冠状動脈微小血管機能障害の非侵襲的評価のための血管作動性呼吸操作を伴う酸素化感受性心臓MRI

Summary

酸素化感受性心磁気共鳴画像法と血管作動性呼吸法を組み合わせた微小血管機能の評価は、in vivo での心筋酸素化の急激な動的変化を評価する能力においてユニークであり、したがって、冠動脈血管機能の非常に重要な診断技術として役立つ可能性があります。

Abstract

酸素感受性心臓磁気共鳴画像法(OS-CMR)は、デオキシヘモグロビンの固有の常磁性特性を内因性組織造影剤として使用する診断技術です。OS-CMRは、強力な非薬理学的血管運動刺激として標準化された血管作動法(過換気および無呼吸)と組み合わせて使用することで、心筋酸素化の変化をモニターすることができます。心周期中および血管作動中のこのような変化を定量化することで、冠状動脈のマクロおよび微小血管機能のマーカーを提供し、それによって外因性、静脈内造影剤、または薬理学的ストレス剤の必要性を回避できます。

OS-CMRは、血中酸素化に対するT2*強調画像のよく知られた感度を使用します。酸素化に敏感な画像は、修正された標準的な臨床定常状態自由歳差運動(SSFP)シネシーケンスを使用して、任意の心臓MRIスキャナーで取得できるため、この手法はベンダーに依存せず、簡単に実装できます。血管作動性呼吸操作として、120 秒の自由呼吸、60 秒のペース過呼吸、その後少なくとも 30 秒の呼気停止の 4 分間の呼吸プロトコルを適用します。この操作に対する心筋組織の酸素化の地域的および全体的な応答は、信号強度の変化を追跡することによって評価できます。呼吸誘発性心筋酸素化予備能(B-MORE)と呼ばれる過換気後の息止めの最初の30秒間の変化は、健康な人やさまざまな病状で研究されています。酸素感受性CMRスキャンを血管作動性で実施するための詳細なプロトコルが提供されています。

閉塞性冠動脈狭窄症を伴わない誘発性虚血(INOCA)、駆出率が保たれた心不全(HFpEF)、心臓移植後の微小血管機能障害など、まだ完全に理解されていない状態の微小血管機能障害のある患者で実証されているように、このアプローチは、冠動脈血管機能に関するユニークで臨床的に重要で補完的な情報を提供します。

Introduction

酸素化感受性心臓磁気共鳴画像法(OS-CMR)は、デオキシヘモグロビンの固有の常磁性特性をMR^造影剤の内因性源として使用します1,2,3。OS-CMRは、強力な非薬理学的血管運動刺激として標準化された血管作動性呼吸操作(過換気および無呼吸)と組み合わせて使用し、血管機能のマーカーとして心筋酸素化の変化を監視できるため、外因性、静脈内造影剤、または薬理学的ストレス剤の必要性を回避できます^4,5,6。

息止めや過呼吸などの呼吸操作は、血管運動を変化させるための非常に効果的な血管作用手段であり、その安全性と簡便さから、診断手順の一部として制御された内皮依存性血管運動に最適です。研究は、過換気とその後の息止めを組み合わせる場合の追加の有効性を示しています^4,7、そのようなプロトコルの間、血管収縮(関連する血中二酸化炭素の減少による)に続いて血管拡張(血中二酸化炭素の増加);したがって、健康な血管系は、心筋の血流が大幅に増加し、心筋の酸素化が増加し、OS-CMR画像で観察可能な信号強度が増加し、血管収縮から血管拡張までの全範囲に移行します。また、シネ画像の取得により、アデノシン注入と比較して、より優れたS/N比で心臓位相分解結果^{を得ることができます8。}

呼吸操作は、冠状血管機能の評価に使用できる血管活性変化を誘発するための薬理学的ストレス剤に取って代わることができます。これにより、患者のリスク、物流の労力、および関連コストが削減されるだけでなく、臨床的により意味のある結果を提供するのに役立ちます。アデノシンなどの薬理学的ストレス物質は、内皮依存性反応を引き起こし、したがって、内皮機能自体を反映します。これまでの内皮機能のこのような特異的評価は、内皮依存性血管拡張薬としてのアセチルコリンの冠動脈内投与によってのみ可能であった。しかし、この手順は非常に侵^{襲的であり2,9}、したがって、めったに実行されません。

直接的なバイオマーカーへのアクセスがないため、いくつかの診断技術では、外因性造影剤の組織取り込みなどの代替マーカーが使用されています。それらは、1つまたは2つの静脈内アクセスラインの必要性、重度の腎臓病や房室ブロックなどの禁忌、および潜在的に重篤な副作用を管理する訓練を受けたスタッフの物理的存在の必要性によって制限されます^10,11。しかし、冠動脈機能の現在のイメージングの最も重要な制限は、代理マーカーとしての心筋灌流が、血管機能障害の最も重要な下流の結果としての心筋組織の酸素化を反映していないことです²。

血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRは、健康な人、冠動脈疾患(CAD)患者の大血管疾患、閉塞性睡眠時無呼吸症候群(OSA)患者の微小血管機能障害、心臓移植後の閉塞性冠動脈狭窄症(INOCA)を伴う虚血、駆出率が保たれた心不全(HFpEF)など、多くのシナリオで血管機能を評価するために利用されています^4。 7,12,13,14,15,16。CAD集団では、OS-CMRに由来する呼吸誘発性心筋酸素化予備能(B-MORE)のプロトコルは、重大な狭窄を伴う冠状動脈によって灌流された心筋領域における酸素化反応の障害を特定する上で、安全で、実行可能で、感度が高いことが証明されました¹³。

微小血管機能障害では、OS-CMRは閉塞性睡眠時無呼吸症候群の患者で心筋酸素化反応の遅延を示し、HFpEF患者および心臓移植後の患者では鈍いB-MOREが見られました12,14,16。INOCAの女性では、呼吸操作により心筋の酸素化反応が異常に不均一になり、OS-CMR¹⁵の高い空間分解能の利点が強調されました。この論文では、血管作動性呼吸操作でOS-CMRを実行する理論的根拠と方法論をレビューし、微小血管機能障害のある患者集団、特に内皮機能障害に関連する血管病態生理学の評価におけるその臨床的有用性について説明します。

呼吸増強酸素感受性MRIの生理学的背景
通常の生理学的条件下では、酸素要求量の増加は、血流の増加による酸素供給の同等の増加と一致し、局所的なデオキシヘモグロビン濃度に変化はありません。対照的に、誘発された血管拡張は、酸素要求量の変化なしに酸素化された血液の「過剰な」流入につながります。その結果、より多くの組織ヘモグロビンが酸素化され、したがって、デオキシヘモグロビンが少なくなり、OS-CMRシグナル強度の相対的な増加につながります^4,17。血管機能が損なわれると、心筋の血流を増強するための代謝要求や刺激の変化に適切に応答できなくなります。

血管収縮を誘発するペースの速い過換気や、二酸化炭素媒介性血管拡張を誘発する長時間の息止めなど、血管運動を誘発する刺激の設定では、血管運動活動の障害は、他の領域と比較して局所的なデオキシヘモグロビン濃度の相対的な増加をもたらし、その結果、OS-CMR信号強度の変化の減少をもたらします。誘発性虚血の設定では、血管機能障害は、心外膜冠動脈狭窄がない場合でも、心筋血流の局所的な増加によって満たされない局所的な需要の増加をもたらします。OS-CMR画像では、デオキシヘモグロビン濃度の正味の局所的な増加は、局所的なシグナル強度の減少につながります2,18,19,20。

冠状動脈微小血管機能障害の患者では、内皮依存性および非依存性血管拡張薬(アデノシンを含む)に反応した血管平滑筋の緩和が弱まっています21、^22、23、^24、25、^26、27.内皮非依存性機能障害は、微小血管肥大または周囲の心筋病変による構造異常によるものと考えられています。対照的に、内皮機能障害は、不十分な血管収縮と(内皮依存性の)血管弛緩障害の両方をもたらし、典型的には血管壁における一酸化窒素の生理活性の喪失によって引き起こされる^21,28。内皮機能障害は、高コレステロール血症、高血圧、糖尿病、CAD、閉塞性睡眠時無呼吸症候群、INOCA、HF²³、²⁴、²⁸、²⁹、³⁰、^31、32など、多くの心血管疾患の病因に関与しています。実際、内皮機能障害は冠動脈アテローム性動脈硬化症の最も初期の症状です³³。内皮機能のイメージングは、有害な心血管イベントと長期的な転帰の重要な予測因子としての役割を考えると、非常に強い可能性を秘めており、心血管疾患の状態に深い予後的影響を及ぼします23,29,30,31,34,35。

灌流画像法とは対照的に、過呼吸後の息止め中の心筋酸素化の相対的な増加として定義される呼吸誘発性心筋酸素化予備能(B-MORE)は、そのような血管作用性トリガーが全体的または地域的な酸素化自体に及ぼす影響を視覚化することを可能にします^2,36。したがって、血管機能の正確な下流マーカーとして、B-MOREは血管機能障害だけでなく、実際の誘発性虚血も特定でき、より深刻な局所灌流または酸素化の問題を示します18,19,37。これは、OS-CMRが、それ自体が心筋組織のかなりの割合を占める心筋の毛細血管系に豊富に存在する脱酸素化ヘモグロビンの相対的な減少を視覚化する能力によって達成される²⁴。

OS-CMR シーケンス
OS-CMRイメージングに使用される磁気共鳴画像法(MRI)シーケンスは、2つの短軸スライスで取得された前向きゲート、修正、平衡、定常状態、自由歳差運動(bSSFP)シーケンスです。このbSSFP配列は、心臓MRIを実行するすべてのMRIスキャナーで利用可能な(および変更可能な)標準的な臨床配列であり、この手法はベンダーに依存せず、簡単に実装できます。通常のbSSFPシネシーケンスでは、エコー時間、繰り返し時間、およびフリップ角度を変更して、結果として得られる信号強度をBOLD効果に感作し、酸素化に敏感なシーケンスを作成します。このアプローチは、T2で調製されたbSSFP読み出しであり、BOLDイメージングに用いられた以前の勾配エコー技術と比較して、より高いS/N比、より高い画質、およびより速いスキャン時間を有する酸素化感受性画像の取得に適していることが以前に示されている³⁸。このアプローチで呼吸増強OS-CMRを実施すると、非常に少数の軽度の副作用で適用できます(表1)。注目すべきは、参加者の90%以上が、十分に長い息止め時間4,12,13,16でこのプロトコルを完了していることです。

Protocol

血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRを使用するすべてのMRIスキャンは、地域の施設ガイドラインに準拠して実行する必要があります。以下に概説するプロトコルは、いくつかの機関のヒト研究倫理委員会によって承認された研究で使用されています。このプロトコルと原稿に記載されているすべての人間の参加者のデータと結果について、書面による同意が得られました。 <str…

Representative Results

B-MOREの解釈血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMRを使用した以前に発表された研究では、息止めの最初の収縮末期画像と、息止めの15秒、30秒、45秒などに最も近い収縮期末画像を比較することにより、全体または地域のB-MOREが計算されました。心周期の収縮期末期は、いくつかの理由で選択されました。収縮末期画像は、読者間および読者間で識別される最も一貫したフェーズです:…

Discussion

すでに確立されている研究または臨床MRIプロトコルに、標準化された血管作動性呼吸操作を伴うOS-CMR取得を追加することで、スキャン全体にほとんど時間をかけません。この短い追加により、根底にある大血管および微小血管機能に関する情報を得ることができます(図2)。内皮機能障害の重要な結果は、心臓の異常な流れ媒介性弛緩によって最初に実証されたように、?…

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