological correlates using fluorescent microscopy. Our results show the ability of Eu-VSOP to visualize BCSFB alterations and neuroinflammatory processes in vivo and to connect them to histopathological findings of a compromised barrier at the level of the CP. In the second part of the study, we performed MRE measurements in EAE mice to assess alterations of brain mechanical properties associated to blood-brain-barrier (BBB) breakdown. We previously demonstrated using MR-elastography (MRE) in both MS and EAE that inflammation led to a reduction of brain stiffness. Here, we demonstrated that highly active inflammatory areas are especially prone to softening, and that, in contrast to GBCA, MRE alterations correlate with clinical disability. We further demonstrate that perivascular areas, where BBB is disrupted, undergo a process of tissue remodeling, characterized by the presence of aggregates of the extracellular matrix protein fibronectin (Fn). Interestingly, Fn expression correlates with MRE changes. Therefore, this study contributes to better understanding the pathophysiological processes around brain barrier breakdown as a central step in the dynamic of lesion formation and to the development of novel MRI techniques as a diagnostic tool for MS.Aktuelle Forschungsergebnisse zur Multiplen Sklerose (MS) und dem dazugehörigen Tiermodell, Experimentelle autoimmune Enzephalomyelitis (EAE), unterstreichen die Rolle von Hirnschranken für den Beginn und die Aufrechterhaltung der Neuroinflammation. In den letzten Jahren rückte die Suche nach Visualisierungsmethoden beeinträchtigter Schranken als Methode zur frühen Diagnostik und zum Verständnis grundlegender pathophysiologischer Prozesse der Neuroinflammation in den Fokus. Gängige Bildgebungsmethoden, die Gadolinium-basierte Kontrastmittel benutzen, haben verschiedene Nachteile, da sie weder alle Aspekte dysfunktionaler Blut-Hirn-Schranken zeigen, noch eindeutige Klarheit über potentielle toxische Effekte wiederholter Kontrastmittelgaben besteht. Unsere Arbeitsgruppe hat sich in den letzten Jahren der Erforschung neuartiger Magnetresonanz (MR) - Bildgebungsmethoden gewidmet, die es erlauben, in vivo Untersuchungen mit histopathologischen und molekularbiologischen Einsichten zu vereinen. In der vorliegenden Arbeit nutzten wir eine neue Art von elektromagnetischen Nanopartikeln, die Europium-dotierten sehr kleinen Eisenoxid Partikel (engl. Europium-doped very small iron oxide particles = Eu-VSOP), um Störungen der Blut-Liquor-Schranke am Plexus choroideus (CP) zu visualisieren. Dafür führten wir, nach intravenöser Gabe von Eu-VSOP, zu verschiedenen Zeitpunkten der EAE MR-Aufnahmen durch und analysierten fluoreszenzmikroskopisch die dazugehörigen histopathologischen Schnitte. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Eu-VSOP die in vivo Visualisierung von Hirnschrankenstörungen und neuroinflammatorischen Prozessen ermöglichen und erlauben, diese post mortem mit Veränderungen des CP zu verknüpfen. Unsere Forschungsgruppe hat in vorhergehenden Studien mit MR-Elastographie (MRE) in MS und EAE gezeigt, dass chronisch-entzündliche Erkrankungen des zentralen Nervensystems (ZNS) mit einem Verlust der Steifheit des Hirngewebes einhergehen. Im zweiten Teil der vorliegenden Studie führten wir nun MRE-Messungen in EAE-Mäusen durch, um mittels Veränderungen mechanischer Eigenschaften des Hirngewebes Störungen der Blut-Hirn-Schranke (BHS) zu demaskieren. Wir konnten zeigen, dass jene Hirnregionen, die stärker von der Neuroinflammation betroffen sind, besonders starke Verluste der Steifigkeit präsentieren und dass diese Veränderungen, anders als bei Verwendung gadoliniumhaltiger Kontrastmittel, mit dem klinischen Verlauf korrelieren. Weiterhin konnten wir beweisen, dass perivaskuläre Läsionen, in denen die BHS gestört ist, ein Remodeling mit Aggregaten des Extrazellulärmatrix-Proteins Fibronektin (Fn) durchlaufen, und dass die Genexpression dieses Proteoglykans mit MRE-Veränderungen korreliert. Damit stellt diese Studie eine Grundlage zur Visualisierung von Hirnschrankenstörungen als zentraler pathophysiologischer Prozess zur Entstehung neuroinflammatorischer Läsionen sowie zur Implementierung neuer MR-basierter Bildgebungsmethoden als Diagnosemittel der MS dar