Cardiac Metabolism and Function in Patients with Multiple Sclerosis: A combined 31P-MR-Spectroscopy and MRI study

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Abstract
Objective: Involvement of the autonomic system in multiple sclerosis (MS) may concur with dysfunction of the cardiovascular system. The introduction of potentially cardiotoxic immunosuppressive drugs like Mitoxantrone into the treatment of MS warrants proper assessment of preexisting heart disease. However, systematic analyses of functional and metabolic derangements in MS are missing. Using quantitative 31P-MR-spectroscopy (MRS) and MR-imaging (MRI) metabolic and functional parameters were analyzed in patients with MS in comparison to healthy volunteers. Subjects/Methods: 14/15 patients with MS could be included in the study, as the MRS examination of one patient had to be excluded from analysis due to movement during the examination. Using chemical shift imaging (CSI) and AMARES, phosphocreatine (PCr) to adenosine triphosphate (ATP) ratios, characterizing myocardial high-energy phosphate metabolism, were determined. Additionally, absolute concentrations of PCr and ATP were calculated by SLOOP (Spatial Localization with Optimal Pointspread Function). Analysis of functional changes was performed by Cine-MRI. 14 healthy volunteers matched for age and gender served as control. Results: A significant decrease of absolute PCr concentration was observed in patients with MS compared to matched volunteers (p < 0.05), whereas ATP concentrations showed no significant changes (p = 0.27). Metabolite ratios calculated by SLOOP or AMARES showed a tendency to be reduced in patients, however, did not reach significance (p = 0.08, SLOOP; p = 0.47, AMARES). Using volunteers' mean values ± 2 × SD as cut off value revealed PCr changes in 5 of 14 patients, whereas only 2 also had pathologic PCr/ATP ratios. Functional analysis by MRI depicted depressed left ventricular ejection fraction in 4 patients. Conclusions: The reduction in cardiac high-energy phosphates in some patients with MS points to a subclinical involvement of the heart. This may be important for treatment with potentially cardiotoxic drugs. Longitudinal studies are need to understand the clinical relevance of our findings. Zielsetzung: Die Beteiligung des autonomen Nervensystems bei Multipler Sklerose (MS) scheint Auswirkungen auf das kardiovaskuläre System zu haben. Die Einführung potenziell kardiotoxischer immunsuppressiver Medikamente wie Mitoxantron zur Behandlung der MS setzt eine exakte Erfassung präexistiender Herzerkrankungen voraus. Gegenwärtig fehlt jedoch eine systematische Analyse funktioneller und metabolischer Veränderungen bei MS. Mittels quantitativer 31P-MR-Spektroskopie (MRS) und MR-Tomographie (MRI) wurden MS-Patienten im Vergleich zu gesunden Probanden hinsichtlich möglicher vorliegender kardiovaskulärer Pathologien untersucht. Patienten/Methoden: 14/15 Patienten konnten in die Studie eingeschlossen werden, da die MRS Untersuchung eines Patienten infolge von Bewegungsartefakten von der Datenanalyse ausgeschlossen werden musste. Als Index des myokardialen Energiestoffwechsels wurde zum einen das Phosphokreatin (PCr) zu Adenosintriphosphat (ATP) Verhältnis mittels 3D-chemical shift imaging (CSI) und konventioneller Fouriertransformation (AMARES) bestimmt. Zusätzlich wurden die Absolutkonzentrationen von PCr und ATP mit Hilfe des SLOOP-Verfahrens (Spatial Localization with Optimal Pointspread Function) berechnet. Morphologische wie funktionelle Veränderungen wurden mittels MRI erfasst. 14 gesunde Probanden gematcht für Alter und Geschlecht bildeten eine Kontrollgruppe. Ergebnisse: Im Vergleich zur Kontrollgruppe wurde bei den Patienten eine signifikante Abnahme der PCr Konzentration nachgewiesen (p < 0.05). Dagegen zeigten sich keine signifikanten Änderungen der ATP Konzentration (p = 0.27). Für die Metabolitenverhältnisse zeigte sich nur eine Tendenz zur Abnahme, die jedoch keine statistische Signifikanz erreichte (p = 0.08, SLOOP; p = 0.47, AMARES). Für eine Einzelfallbetrachtung wurden jeweils Grenzwerte anhand der Mittelwerte ± zweier Standardabweichungen des gesunden Vergleichskollektivs definiert. Hier ergaben sich pathologische Veränderungen hinsichtlich PCr Konzentration (5 von 14 Patienten), PCr/ATP Verhältnisse (2/14) sowie linksventrikulärer Ejektionsfraktion (4/14). Schlussfolgerung: Die Veränderungen im kardialen Energiestoffwechsel in 5 von 14 der untersuchten Patienten mit MS deuten auf eine subklinisch vorhandene Mitbeteiligung des Herzens hin. Dies mag für die Behandlung dieser Patienten mit potenziell kardiotoxischen Medikamenten von Bedeutung sein. Verlaufsuntersuchungen sind nötig um die klinische Relevanz unserer Beobachtungen exakter beurteilen zu können.

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