МРТ сердца, чувствительная к оксигенации, с вазоактивным дыханием для неинвазивной оценки коронарной микроваскулярной дисфункции

Summary

Оценка функции микрососудов с помощью чувствительной к оксигенации магнитно-резонансной томографии сердца в сочетании с вазоактивными дыхательными маневрами уникальна своей способностью оценивать быстрые динамические изменения оксигенации миокарда in vivo и, таким образом, может служить критически важным диагностическим методом функции коронарных сосудов.

Abstract

Чувствительная к оксигенации магнитно-резонансная томография сердца (OS-CMR) — это диагностический метод, использующий парамагнитные свойства дезоксигемоглобина в качестве эндогенного источника тканевого контраста. Используемый в сочетании со стандартизированными вазоактивными дыхательными маневрами (гипервентиляция и апноэ) в качестве мощного нефармакологического вазомоторного стимула, OS-CMR может отслеживать изменения оксигенации миокарда. Количественная оценка таких изменений во время сердечного цикла и во время вазоактивных маневров может обеспечить маркеры макро- и микрососудистой функции коронарных артерий и, таким образом, избежать необходимости в каких-либо внешних, внутривенных контрастных или фармакологических стрессовых агентах.

OS-CMR использует хорошо известную чувствительность Т2*-взвешенных изображений к оксигенации крови. Чувствительные к оксигенации изображения могут быть получены на любом МРТ-сканере сердца с использованием модифицированной стандартной клинической стационарной свободной прецессии (SSFP), что делает этот метод независимым от поставщика и легко реализуемым. В качестве вазоактивного дыхательного маневра мы применяем протокол дыхания продолжительностью 4 минуты: 120 секунд свободного дыхания, 60 секунд гипервентиляции с последующей задержкой дыхания на выдохе не менее 30 секунд. Региональную и глобальную реакцию оксигенации тканей миокарда на этот маневр можно оценить, отслеживая изменение интенсивности сигнала. Изменение в течение первых 30 с постгипервентиляционной задержки дыхания, называемой резервом оксигенации миокарда (B-MORE), изучено у здоровых людей и различных патологий. Представлен подробный протокол выполнения кислородочувствительного КЦР-сканирования с вазоактивными маневрами.

Как показано у пациентов с микроваскулярной дисфункцией при еще не до конца изученных состояниях, таких как индуцируемая ишемия без обструктивного стеноза коронарных артерий (INOCA), сердечная недостаточность с сохраненной фракцией выброса (HFpEF) или микрососудистая дисфункция после трансплантации сердца, этот подход предоставляет уникальную, клинически значимую и дополнительную информацию о функции коронарных сосудов.

Introduction

Чувствительная к оксигенации магнитно-резонансная томография сердца (OS-CMR) использует парамагнитные свойства, присущие дезоксигемоглобину, в качестве эндогенного источника МР-контраста ^1,2,3. Используемый в сочетании со стандартизированными вазоактивными дыхательными маневрами (гипервентиляция и апноэ) в качестве мощного нефармакологического вазомоторного стимула, OS-CMR может отслеживать изменения оксигенации миокарда в качестве маркера функции сосудов, тем самым обходя необходимость в любых внешних, внутривенных контрастных или фармакологических стресс-агентах ^4,5,6.

Дыхательные маневры, включая задержки дыхания и гипервентиляцию, являются высокоэффективными вазоактивными мерами для изменения вазомоции и, благодаря своей безопасности и простоте, идеально подходят для контролируемой эндотелиально-зависимой вазомоции в рамках диагностической процедуры. Исследования показали дополнительную эффективность при сочетании гипервентиляции с последующей задержкой дыхания^4,7, так как при таком протоколе сужение сосудов (за счет связанного с этим снижения содержания углекислого газа в крови) сопровождается вазодилатацией (увеличением содержания углекислого газа в крови); Таким образом, здоровая сосудистая система переходит во всем диапазоне от вазоконстрикции к вазодилатации с сильным усилением кровотока миокарда, что в свою очередь увеличивает оксигенацию миокарда и, таким образом, наблюдаемую интенсивность сигнала на изображениях OS-CMR. Использование киноизображений для получения данных также позволяет получить результаты с разрешением сердечной фазы с лучшим соотношением сигнал/шум по сравнению с инфузией аденозина⁸.

Дыхательные маневры могут заменить фармакологические стрессовые агенты для индуцирования вазоактивных изменений, которые могут быть использованы для оценки функции коронарных сосудов. Это не только снижает риск для пациента, логистические усилия и связанные с этим расходы, но и помогает обеспечить клинически более значимые результаты. Фармакологические стрессовые агенты, такие как аденозин, вызывают эндотелий-зависимый ответ и, таким образом, отражают саму функцию эндотелия. Такая специфическая оценка функции эндотелия до сих пор была возможна только при внутрикоронарном введении ацетилхолина в качестве эндотелиально-зависимого вазодилататора. Эта процедура, однако, является высокоинвазивной^2,9 и, следовательно^, выполняется редко.

Не имея доступа к прямым биомаркерам, некоторые диагностические методы использовали суррогатные маркеры, такие как поглощение тканями экзогенного контрастного вещества. Они ограничены необходимостью установки одного или двух капельниц внутривенного доступа, противопоказаниями, такими как тяжелое заболевание почек или атриовентрикулярная блокада, а также необходимостью физического присутствия персонала, прошедшего подготовку по лечению потенциально тяжелых побочных эффектов^10,11. Однако наиболее существенным ограничением современной визуализации коронарной функции остается то, что перфузия миокарда в качестве суррогатного маркера не отражает оксигенацию тканей миокарда как наиболее важное последующее последствие сосудистой дисфункции².

OS-CMR с вазоактивным дыханием был использован для оценки функции сосудов во многих сценариях, включая здоровых людей, макрососудистые заболевания у пациентов с ишемической болезнью сердца (ИБС), а также микрососудистую дисфункцию у пациентов с обструктивным апноэ сна (СОАС), ишемией без обструктивного стеноза коронарных артерий (INOCA), после трансплантации сердца и сердечной недостаточностью с сохраненной фракцией выброса (HFpEF)^4, 7,12,13,14,15,16. В популяции пациентов с ИБС было доказано, что протокол для индуцированного дыханием резерва оксигенации миокарда (B-MORE), полученный из OS-CMR, является безопасным, осуществимым и чувствительным в выявлении нарушенной реакции оксигенации в областях миокарда, перфузии коронарной артерии со значительным стенозом¹³.

При микроваскулярной дисфункции OS-CMR продемонстрировал замедленную реакцию оксигенации миокарда у пациентов с обструктивным апноэ сна, а притупленный B-MORE был обнаружен у пациентов с СНпФВ и после трансплантации сердца^12,14,16. У женщин с INOCA дыхательный маневр приводил к аномально гетерогенной реакции оксигенации миокарда, что подчеркивает преимущество высокого пространственного разрешения OS-CMR¹⁵. В данной работе рассматривается обоснование и методология выполнения OS-CMR с вазоактивными дыхательными маневрами и обсуждается его клиническая полезность для оценки патофизиологии сосудов в популяциях пациентов с микрососудистой дисфункцией, особенно в отношении эндотелиальной дисфункции.

Физиологический контекст МРТ, чувствительной к оксигенации с усилением дыхания
В нормальных физиологических условиях увеличение потребности в кислороде сопровождается эквивалентным увеличением поступления кислорода за счет увеличения кровотока, в результате чего местная концентрация дезоксигемоглобина не изменяется. Напротив, индуцированная вазодилатация приводит к «избыточному» притоку насыщенной кислородом крови без изменения потребности в кислороде. Следовательно, больше тканевого гемоглобина насыщается кислородом, и, таким образом, дезоксигемоглобина становится меньше, что приводит к относительному увеличению интенсивности сигнала OS-CMR ^4,17. Если сосудистая функция нарушена, она не может должным образом реагировать на измененные метаболические потребности или стимулы для увеличения кровотока в миокарде.

В условиях стимула, вызывающего вазомоцию, такого как гипервентиляция, вызывающая сужение сосудов, или длительная задержка дыхания, вызывающая вазодилатация, опосредованная углекислым газом, нарушение вазомоторной активности приводило к относительному увеличению локальной концентрации дезоксигемоглобина по сравнению с другими областями и, следовательно, к уменьшению интенсивности сигнала OS-CMR. На фоне индуцируемой ишемии нарушение функции сосудов приводит к увеличению местной потребности, не удовлетворяемой локальным увеличением кровотока миокарда даже при отсутствии стеноза эпикардиальной коронарной артерии. На изображениях OS-CMR чистое локальное увеличение концентрации дезоксигемоглобина приводит к снижению интенсивности локального сигнала 2,18,19,20.

Ослабленная релаксация гладкой мускулатуры сосудов в ответ на эндотелий-зависимые и независимые вазодилататоры (включая аденозин) была продемонстрирована у пациентов с коронарной микроваскулярной дисфункцией 21,22,23,24,25,26,27 . Считается, что эндотелиально-независимая дисфункция обусловлена структурными аномалиями, вызванными микроваскулярной гипертрофией или сопутствующей патологией миокарда. Напротив, эндотелиальная дисфункция приводит как к неадекватной вазоконстрикции, так и к нарушению (эндотелий-зависимой) вазорелаксации, обычно вызванной потерей биологической активности оксида азота в стенке сосуда^21,28. Эндотелиальная дисфункция вовлечена в патогенез ряда сердечно-сосудистых заболеваний, включая гиперхолестеринемию, артериальную гипертензию, сахарный диабет, ИБС, обструктивное апноэ сна, INOCA и HF 23,24,28,29,30,31,32. Фактически, эндотелиальная дисфункция является самым ранним проявлением коронарного атеросклероза³³. Визуализация функции эндотелия имеет очень большой потенциал, учитывая ее роль в качестве значимого предиктора неблагоприятных сердечно-сосудистых событий и отдаленных исходов, с глубокими прогностическими последствиями при состояниях сердечно-сосудистых заболеваний 23,29,30,31,34,35.

В отличие от перфузионной визуализации, индуцированный дыханием резерв оксигенации миокарда (B-MORE), определяемый как относительное увеличение оксигенации миокарда во время задержки дыхания после гипервентиляции, позволяет визуализировать последствия такого вазоактивного триггера на саму глобальную или региональную оксигенацию ^2,36. Таким образом, в качестве точного маркера функции сосудов B-MORE может не только идентифицировать сосудистую дисфункцию, но и фактическую индуцируемую ишемию, что указывает на более серьезную проблему локальной перфузии или оксигенации^18,19,37. Это достигается за счет способности OS-CMR визуализировать относительное снижение деоксигенированного гемоглобина, который в изобилии присутствует в капиллярной системе миокарда, который сам по себе представляет значительную долю ткани миокарда²⁴.

Последовательность OS-CMR
Последовательность магнитно-резонансной томографии (МРТ), используемая для визуализации OS-CMR, представляет собой проспективно стробированную, модифицированную, сбалансированную, стационарную, свободную прецессионную последовательность (bSSFP), полученную в двух коротких осевых срезах. Эта последовательность bSSFP является стандартной клинической последовательностью, доступной (и изменяемой) на всех МРТ-сканерах, выполняющих МРТ сердца, что делает этот метод независимым от производителя и легко реализуемым. В обычной кинопоследовательности bSSFP время эха, время повторения и угол поворота изменяются таким образом, чтобы сенсибилизировать результирующую интенсивность сигнала к эффекту BOLD и, таким образом, создать чувствительную к оксигенации последовательность. Ранее было показано, что этот подход, считывающий bSSFP с помощью T2, подходит для получения чувствительных к оксигенации изображений с более высоким отношением сигнал/шум, более высоким качеством изображения и более коротким временем сканирования по сравнению с предыдущими методами градиентного эха, используемыми для визуализации BOLD³⁸. Выполнение OS-CMR с улучшением дыхания с помощью этого подхода может быть применено с очень небольшим количеством легких побочных эффектов (Таблица 1). Следует отметить, что более 90% участников завершают этот протокол с достаточно длительным временем задержки дыхания 4,12,13,16.

Protocol

Все МРТ-сканирования с использованием OS-CMR с вазоактивными дыхательными маневрами должны выполняться в соответствии с местными рекомендациями учреждения. Протокол, изложенный ниже, был использован в исследованиях, одобренных несколькими институциональными комитетами по этике иссле?…

Representative Results

Устный перевод B-MOREВ ранее опубликованных исследованиях с использованием OS-CMR с вазоактивными дыхательными маневрами глобальный или региональный B-MORE рассчитывали путем сравнения первого конечного систолического изображения задержки дыхания с конечным систолическим изоб…

Discussion

Добавление OS-CMR со стандартизированными вазоактивными дыхательными маневрами к уже установленному протоколу исследования или клинической МРТ сокращает время общего сканирования. С помощью этого короткого дополнения можно получить информацию о макро- и микрососудистой функции (<strong c…

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