IRM cardiaque sensible à l’oxygénation avec manœuvres respiratoires vasoactives pour l’évaluation non invasive de la dysfonction microvasculaire coronarienne

Summary

L’évaluation de la fonction microvasculaire par imagerie par résonance magnétique cardiaque sensible à l’oxygénation en combinaison avec des manœuvres respiratoires vasoactives est unique dans sa capacité à évaluer les changements dynamiques rapides de l’oxygénation myocardique in vivo et, par conséquent, peut servir de technique de diagnostic d’une importance cruciale pour la fonction vasculaire coronarienne.

Abstract

L’imagerie par résonance magnétique cardiaque sensible à l’oxygénation (OS-CMR) est une technique de diagnostic qui utilise les propriétés paramagnétiques inhérentes à la désoxyhémoglobine comme source endogène de contraste tissulaire. Utilisé en combinaison avec des manœuvres respiratoires vasoactives standardisées (hyperventilation et apnée) en tant que puissant stimulus vasomoteur non pharmacologique, l’OS-CMR peut surveiller les changements dans l’oxygénation du myocarde. La quantification de ces changements au cours du cycle cardiaque et tout au long des manœuvres vasoactives peut fournir des marqueurs de la fonction macro et microvasculaire coronaire et ainsi contourner le besoin d’agents de contraste extrinsèques, intraveineux ou de stress pharmacologique.

OS-CMR utilise la sensibilité bien connue des images pondérées en T2* à l’oxygénation du sang. Les images sensibles à l’oxygénation peuvent être acquises sur n’importe quel scanner IRM cardiaque à l’aide d’une séquence ciné clinique standard modifiée de précession libre à l’état d’équilibre (SSFP), ce qui rend cette technique indépendante du fournisseur et facile à mettre en œuvre. En tant que manœuvre de respiration vasoactive, nous appliquons un protocole respiratoire de 4 min de 120 s de respiration libre, 60 s d’hyperventilation rythmée, suivis d’une apnée expiratoire d’au moins 30 s. La réponse régionale et globale de l’oxygénation du tissu myocardique à cette manœuvre peut être évaluée en suivant le changement d’intensité du signal. L’évolution au cours des 30 premières secondes de l’apnée post-hyperventilation, appelée réserve d’oxygénation myocardique induite par la respiration (B-MORE), a été étudiée chez des personnes en bonne santé et diverses pathologies. Un protocole détaillé pour effectuer des examens CMR sensibles à l’oxygène avec des manœuvres vasoactives est fourni.

Comme cela a été démontré chez les patients présentant un dysfonctionnement microvasculaire dans des conditions encore incomplètement comprises, telles que l’ischémie inductible sans sténose obstructive de l’artère coronaire (INOCA), l’insuffisance cardiaque avec fraction d’éjection préservée (HFpEF) ou le dysfonctionnement microvasculaire après transplantation cardiaque, cette approche fournit des informations uniques, cliniquement importantes et complémentaires sur la fonction vasculaire coronarienne.

Introduction

L’imagerie par résonance magnétique cardiaque sensible à l’oxygénation (OS-CMR) utilise les propriétés paramagnétiques inhérentes à la désoxyhémoglobine comme source endogène de contraste IRM ^1,2,3. Utilisé en combinaison avec des manœuvres respiratoires vasoactives standardisées (hyperventilation et apnée) en tant que puissant stimulus vasomoteur non pharmacologique, l’OS-CMR peut surveiller les changements dans l’oxygénation du myocarde en tant que marqueur de la fonction vasculaire, contournant ainsi le besoin de tout produit de contraste extrinsèque, intraveineux ou d’agents de stress pharmacologiques ^4,5,6.

Les manœuvres respiratoires, y compris l’apnée et l’hyperventilation, sont des mesures vasoactives très efficaces pour modifier la vasomotion et, en raison de leur sécurité et de leur simplicité, sont idéales pour contrôler la vasomotion endothéliale dépendante dans le cadre d’une procédure de diagnostic. Des études ont montré une efficacité accrue lors de l’association de l’hyperventilation avec une apnée subséquente^4,7, car au cours d’un tel protocole^, la vasoconstriction (par la diminution associée du dioxyde de carbone dans le sang) est suivie d’une vasodilatation (augmentation du dioxyde de carbone dans le sang) ; ainsi, un système vasculaire sain passe par toute la gamme de la vasoconstriction à la vasodilatation avec une forte augmentation du flux sanguin myocardique, ce qui augmente à son tour l’oxygénation myocardique et, par conséquent, l’intensité du signal observable dans les images OS-CMR. L’utilisation d’images cinématographiques pour l’acquisition permet également d’obtenir des résultats de résolution de phase cardiaque avec un meilleur rapport signal/bruit par rapport à la perfusion d’adénosine⁸.

Les manœuvres respiratoires peuvent remplacer les agents de stress pharmacologiques pour induire des changements vasoactifs qui peuvent être utilisés pour évaluer la fonction vasculaire coronarienne. Cela permet non seulement de réduire les risques pour les patients, les efforts logistiques et les coûts associés, mais aussi d’obtenir des résultats cliniquement plus significatifs. Les agents de stress pharmacologiques tels que l’adénosine déclenchent une réponse dépendante de l’endothélium et, par conséquent, reflètent la fonction endothéliale elle-même. Jusqu’à présent, une telle évaluation spécifique de la fonction endothéliale n’a été possible que par l’administration intracoronaire d’acétylcholine en tant que vasodilatateur endothélial dépendant. Cette procédure, cependant, est très invasive^2,9 et, par conséquent^, rarement pratiquée.

En l’absence de biomarqueurs directs, plusieurs techniques de diagnostic ont utilisé des marqueurs de substitution tels que l’absorption tissulaire d’un agent de contraste exogène. Ils sont limités par la nécessité d’une ou deux voies d’accès intraveineuses, des contre-indications telles qu’une maladie rénale grave ou un bloc auriculo-ventriculaire, et la nécessité de la présence physique d’un personnel formé à la prise en charge des effets secondaires potentiellement graves^10,11. La limitation la plus importante de l’imagerie actuelle de la fonction coronaire reste cependant que la perfusion myocardique en tant que marqueur de substitution ne reflète pas l’oxygénation du tissu myocardique comme la conséquence la plus importante en aval de la dysfonction vasculaire².

L’OS-CMR avec des manœuvres respiratoires vasoactives a été utilisée pour évaluer la fonction vasculaire dans de nombreux scénarios, y compris les personnes en bonne santé, la maladie macrovasculaire chez les patients atteints de maladie coronarienne (coronaropathie), ainsi que le dysfonctionnement microvasculaire chez les patients souffrant d’apnée obstructive du sommeil (AOS), d’ischémie sans sténose obstructive de l’artère coronaire (INOCA), après une transplantation cardiaque et d’insuffisance cardiaque avec fraction d’éjection préservée (HFpEF)^4, 7,12,13,14,15,16. Dans une population coronarienne, le protocole de la réserve d’oxygénation myocardique induite par la respiration (B-MORE) dérivé de l’OS-CMR s’est avéré sûr, réalisable et sensible pour identifier une réponse d’oxygénation altérée dans les territoires myocardiques perfusés par une artère coronaire avec une sténose significative¹³.

Dans le cas d’un dysfonctionnement microvasculaire, l’OS-CMR a démontré un retard de la réponse d’oxygénation myocardique chez les patients souffrant d’apnée obstructive du sommeil, et un B-MORE émoussé a été trouvé chez les patients atteints d’HFpEF et après transplantation cardiaque^12,14,16. Chez les femmes atteintes d’INOCA, la manœuvre respiratoire a conduit à une réponse d’oxygénation myocardique anormalement hétérogène, soulignant l’avantage de la haute résolution spatiale de l’OS-CMR¹⁵. Cet article passe en revue la raison d’être et la méthodologie de la réalisation de l’OS-CMR avec des manœuvres respiratoires vasoactives et discute de son utilité clinique dans l’évaluation de la physiopathologie vasculaire dans les populations de patients présentant un dysfonctionnement microvasculaire, en particulier en ce qui concerne le dysfonctionnement endothélial.

Le contexte physiologique de l’IRM sensible à l’oxygénation assistée par la respiration
Dans des conditions physiologiques normales, une augmentation de la demande en oxygène s’accompagne d’une augmentation équivalente de l’apport en oxygène par l’augmentation du flux sanguin, ce qui n’entraîne aucun changement de la concentration locale de désoxyhémoglobine. En revanche, la vasodilatation induite conduit à un afflux « excessif » de sang oxygéné sans modification de la demande en oxygène. Par conséquent, une plus grande partie de l’hémoglobine tissulaire est oxygénée et, par conséquent, il y a moins de désoxyhémoglobine, ce qui entraîne une augmentation relative de l’intensité du signal OS-CMR ^4,17. Si la fonction vasculaire est compromise, elle ne peut pas répondre correctement à une demande métabolique modifiée ou à un stimulus pour augmenter le flux sanguin myocardique.

Dans le cadre d’un stimulus pour provoquer une vasomotion, tel qu’une hyperventilation rythmée provoquant une vasoconstriction ou une longue apnée provoquant une vasodilatation médiée par le dioxyde de carbone, l’altération de l’activité vasomotrice entraînerait une augmentation relative de la concentration locale de désoxyhémoglobine par rapport à d’autres régions et, par conséquent, une modification réduite de l’intensité du signal OS-CMR. Dans le cadre d’une ischémie inductible, une altération de la fonction vasculaire entraînerait une augmentation de la demande locale non satisfaite par une augmentation locale du débit sanguin du myocarde, même en l’absence de sténose de l’artère coronaire épicardique. Dans les images OS-CMR, l’augmentation locale nette de la concentration de désoxyhémoglobine conduit à une diminution de l’intensité du signal local 2,18,19,20.

Une relaxation atténuée des muscles lisses vasculaires en réponse à des vasodilatateurs dépendants et indépendants de l’endothélium (y compris l’adénosine) a été démontrée chez des patients présentant une dysfonction microvasculaire coronarienne 21,22,23,24,25,26,27 . On pense que le dysfonctionnement endothélial indépendant est dû à des anomalies structurelles dues à une hypertrophie microvasculaire ou à une pathologie myocardique environnante. En revanche, le dysfonctionnement endothélial se traduit à la fois par une vasoconstriction inadéquate et une vasorelaxation altérée (dépendante de l’endothélium), généralement causée par une perte de bioactivité de l’oxyde nitrique dans la paroi vasculaire^21,28. Le dysfonctionnement endothélial a été impliqué dans la pathogenèse d’un certain nombre de maladies cardiovasculaires, notamment l’hypercholestérolémie, l’hypertension, le diabète, la coronaropathie, l’apnée obstructive du sommeil, l’inoca et l’HF 23,24,28,29,30,31,32. En fait, le dysfonctionnement endothélial est la manifestation la plus précoce de l’athérosclérose coronarienne³³. L’imagerie de la fonction endothéliale a un très fort potentiel, compte tenu de son rôle en tant que prédicteur significatif des événements cardiovasculaires indésirables et des résultats à long terme, avec de profondes implications pronostiques dans les états de maladie cardiovasculaire 23,29,30,31,34,35.

Contrairement à l’imagerie de perfusion, la réserve d’oxygénation myocardique induite par la respiration (B-MORE), définie comme l’augmentation relative de l’oxygénation myocardique lors d’une apnée post-hyperventilation, permet de visualiser les conséquences d’un tel déclencheur vasoactif sur l’oxygénation globale ou régionale elle-même ^2,36. En tant que marqueur précis en aval de la fonction vasculaire, B-MORE peut donc non seulement identifier un dysfonctionnement vasculaire, mais aussi une ischémie inductible réelle, indiquant un problème local de perfusion ou d’oxygénation plus sévère^18,19,37. Ceci est réalisé grâce à la capacité de l’OS-CMR à visualiser la diminution relative de l’hémoglobine désoxygénée, qui est abondante dans le système capillaire du myocarde, qui représente lui-même une proportion importante du tissu myocardique²⁴.

Séquence OS-CMR
La séquence d’imagerie par résonance magnétique (IRM) utilisée pour l’imagerie OS-CMR est une séquence de précession libre (bSSFP) à l’état stationnaire (bSSFP) obtenue en deux coupes à axe court. Cette séquence bSSFP est une séquence clinique standard disponible (et modifiable) sur tous les scanners IRM qui effectuent une IRM cardiaque, ce qui rend cette technique indépendante du fournisseur et facile à mettre en œuvre. Dans une séquence ciné bSSFP régulière, le temps d’écho, le temps de répétition et l’angle de retournement sont modifiés pour sensibiliser l’intensité du signal résultant à l’effet BOLD et, ainsi, créer une séquence sensible à l’oxygénation. Cette approche, une lecture bSSFP préparée par T2, s’est déjà avérée adaptée à l’acquisition d’images sensibles à l’oxygénation avec un rapport signal/bruit plus élevé, une qualité d’image supérieure et des temps de balayage plus rapides par rapport aux techniques d’écho de gradient précédentes utilisées pour l’imagerie BOLD³⁸. Cette approche permet d’appliquer la SG-CMR avec une amélioration de la respiration avec très peu d’effets secondaires légers (tableau 1). Il est à noter que plus de 90 % des participants terminent ce protocole avec des temps d’apnée suffisamment longs 4,12,13,16.

Protocol

Toutes les IRM utilisant l’OS-CMR avec des manœuvres respiratoires vasoactives doivent être effectuées conformément aux directives de l’établissement local. Le protocole décrit ci-dessous a été utilisé dans des études approuvées par plusieurs comités institutionnels d’éthique de la recherche sur des êtres humains. Un consentement écrit a été obtenu pour toutes les données et tous les résultats des participants humains décrits dans ce protocole et ce manuscrit. 1…

Representative Results

Interprétation B-MOREDans des études publiées précédemment utilisant l’OS-CMR avec des manœuvres respiratoires vasoactives, le B-MORE global ou régional a été calculé en comparant la première image systolique de fin de l’apnée à l’image de fin de systolique la plus proche de 15 s, 30 s, 45 s, etc. de l’apnée. La phase systolique de fin de cycle cardiaque a été choisie pour plusieurs raisons. L’image de fin de systolique est la phase la plus cohérente identifiée entre et en…

Discussion

L’ajout d’une acquisition OS-CMR avec des manœuvres respiratoires normalisées et vasoactives à un protocole d’IRM clinique ou de recherche déjà établi ajoute peu de temps à l’examen global. Grâce à ce bref ajout, il est possible d’obtenir des informations sur les fonctions macro et microvasculaires sous-jacentes (Figure 2). Une conséquence importante du dysfonctionnement endothélial est l’incapacité du système vasculaire à répondre aux stimuli physiologiques, comme…

Materials

balanced SSFP MRI sequence	Any		To modify to create the OS-CMR sequence
DICOM/ Imaging Viewer	Any		Best if the viewer has the ability for quantitative measurements (i.e., Area19 prototype software)
Magnetic Resonance Imaging scanner	Any		3 Tesla or 1.5 Tesla
Metronome	Any		Set to 30 breaths per minute. To use if manually communicating breathing maneuver instructions to participants.
Speaker system	Any		To communicate breathing maneuver instrucitons to participants through
Stopwatch	Any		To use if manually communicating breathing maneuver instructions to participants