Abstract Human prion diseases are fatal neurodegenerative disorders that may have prolonged asymptomatic incubation periods. However, the underlying mechanism by which prions cause brain damage remains unclear. In turn, characterization of early pathological aspects would be of benefit for the diagnosis and potential treatment of these progressive neurodegenerative disorders. We investigated chemical exchange saturation transfer (CEST) MRI based on its exquisite sensitivity to cytosol protein content as a surrogate for prion disease pathology. Three groups of prion-infected mice at different stages of the disease underwent conventional magnetic resonance imaging and CEST MRI at 9.4T. For each mouse, chemical exchange contrasts were measured by applying five RF powers at various frequency offsets using magnetization transfer asymmetries. Relayed Nuclear Overhauser effects (NOE*) and amide proton transfer (APT*) were also assessed. For comparison, CEST MRI measurements were also made in healthy control mice brains. Here we show that alterations in CEST signal were detected before structural modifications or any clinical signs of prion disease. The detected CEST signal displayed different patterns at different stages of the disease indicating its potential for use as a longitudinal marker of disease progression. Highly significant correlations were found between CEST metrics and histopathological findings. A decline in NOE signal was positively correlated with abnormal prion protein deposition (R 2 = 0.91) in the thalami of prion infected mice. Moreover, the NOE signal was negatively correlated with astrogliosis (R 2 = 0.71) in the thalamus. No significant correlations were detected between NOE signals and spongiosis. MTR asymmetry at 3.5 ppm was also correlated with astrogliosis (R 2 = 0.59), and prion protein deposition (R 2 = 0.63) in thalamus. No significant changes were detected in APT* between prion-infected and control mice at all stages of the disease. Finally, MTR asymmetry between 2.8 and 3.2 ppm was correlated with prion protein deposition (R 2 = 0.47) in the thalamus of prion -infected mice. To conclude, CEST MRI has potential utility as a biomarker of neurodegenerative processes in prion disease.

Abstract Human prion diseases are fatal neurodegenerative disorders which cause cognitive impairment and neurological deficits. Additional measures of tissue status are necessary for improving the sensitivity and specificity of clinical diagnosis as in many cases clinical forms of prion disease are commonly mistaken for other forms of dementia. To that effect, we developed a set of quantitative magnetic resonance-based tools, including magnetic resonance spectroscopy (MRS), magnetization transfer ratio (MTR) and quantitative T 1 and T 2 imaging to study the course of the disease in an animal model of prion disease. Using in vivo MTR, significant changes were detected in the cortex and thalamus of late-stage prion -infected mice as compared to littermates. In addition, we found a significant increase of MTR in thalamus and cortex of 80 dpi healthy mice when compared with 160 dpi healthy mice suggestive of changes occurring during the development of the brain. Using quantitative T 2 mapping, significantly higher values were measured in thalamus of prion mice at all stages of the disease (T 2 =40ms) while T 1 was found to be significantly higher in cortex (T 1 =1.89s) and hippocampus, albeit only in late-stage prion mice as compared to aged-matched controls (T 1 =1.67s). Using quantitative MRS significant changes were detected in glutamate (Glu) and myo-inositol (Ins) at all stages of prion disease when compared with the control group. NAA, Cr, Lactate and Lipids were only found to be significantly different at early and late stages of the disease while Taurine (Tau) was only significantly increased in the asymptomatic stage without any significant change at early and late stages of the disease. These changes in MRI and MRS signals, which precede clinical signs of disease, could provide insights into the pathogenesis of this disease and may enable early detection of pathology.