Macromolecular Proton Fraction as a Myelin Biomarker: Principles, Validation, and Applications

Abstract

Macromolecular proton fraction (MPF) is a quantitative MRI parameter describing the magnetization transfer (MT) effect and defined as a relative amount of protons bound to biological macromolecules with restricted molecular motion, which participate in magnetic cross-relaxation with water protons. MPF attracted significant interest during past decade as a biomarker of myelin. The purpose of this mini review is to provide a brief but comprehensive summary of MPF mapping methods, histological validation studies, and MPF applications in neuroscience. Technically, MPF maps can be obtained using a variety of quantitative MT methods. Some of them enable clinically reasonable scan time and resolution. Recent studies demonstrated the feasibility of MPF mapping using standard clinical MRI pulse sequences, thus substantially enhancing the method availability. A number of studies in animal models demonstrated strong correlations between MPF and histological markers of myelin with a minor influence of potential confounders. Histological studies validated the capability of MPF to monitor both demyelination and re-myelination. Clinical applications of MPF have been mainly focused on multiple sclerosis where this method provided new insights into both white and gray matter pathology. Besides, several studies used MPF to investigate myelin role in other neurological and psychiatric conditions. Another promising area of MPF applications is the brain development studies. MPF demonstrated the capabilities to quantitatively characterize the earliest stage of myelination during prenatal brain maturation and protracted myelin development in adolescence. In summary, MPF mapping provides a technically mature and comprehensively validated myelin imaging technology for various preclinical and clinical neuroscience applications.

Microscopic theory of spin–spin and spin–lattice relaxation of bound protons in cellular and myelin membranes—A lateral diffusion model (LDM)

“…Our approach is based on the classical theory of dipole-dipole relaxation, 33,34 where the relaxation parameters R 1,2 are determined by the spectral densities J (m) (𝜔), which are the Fourier transforms of the correlation functions G (m) (𝜏), Equations ( 7) and (8). In the case of 3D diffusion, the latter decrease with 𝜏 as G (m) (𝜏) ∼ 𝜏 −3∕2 at 𝜏 >> 𝜏 d (𝜏 d is the characteristic diffusion time), 33,34 and the integrals defining the Fourier transforms converge at any 𝜔.…”

The effect of corpus callosum abnormalities on myelin development in the fetal brain using the fast macromolecular proton fraction mapping

“…Среди известных методов количественной МРТ уникальное положение занимает недавно разработанный метод быстрого картирования макромолекулярной протонной фракции (МПФ) [11,12]. В основе метода картирования МПФ лежит эффект переноса намагниченно-сти -явления, вызванного некогерентным обменом магнитной энергией между водой и макромолекулами в биологических объектах [13]. Принципиальной особенностью МПФ как биофизического параметра является его чувствительность и специфичность к содержанию миелина в нервной ткани [13].…”

“…В основе метода картирования МПФ лежит эффект переноса намагниченно-сти -явления, вызванного некогерентным обменом магнитной энергией между водой и макромолекулами в биологических объектах [13]. Принципиальной особенностью МПФ как биофизического параметра является его чувствительность и специфичность к содержанию миелина в нервной ткани [13]. Количественная оценка миелинизации мозга в течение пренатального периода и в раннем детстве может открыть путь для выявления невропатологических причин задержки развития и дальнейшего прогноза интеллектуальных способностей и будущей социальной продуктивности ребенка при различных аномалиях головного мозга.…”

“…White intermittent arrows indicate the CC hypoplasia and interhemispheric cyst secondary to CC hypoplasia (б). Black arrows show the communication of the third ventricle with interhemispheric cyst secondary to the CC agenesis (в)ния миелинизации методом МПФ в пренатальном периоде[12,13] и в раннем детском возрасте[14], позже опубликованы работы по исследованию траекторий поздней стадии миелинизации в подростковом возрасте[7].Многочисленные данные свидетельствуют о нейропластическом ремоделировании связей мозга при АМТ, которые начинаются еще во внутриутробном периоде. Знания о взаимосвязях аномалии МТ с внутриутробным структурным развитием мозга на уровне количественного определения маркеров нейрогенеза ограничены.…”

Evaluating brain damage in multiple sclerosis with simultaneous multi‐angular‐relaxometry of tissue

“…11 However, traditional MTR depends on MRI pulse sequence parameters and does not provide the true macromolecule content. Quantitative magnetization transfer (qMT) can measure the fraction of bound protons versus total protons, the so called Macromolecule Proton Fraction (MPF) [12][13][14][15][16][17][18][19][20] which reflects myelin content. 21,22 While initially qMT has been limited by low resolution, high radio frequency energy deposition (especially, at magnetic fields 3 T and higher), and long acquisition times, new approaches have been proposed to overcome some of these constraints.…”