Quantitative Magnetization Transfer imaging for in vivo analysis of myelin content in experimental model of demyelination

Demyelination is a pathological process in which myelin sheaths, around axons, are damaged. Demyelination of the central nervous system (CNS) is the consequence of a direct or indirect insult to oligodendrocytes, specific cells in the CNS that produce and sustain the myelin sheaths. Instead, remyelination is a spontaneous event in which myelin sheaths are restored in demyelinated nerve regions, thus recovering saltatory signal conduction and resolving functional deficits. In multiple sclerosis (MS), the loss of myelin particularly in internode regions is associated with block of nerve conduction and it is not compensated by adequate remyelination. The development of therapies able to control the process of demyelination and the evaluation of their effectiveness is partially complicated by the difficulty in assessing myelin status non-invasively. In the present study, 'quantitative magnetization transfer MRI' (qMT-MRI) technique is used to assess the degree of de/remyelination in an experimental murine model induced by cuprizone, a copper chelator to which oligodendrocytes are preferentially susceptible. The basic hypothesis of the study is that the in vivo measurement of ‘macromolecular pool size ratio’ (F) could be an accurate estimation of myelin density; the correlation between MRI and histology analysis has so far been confirmed mainly on ex vivo CNS samples. The correspondences between the parameter F, which is interpolated from qMT-MRI measures, with the intensity of staining for myelinated fibers (using Black Gold II), and with the intensity of myelin basic protein and neuronal cytoscheletric protein beta-tubulin immunofluorescences were evaluated at different time-points, in an experimental longitudinal study. C57BL/6 and SJL/J mice were fed with cuprizone in order to cause selective myelin loss, which is followed by spontaneous remyelination upon treatment suspension. The results confirmed a statistically significant correlation between F measures and myelin content, and demonstrated the in vivo applicability of MRI analysis to experimental models of MS, as a tool for monitoring myelin status.

La demielinizzazione è un processo patologico in cui le guaine mieliniche, che rivestono gli assoni, sono danneggiate. La demielinizzazione del sistema nervoso centrale (SNC) è la conseguenza di un insulto diretto o indiretto agli oligodendrociti, cellule del SNC deputate alla produzione ed al mantenimento delle guaine mieliniche. La remielinizzazione è invece l’evento naturale che dovrebbe ripristinare la conduzione dell’impulso elettrico assonale e risolvere i deficit funzionali. Nella sclerosi multipla (SM) la perdita di mielina, in particolare in prossimità delle regioni internodali, è associata al blocco della conduzione nervosa e non è compensata da adeguata remielinizzazione. Lo sviluppo di terapie in grado di controllare il processo di demielinizzazione e la valutazione della loro efficacia è in parte complicato dalla difficoltà di valutare in modo non invasivo lo stato della mielina. Nel presente studio, la tecnica ‘quantitative magnetization transfer-MRI’ (qMT-MRI) è stata utilizzata per valutare il grado di de/remielinizzazione nel modello murino sperimentale indotto da cuprizone, un agente chelante del rame a cui gli oligodendrociti sono particolarmente sensibili. L’ipotesi di base dello studio è che il valore di ‘macromolecular pool size ratio’ (F) sia una stima accurata della densità mielinica in vivo; la correlazione tra analisi in MRI ed istologia è stata finora confermata prevalentemente su campioni di SNC ex vivo. Le corrispondenze tra il parametro F, che risulta dall’interpolazione di differenti misure qMT-MRI, con l’intensità di colorazione per fibre mieliniche (mediante Black Gold II), e con l’intensità di immunofluorescenza per la proteina basica della mielina e per la proteina citoscheletrica neuronale beta-tubulina sono state valutate a differenti time-points, in uno studio sperimentale longitudinale. Topi C57BL/6 e SJL/J sono stati trattati con cuprizone al fine di causare perdita selettiva della mielina, che è seguita da spontanea remielinizzazione dopo la sospensione del trattamento. I risultati hanno confermato una correlazione statisticamente significativa delle misure di F con il contenuto di mielina, e dimostrano l’applicabilità di analisi MRI in vivo nei modelli sperimentali di SM, come strumento per il monitoraggio dello stato della mielina.