Biomarker Development for Neurodegenerative Diseases by Diffusion MRI Harmonization Method

2023 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23H02865
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Institution: Juntendo University
• Principal Investigator: 鎌形 康司 順天堂大学, 医学部, 先任准教授 (60568153)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小池 進介 東京大学, 大学院総合文化研究科, 准教授 (10633167)
• Project Period (FY): 2023-04-01 – 2027-03-31
• Keywords: 拡散MRI / 調和法 / 神経変性疾患 / バイオマーカー

Outline of Annual Research Achievements

拡散MRI(dMRI)は、精神・神経変性疾患の脳微細構造の変化の解明に大いに役立っている。しかし拡散MRI定量値は、 MRIモデル間の不一致による変動(施設間差)が生じるため広い臨床応用が妨げられている。 13種類のMRIモデルと2つのプロトコルで同一人物を複数の条件でスキャンした、69人の旅行被験者（TS）の計300スキャンのdMRIデータを用いて、diffusion tensor imaging (DTI)及びneurite orientation dispersion and density imaging （NODDI）定量値を算出、combined association test (ComBat)及びTS-based general linear model　（TS-GLM）を用いて、調和前と調和後の評価を行った。その結果、ComBatとTS-GLMはともに、被験者間の年齢、性別といった生物学的効果を維持したまま、拡散MRI定量値のMRI撮像施設、モデル、プロトコルの影響を有意に減少させた。TS-GLMの調和力は、ComBatよりも強力であった。(Saito Y, Kamagata K, et al. Aging Dis. 2023)
さらに、大脳白質の線維束ごとのミクロ・マクロ構造変化を鋭敏に評価可能である拡散MRI技術であるfixel-based analysis (FBA)や、脳クリアランスシステムの非侵襲的指標として近年注目を浴びるALPS-indexも施設間差により変動することが知られているが、ComBatの適用により、いずれの指標においても施設間差を有意に低減可能であった。(Zou R, Kamagata K, et al. ISMRM. 2024; Saito Y, Kamagata K, et al. Jpn J Radiol. 2023)

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

神経変性疾患の診断バイオマーカーとして有望とされるDTIやNODDI、FBA、ALPS-indexなどの先端的拡散MRI定量値における施設間差をComBatやTS-GLM法といった調和手法で低減可能であることを明らかとし、学会発表・論文発表を行った。(Saito Y, Kamagata K, et al. Aging Dis. 2023; Zou R, Kamagata K, et al. ISMRM. 2024; Saito Y, Kamagata K, et al. Jpn J Radiol. 2023)
さらに、上記拡散MRI解析に関連した技術開発や(Saito Y, Kamagata K, et al. Jpn J Radiol. 2023)、種々の神経変性疾患への応用(Tuerxun R, Kamagata K, et al. Front Aging Neurosci. 2024; Andica C, Kamagata K, et al. Mov Disord. 2023; Uchida W, Kamagata K, et al. NPJ Parkinsons Dis. 2023; Saito Y, Kamagata K, et al. Jpn J Radiol. 2023)、これらの研究結果を含む総説論文を発表し、研究結果の普及に努めた。（Kamagata K, et al. J Magn Reson Imaging. 2024; Andica C, Kamagata K. et al. Neural Regen Res. 2024）

Strategy for Future Research Activity

今年度の検討でComBat、TS-GLM法でDTI, NODDI, FBAやALPS-indexといった拡散MRI定量値の施設間差低減に有用であることが明らかとなった。そこで次年度より本調和法を、本邦で最大規模の精神・神経疾患の多施設研究であるBrain MINDS/Beyondデータベースや、国外の大規模多施設研究の疾患データ(アルツハイマー病：Alzheimer's Disease Neuroimaging Initiative, Open Access Series of Imaging Studies、パーキンソン病: Parkinson's Progression Markers Initiativeなど)に適用し、調和前後で疾患群-対照群間の拡散MRI定量値の効果量が改善するか、拡散MRI定量値と疾患重症度や認知機能などのスコアとの相関関係の変化などを明らかとする。
さらに調和法の適用により数百から数千といった大サイプルサイズを対象とし、神経変性疾患で生じる早期病理変化（神経突起変化・神経炎症・脳クリアランス機能低下など）を評価可能な先端的拡散MRI解析を組み合わせ、臨床実装可能な神経変性疾患のバイオマーカー開発を目指す。

Research Products

• [Int'l Joint Research] The University of Melbourne(オーストラリア)
  • Country Name: AUSTRALIA
  • Counterpart Institution: The University of Melbourne
• [Journal Article] Assessing interstitial fluid dynamics in type 2 diabetes mellitus and prediabetes cases through diffusion tensor imaging analysis along the perivascular space (2024)
  • Author(s): Tuerxun R、Kamagata K、Saito Y、Andica C、Takabayashi K、Uchida W、Yoshida S、Kikuta J、Tabata H、Naito H、Someya Y、Kaga H、Miyata M、Akashi T、Wada A、Taoka T、Naganawa S、Tamura Y、Watada H、Kawamori R、Aoki S
  • Journal Title: Frontiers in Aging Neuroscience Volume: 16 Pages: -
  • DOI: 10.3389/fnagi.2024.1362457
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Traveling Subject-Informed Harmonization Increases Reliability of Brain Diffusion Tensor and Neurite Mapping (2023)
  • Author(s): Saito Yuya、Kamagata Koji、Andica Christina、Maikusa Norihide、Uchida Wataru、Takabayashi Kaito、Yoshida Seina、Hagiwara Akifumi、Fujita Shohei、Akashi Toshiaki、Wada Akihiko、Irie Ryusuke、Shimoji Keigo、Hori Masaaki、Kamiya Kouhei、Koike Shinsuke、Hayashi Takuya、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Aging and disease Volume: - Pages: -
  • DOI: 10.14336/AD.2023.1020
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Neural plasticity in Parkinson’s disease: a neuroimaging perspective (2023)
  • Author(s): Andica Christina、Kamagata Koji
  • Journal Title: Neural Regeneration Research Volume: 19 Pages: 1203～1205
  • DOI: 10.4103/1673-5374.386404
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Noninvasive Magnetic Resonance Imaging Measures of Glymphatic System Activity (2023)
  • Author(s): Kamagata Koji、Saito Yuya、Andica Christina、Uchida Wataru、Takabayashi Kaito、Yoshida Seina、Hagiwara Akifumi、Fujita Shohei、Nakaya Moto、Akashi Toshiaki、Wada Akihiko、Kamiya Kouhei、Hori Masaaki、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Journal of Magnetic Resonance Imaging Volume: 59 Pages: 1476～1493
  • DOI: 10.1002/jmri.28977
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fiber‐Specific White Matter Alterations in Parkinson's Disease Patients with GBA Gene Mutations (2023)
  • Author(s): Andica Christina、Kamagata Koji、Uchida Wataru、Saito Yuya、Takabayashi Kaito、Hagiwara Akifumi、Takeshige‐Amano Haruka、Hatano Taku、Hattori Nobutaka、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Movement Disorders Volume: 38 Pages: 2019～2030
  • DOI: 10.1002/mds.29578
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Fiber-specific micro- and macroscopic white matter alterations in progressive supranuclear palsy and corticobasal syndrome (2023)
  • Author(s): Uchida Wataru、Kamagata Koji、Andica Christina、Takabayashi Kaito、Saito Yuya、Owaki Mana、Fujita Shohei、Hagiwara Akifumi、Wada Akihiko、Akashi Toshiaki、Sano Katsuhiro、Hori Masaaki、Aoki Shigeki
  • Journal Title: npj Parkinson's Disease Volume: 9 Pages: 122
  • DOI: 10.1038/s41531-023-00565-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Glymphatic system impairment in sleep disruption: diffusion tensor image analysis along the perivascular space (DTI-ALPS) (2023)
  • Author(s): Saito Y、Hayakawa Y、Kamagata K、Kikuta J、Mita T、Andica C、Taoka T、Uchida W、Takabayashi K、Tuerxun R、Mahemuti Z、Yoshida S、Kitagawa T、Arai T、Suzuki A、Sato K、Nishizawa M、Akashi T、Shimoji K、Wada A、Aoki S
  • Journal Title: Japanese Journal of Radiology Volume: 41 Pages: 1335～1343
  • DOI: 10.1007/s11604-023-01463-6
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Glymphatic system impairment in corticobasal syndrome: diffusion tensor image analysis along the perivascular space (DTI-ALPS) (2023)
  • Author(s): Saito Yuya、Kamagata Koji、Andica Christina、Uchida Wataru、Takabayashi Kaito、Yoshida Seina、Nakaya Moto、Tanaka Yuya、Kamio Satoru、Sato Kanako、Nishizawa Mitsuo、Akashi Toshiaki、Shimoji Keigo、Wada Akihiko、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Japanese Journal of Radiology Volume: 41 Pages: 1226～1235
  • DOI: 10.1007/s11604-023-01454-7
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The partial volume effect of choroid plexus in pathogenesis of Alzheimer's disease (2023)
  • Author(s): Saito Yuya、Kamagata Koji、Uchida Wataru、Takabayashi Kaito、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Alzheimer's & Dementia Volume: 19 Pages: 4756～4757
  • DOI: 10.1002/alz.13123
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] The improvement technique for reproducibility of diffusion tensor image analysis along the perivascular space (DTI-ALPS) for evaluating interstitial fluid diffusivity and glymphatic function (2023)
  • Author(s): Saito Yuya、Kamagata Koji、Uchida Wataru、Takabayashi Kaito、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Japanese Journal of Radiology Volume: 41 Pages: 1029～1030
  • DOI: 10.1007/s11604-023-01421-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Reproducibility of automated calculation technique for diffusion tensor image analysis along the perivascular space (2023)
  • Author(s): Saito Yuya、Kamagata Koji、Andica Christina、Uchida Wataru、Takabayashi Kaito、Yoshida Seina、Nakaya Moto、Tanaka Yuya、Kamiyo Satoru、Sato Kanako、Nishizawa Mitsuo、Akashi Toshiaki、Shimoji Keigo、Wada Akihiko、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Japanese Journal of Radiology Volume: 41 Pages: 947～954
  • DOI: 10.1007/s11604-023-01415-0
• [Journal Article] Improved reproducibility of diffusion tensor image analysis along the perivascular space (DTI-ALPS) index calculated by manual and automated methods (2023)
  • Author(s): Saito Yuya、Kamagata Koji、Uchida Wataru、Takabayashi Kaito、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Japanese Journal of Radiology Volume: 41 Pages: 1033～1034
  • DOI: 10.1007/s11604-023-01429-8
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Multisite harmonization of diffusion tensor image analysis along the perivascular space using the COMBined Association Test (2023)
  • Author(s): Saito Yuya、Kamagata Koji、Andica Christina、Taoka Toshiaki、Tuerxun Rukeye、Uchida Wataru、Takabayashi Kaito、Owaki Mana、Yoshida Seina、Yamazaki Keigo、Naganawa Shinji、Aoki Shigeki
  • Journal Title: Japanese Journal of Radiology Volume: 41 Pages: 1072～1083
  • DOI: 10.1007/s11604-023-01432-z
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 拡散MRIを用いたfixel-based analysisに与えるMRI装置及び撮像条件の影響 (2023)
  • Author(s): Rui Zou, Koji Kamagata, Yuya Saito, Christina Andica, Wataru Uchida, Kaito Takabayashi, Seina Yoshida, Rinako Iseki, Takafumi Kitagawa, Shohei Fujita, Toshiaki Akashi, Akihiko Wada, Keigo Shimoji, Shigeki Aoki
  • Organizer: 第7回ヒト脳イメージング研究会