Serial IV Contrast-Enhanced T1 Mapping for Quantitative Evaluation of Dynamic Glymphatic Activity: Feasibility Study

Abstract

Background: Glymphatic system is a glial-dependent waste clearance pathway which increases in activity at night. Evaluation of the glymphatic system with dynamic MR imaging after intrathecal contrast injection has limited clinical use. Purpose: To investigate the feasibility of using serial IV contrast-enhanced T1 mapping for quantitative evaluation of dynamic glymphatic activity in various anatomical locations in healthy subjects. Materials and Methods: In this prospective study with a randomized, 2-way crossover design, 25 healthy participants in the age of 20s (mean age, 24.7 years; range, 2329; 15 men and 10 women) underwent two cycles of contrast-enhanced MR imaging (day and night cycles), separated by a period of 1 week, between May 2019 and February 2020. For each cycle, MR scans (3D T1-weighted images and T1 maps) were acquired at baseline and 0.5, 1, 1.5, 2, and 12 hours after IV contrast injection. The time (tmin) to reach the minimum T1 value (T1min), absolute difference between the precontrast T1 and T1min (peak T1), slope between two measurements at 2 hours and 12 hours post-injection (slope[2h-12h]) were calculated on T1 value–time curves at cerebral GM/WM, cerebellar GM/WM, and putamen. Mixed model analysis of variance (ANOVA) was performed to assess the effect of sleep on slope[2h-12h]. Friedman test and repeated-measures ANOVA were performed to compare tmin and peak T1 among different anatomical locations, respectively. Results: All T1 value–time curves showed the initial decrease at 0.5 hours post-injection followed by gradual recovery up to 12 hours. Slope[2h-12h] increased from day to night at the cerebral GM, cerebellar GM, and putamen (P<.001 for all) but not at the cerebral WM (P=1.00) and cerebellar WM (P=.42). Median tmin values were 0.5 h at the cerebral GM, cerebellar GM, and putamen for both cycles. Cerebellar GM had the highest peak T1 (mean±standard deviation, 158.89msec±5.76[day], 151.57msec±6.43[night]), followed by cerebral GM (99.36msec±4.45, 104.34msec±5.46), and putamen (62.25 msec±4.64, 57.94msec±4.24). Conclusion: Change in T1 values at the cerebral/cerebellar GMs and putamen on serial IV contrast-enhanced T1 maps may serve as a potential imaging biomarker for dynamic glymphatic activity.

배경: 글림프계는 신경교세포 의존적 노폐물 제거 경로이며, 야간에 그 활동이 증가한다고 알려져 있다. 척수강내 조영제 주입 후 동적 자기공명영상을 사용한 기존의 글림프계 평가는 임상적 사용이 제한적이다. 목적: 건강한 피험자에서 다양한 해부학적 위치에서의 동적 글림프계 활동의 정량적 평가를 위해 연쇄적 정맥 조영 증강 T1 맵핑을 이용하는 것에 대한 타당성을 평가하고자 한다. 재료 및 방법: 본 무작위, 양방향 교차설계 전향적 연구는 2019년 5월부터 2020년 2월까지 25명의 건강한 20대 참가자 (평균 연령, 24.7세; 범위, 23-29; 남 15명 여 10명)를 대상으로 각각 1주일 간격을 두고 낮과 밤 두 주기의 조영증강 자기공명 영상을 시행하였다. 각 주기마다, 정맥내 조영제 주입 전, 주입 후 30분, 1시간, 1시간 30분, 2시간 그리고 12시간 후 시점마다 자기공명 스캔 (3D T1 강조 영상 및 T1 맵핑)을 수행하였다. 대뇌와 소뇌의 회색질 및 백색질, 그리고 피각에서 T1 값-시간 곡선 상 최소 T1 값 (T1min) 에 도달하는 시간 (tmin), 조영전 T1 과 T1min 사이의 차이값 (peak T1), 조영제 주입 2시간 후와 12시간 후 측정값들 사이의 기울기 (slope[2h-12h]) 를 계산하였다. 수면이 slope[2h-12h] 에 미치는 영향을 평가하기 위해 혼합모형분산분석을 수행하였다. 서로 다른 해부학적 위치간의 tmin 과 peak T1을 비교하기 위해 프리드만 검정과 반복측정분산분석을 수행하였다. 결과: 모든 T1 값-시간 곡선은 조영제 주입 후 30분 시점에 초기 감소를 보인 뒤 12시간 후까지 점진적인 회복을 보였다. Slope[2h-12h]는 대뇌 회색질, 소뇌 회색질 및 피각에서 낮에 비해 밤에 증가하였으나 (P<.001, 모두) 대뇌 백색질 (P=1.00) 과 소뇌 백색질 (P=.42) 은 낮과 밤이 차이가 없었다. 대뇌 회색질, 소뇌 회색질, 피각에서 낮밤 주기 모두 tmin 중앙값은 30분이었다. Peak T1 은 소뇌 회색질 (평균±표준편차, 158.89 msec ± 5.76 [낮], 151.57 msec ± 6.43 [밤]) 에서 가장 높았고, 그 다음으로 대뇌 회색질 (99.36 msec ± 4.45, 104.34 msec ± 5.46), 피각 (62.25 msec ± 4.64, 57.94 msec ± 4.24) 순이었다. 결론: 연쇄적 정맥 조영 증강 T1 맵핑에서 대뇌/소뇌의 회색질 및 피각의 T1 값 변화는 동적 글림프계 활성도에 대한 잠재적인 영상 생체표지자 역할을 할 수 있을 것이다.