Магнитно-резонансная томография сердца: взгляд на программирование развития и его последствия для старения

Пожалуйста свяжитесьoscar.xiao@wecistanche.comЧтобы получить больше информации

Абстрактный:Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) являются важными последствиями неблагоприятных перинатальных состояний, таких как гипоксия плода и недостаточность питания матери. Магнитно-резонансная томография сердца (CMR) может предоставить множество физиологических данных, связанных с развитием сердца. В этом обзоре описывается текущее состояние технологий CMR и описываются физиологические биомаркеры, которые можно измерить. Эти фенотипы включают нарушение функции желудочков и предсердий, неадекватное ремоделирование желудочков и пролиферацию миокардиального стеатоза и фиброза. Обсуждение описывает применение CMR для понимания путей развития, ведущих к нарушению сердечной функции. Описано использование CMR как в животных моделях программирования развития, так и в исследованиях человека.потерянная империяКонкретные примеры приведены в модели ограничения внутриутробного развития (IUGR) павиана. CMFR предлагает большой потенциал в качестве инструмента для понимания последовательности дисфункциональных адаптаций, возникающих в результате развития, которые могут влиять на сердечно-сосудистую систему человека.

Ключевые слова:Сердечное заболевание; МРТ сердца; ремоделирование желудочков; развивающее программирование

DOHaD и болезни сердца

Сердечно-сосудистые заболевания (ССЗ) играют важную роль в генезе заболеваемости и смертности человека. Одними из самых ранних признаков того, что стрессы в раннем возрасте могут предрасполагать к серьезным последствиям для здоровья в более позднем возрасте, были связи, обнаруженные между перинатальными диетическими проблемами, вызванными войной и голодом, и повышенным риском хронических сердечно-сосудистых заболеваний в более позднем возрасте. Дальнейшие эпидемиологические исследования на людях и тщательно контролируемые эксперименты на животных установили, что как материнское ограничение питательных веществ (MNR), так и избыточное питание предрасполагают потомство к повышенной распространенности ожирения, непереносимости глюкозы, инсулинорезистентности, эндокринной и почечной дисфункции, гипертонии и сосудистой дисфункции, а также сердечной недостаточности. заболевание, которое варьируется в зависимости от точного времени возникновения проблемы с питанием2. Те же самые идеи были получены в различных исследованиях, проведенных в разных странах за последние два десятилетия.3,4 Изучение истоков здоровья и болезней в процессе развития фокусируется на процессе «программирование развития», целью которого является обнаружение механизмов, лежащих в основе адаптации к плохой среде питания и другим проблемам, возникающим в процессе развития. Предпосылка состоит в том, что ответы на проблемы развития могут улучшить краткосрочные результаты выживания, но при этом изменить траекторию развития многих физиологических систем (метаболической, сердечной, почечной, нервной и репродуктивной). Следовательно, программирование делает человека более восприимчивым к хроническим заболеваниям в более позднем возрасте.

Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы узнать больше

Во время развития ряд эпигенетических процессов играет центральную роль в нормальном развитии плода. Внутриутробные воздействия на плод, такие как ограничение питательных веществ, гипоксия плода из-за плацентарной недостаточности, анемия, ожирение матери, переедание, респираторные заболевания и/или преэклампсия, вызывают физиологическую адаптацию, направленную на преодоление дефицита питательных веществ для поддержания жизнеспособности плода.5,6 Эти проблемы запускают процесс, который включает другие эпигенетические изменения, которые могут предрасполагать потомство к сердечно-сосудистым заболеваниям в более позднем возрасте. 7 Ключевые биомаркеры миокарда, возникающие в результате этих процессов, — ремоделирование желудочков и сердечный фиброз. 8 В последнее время последствия воздействия перинатальных токсинов окружающей среды на протяжении всей жизни из-за курения матери, загрязнения окружающей среды, употребления алкоголя и злоупотребления наркотиками увеличились масштабы интенсивных программных исследований.9.10

Эпидемиологические исследования обычно используют общедоступные медицинские базы данных и фокусируются на диагностических конечных точках. Этот подход обеспечивает мощные модели распределения, но не позволяет определить причинные механизмы, с помощью которых недоедание и другие ранние проблемы изменяют физиологию созревания, патологию болезней на протяжении всей жизни и старение. Механические пути лучше всего обнаруживаются в тщательно контролируемых экспериментах, изучающих соответствующие животные модели эмбрионального программирования.

Применение классических физиологических и молекулярно-биологических методов улучшило понимание потенциальных механизмов, участвующих в программировании развития сердечно-сосудистых заболеваний. Например, было показано, что экспрессия специфических для сердца факторов транскрипции нарушается во время развития плода, влияя на ренин-ангиотензиновую систему (РАС). I Измененная экспрессия ангиотензина Ⅱ типа 1 и типа 2 возникает при перинатальной гипоксии у многих видов, что приводит к нарушению развития почек и ведет к гипертензии во взрослой жизни. Было показано, что деацетилазы гистонов I2 играют сложную роль в развитии кардиомиоцитов и вовлечены в программирование эндотелиальной дисфункции. B Кроме того, зависимое от пола накопление фиброзной ткани, активация сердечной аутофагии и миокардиальные миРНК были обнаружены у плодов павианов с диетой с ограничением калорий во время беременности. Изменения в сердечной миРНК также были продемонстрированы в ответ на материнское ожирение и диету с высоким содержанием жиров. Степень, в которой каждый из этих факторов и многие другие, влияющие на несколько систем, объединяются, чтобы определить фенотип запрограммированного сердца, все еще не полностью изучена. несмотря на обширное знание отдельных механизмов.

Цистанхе может омолаживать

В этом обзоре мы обсуждаем использование неинвазивной магнитно-резонансной томографии сердца (CMR) для оценки программирования развития как в когортах людей, так и в моделях на животных, уделяя особое внимание его способности оценивать физиологию сердечно-сосудистой системы. Хотя УЗИ широко используется в акушерских исследованиях, здесь мы сосредоточимся на МРТ как на методе визуализации, который обладает уникальными и мощными возможностями для оценки сердечно-сосудистой морфологии, физиологии, микроструктуры тканей и биохимии. Мы описываем технические возможности CMR, проводим обзор исследований, о которых сообщалось на сегодняшний день, и обсуждаем дополнительные приложения для потенциального использования CMR в будущих исследованиях происхождения сердечно-сосудистых заболеваний. Следующее обсуждение также объяснит, как CMR может не только давать информацию о физиологических последствиях, но также может дать представление о том, какие типы клеток восприимчивы к эпигенетическим модификациям и другим изменениям, имеющим отношение к программированию развития.

Фенотипы визуализации сердечно-сосудистых заболеваний в программировании развития

До недавнего времени технологические ограничения не позволяли детально понять общий эффект прогрессирования заболевания в сложных организмах млекопитающих. Теперь достижения в неинвазивных методах количественной визуализации, применяемых к целым организмам, предоставляют инструменты и методы для получения нового понимания основных физиологических и патофизиологических процессов. Например, детали прогрессирования атеросклеротических бляшек не были оценены до тех пор, пока в 190-х годах не стало доступно внутрисосудистое ультразвуковое исследование, что позволило врачам различить различия между уязвимыми и стабильными коронарными бляшками и оценить роль ремоделирования атероматозных бляшек в коронарном рестенозе. УЗИ является инвазивным и требует размещения под рентгеноскопическим контролем, что может привести к значительной дозе облучения.

Ультразвук является хорошо зарекомендовавшим себя и широко используемым инструментом для акушерской оценки здоровья плода и плаценты, который также может быть использован для оценки адаптации человека к стрессовым воздействиям на плод в раннем периоде жизни. При изучении программирования развития эхокардиографические исследования малоразмерных плодов с поздним началом показали относительное увеличение левого желудочка (ЛЖ), сферичности (глобулярный фенотип), длины ЛЖ (удлиненный фенотип) и толщины стенки миокарда ЛЖ (гипертрофический фенотип)17,18. Гипертрофический фенотип связывают с ранней задержкой внутриутробного развития (ЗВУР), в то время как удлиненный и сферический фенотипы представляют собой степени ремоделирования при поздней ЗВУР.19 Кроме того, М-режим плода и исследования допплеровской эхокардиографии выявили дефицит как систолической, так и диастолической функции. связанный с IUGR. I9

Эхокардиография также может выявить прогрессирование сердечно-сосудистых заболеваний после рождения. Исследование, проведенное с участием новорожденных, считавшихся маленькими для гестационного возраста (SGA), как в пренатальном периоде, так и в возрасте 6 месяцев, показало более шаровидную форму сердца в пренатальном периоде и в младенчестве по сравнению с контрольной группой. в постнатальном периоде систолическая экскурсия в плоскости кольца трехстворчатого клапана и диастолическая дисфункция. В отдельном исследовании индекс Пондерала был значительно ниже, артериальное давление было значительно выше, диастолическая дисфункция была больше, а толщина интима-медиа аорты была значительно больше у доношенных детей SGA по сравнению с контрольной группой. 21

Эхокардиография также использовалась на моделях мелких животных для изучения механизмов сердечно-сосудистых заболеваний в условиях фетального программирования.микронизированная очищенная флавоноидная фракция 1000 мг.Эхокардиография высокого разрешения использовалась для оценки влияния пренатального гипоксического инсульта на сердечно-сосудистую функцию в крысиной модели ЗВУР.22 Это исследование выявило повышенную восприимчивость к дополнительным стрессам, таким как ишемия миокарда, у потомства с вызванной гипоксией ЗВУР. Та же группа изучала крысиную модель с плацентарной гипоксией, используя эхокардиографию, чтобы продемонстрировать улучшение диастолической функции у потомства 7-месячных самок крыс, матери которых пренатально получали антиоксидант MitoQ.23 Применение низкобелковой диеты Было обнаружено, что во время беременности и лактации у маток Вистар-Киото снижается пиковая систолическая скорость аорты, измеренная с помощью эхокардиографии, у потомства 18-недельного возраста.24

Трансторакальная эхокардиография широко используется для оценки сердечно-сосудистых заболеваний.

гемодинамика, дающая физические параметры, которые используются для характеристики кровотока. Успех исследований, в которых использовалась эхокардиография для выявления фенотипов программирования развития сердечно-сосудистых заболеваний как у людей, так и у грызунов, предполагает, что могут быть приложения для других неинвазивных технологий визуализации с более высоким уровнем чувствительности, которые могут различать дополнительные характеристики, связанные со структурой и функцией сердца. .

Эхокардиография удобна своей доступностью, относительно низкой стоимостью, портативностью оборудования и высоким временным разрешением. Однако процесс ультразвуковой визуализации основан на звуковом луче, входящем в тело и выходящем из него через стандартные «акустические окна», что часто требует визуализации глубоких структур с ограниченной перспективы. Кроме того, исследования могут иметь неадекватное качество изображения из-за невозможности компенсировать изменения дыхания и отсутствия навыков оператора. Эхокардиография также страдает от многочисленных артефактов, связанных с физикой отражения и преломления звука в теле, свойствами ультразвукового луча и/или электроникой трансивера.

МРТ в равной степени неинвазивен и может дать обширную физиологическую информацию о субклинических функциональных и структурных аномалиях сердца. Как и УЗИ, МРТ можно использовать несколько раз на протяжении всей жизни субъекта, чтобы проследить траекторию сердечно-сосудистых изменений без таких опасностей, как повторное воздействие ионизирующего излучения. Однако некоторые пациенты могут плохо переносить МРТ, испытывая беспокойство при заключении в трубку на срок до часа или неспособность задерживать дыхание во время сбора данных. Пациенты с аритмиями или те, у кого возникают проблемы с обнаружением векторов ЭКГ, затрудняют получение статических изображений в определенные периоды сердечного цикла. В обычном кино CMR неоднородность магнитного поля может привести к появлению черных линий, которых следует избегать. Также сигнальные пустоты в передней стенке ЛЖ могут возникать из-за стернальных спиц у пациентов, перенесших торакальные операции. Другие артефакты, которые появляются, включают артефакты химического сдвига, которые проявляются в виде сигнала от перикардиального жира, перекрывающего миокард, и артефакты двоения из-за пульсирующего потока крови в легочных артериях и аорте. В этой статье объясняются особые преимущества использования МРТ для оценки взаимосвязи фетального программирования и жизненного цикла и возрастных сердечно-сосудистых изменений.

Оценка сердечной МРТ анатомии, физиологии и биохимии сердца

Спустя почти четыре десятилетия после того, как он стал эффективным методом клинической диагностики, МРТ также получает признание в качестве исследовательского инструмента, который может производить количественные визуализирующие биомаркеры для понимания как нормальных, так и слабо регулируемых биологических процессов. МРТ — это специализированное приложение МРТ, которое включает в себя группу инструментов, разработанных для оценки функции и структуры сердца. В частности, МРТ можно использовать для оценки функции и анатомии левого желудочка (ЛЖ) и правого желудочка (ПЖ) как в покое, так и при нагрузке, функции/анатомии предсердий, напряжения и напряжения желудочков, состава ткани, биохимической среды, отложения перикардиального жира и кровоток в сосудах и камерах. С момента клинического внедрения МРТ в начале 1980-х годов МРТ продемонстрировала способность измерять важные кардиологические параметры с большой гибкостью и высокой точностью. Все эти оценки выполняются in vivo, требуется только, чтобы субъект оставался неподвижным во время сканирования, возможно, ему приходилось выполнять задержку дыхания во время каждого сканирования. В некоторых измерениях CMR также используются экзогенные контрастные вещества, которые вводятся внутривенно. Несмотря на всеобщее признание, область использования CMR в значительной степени была ограничена из-за стоимости приборов, доступности и технических навыков, необходимых для успешного выполнения количественных исследований и анализов CMR.

It was soon recognized that CMR could produce accurate measurements of volume and myocardial mass.2>Однако эти ранние исследования охватывали ограниченные участки сердца и не были эффективными по времени или стоимости. Сбор строк данных изображения CMR запускается сигналом ЭКГ и регистрируется во время серии сердечных сокращений для создания изображения. Разработка методов сегментированной МРТ с градиентным эхом на задержке дыхания позволила сократить объем сбора данных, что сократило время сканирования до 15-20 сердечных сокращений, что позволило точно оценить функцию ЛЖ.отефлавоноид20 Первоначально движение одного среза миокарда могло быть отображено как кинопетля в интервале RR. С помощью современного оборудования и методов реконструкции изображений, нескольких срезов и в настоящее время все бьющееся сердце можно визуализировать за одну задержку дыхания. Хотя они легко визуализируются на МРТ, сосочковые мышцы и трабекулярные ткани обычно обычно игнорируются при измерении объема желудочка, чтобы результаты МРТ были сопоставимы с результатами, полученными при модальностях, в которых эти структуры не могут быть идентифицированы. Возможность измерения объемов желудочков в конечной диастоле (ED) и конечной систоле (ES) позволяет напрямую рассчитывать фракцию выброса, ударный объем и сердечный выброс (рис. 1а-f).27 Возможность измерения L\ Объемы J и RV с интервалами ~ 30 мс во время сердечного цикла позволяют измерять скорость выброса желудочков и скорость наполнения желудочков. Кроме того, нарушение обратного потока из-за регургитации может быть визуализировано на этих киноизображениях в виде черных струй (сигнальные пустоты), которые являются признаком недостаточности клапанов.28 Сегодня типичное исследование МРТ всего сердца, как правило, представляет собой 25-30 сердечные фазы. и 20-25 срезов сердца, содержащих в общей сложности 500 или более изображений.

Определение функциональных фенотипов из этих наборов данных изображений требует определения границ сердца. Выполняемый вручную, это очень трудоемкий процесс, поэтому были разработаны современные методы, включающие машинное обучение, для автоматической и полуавтоматической сегментации сердечных структур и расчета физиологических параметров. Доступны программные продукты, как коммерческие, так и бесплатные пакеты. программное обеспечение для анализа (Circle Cardiovascular Imaging Inc., Альберта, Канада).

Одной из причин ограниченного использования МРТ является то, что многие клинически важные измерения могут быть получены с использованием других, более известных методов визуализации. Бипланарная рентгеноскопическая рентгеновская ангиография и мультидетекторная рентгеновская компьютерная томография (КТ) могут как визуализировать просветы желудочков, так и обеспечивать модельные оценки фракции выброса и сердечного выброса. Однако эти методы сопряжены с риском для пациента из-за йодсодержащих контрастных веществ и воздействия ионизирующего излучения. Радиационные риски также могут быть выше у детей. Однофотонная эмиссионная компьютерная томография (ОФЭКТ) также может давать оценки фракции выброса, но также создает радиационную нагрузку и по своей природе имеет низкое пространственное разрешение по сравнению с CMR. Эхокардиографию можно использовать для оценки функции ЛЖ с высоким временным разрешением и практически без биологического риска.пуритане витамин сОднако применение эхокардиографии может быть затруднено из-за глубины проникновения ультразвукового луча в ткани и ограниченной доступности адекватных акустических окон. Эхокардиография в значительной степени зависит от оператора и требует манипуляций с ультразвуковым датчиком квалифицированным специалистом по УЗИ. Кроме того, эхо-измерения объемов ПЖ и ЛЖ основаны на геометрических допущениях, основанных на ограниченном количестве проекций, в то время как при МРТ каждый желудочек измеряется целиком, срез за срезом.

Хотя абсолютный размер сердечных структур можно определить с помощью МРТ с высокой точностью и воспроизводимостью, хорошо известно, что абсолютные размеры, объемы и частота сердечных параметров тесно связаны с размером тела.33 Таким образом, метод оценки относительного желательны различия, не зависящие от размера тела. Наиболее распространенным методом устранения этой изменчивости является индексация площади поверхности тела (ППТ), хотя в некоторых ситуациях ссылаются на массу миокарда. Оценка BSA сама по себе не является тривиальным вопросом, часто полагаясь на приблизительные значения с использованием формул, основанных на росте/длине тела, весе или на том и другом. Аллометрическая индексация внутрисердечных областей по BSA во время нормального роста также была подтверждена, хотя линейные размеры должны индексироваться квадратным корнем из BSA, а объемы должны индексироваться по BSA в степени 1,5. Несмотря на это ограничение, нормализация по BSA оказалась полезной. для различных измерений ЛЖ, ПЖ, корня аорты и легочной вены.34,35 Таким образом, нормализация по BSA является предпочтительным подходом при сравнении параметров структуры и функции сердца между полами и в периоды естественного роста.

CMR особенно полезен для оценки функции. Функциональные параметры ПЖ аналогичны тем, которые измеряются в ЛЖ, включая систолический и диастолический объемы ПЖ, фракцию выброса ПЖ и ударный объем, а также сердечный выброс ПЖ. Сочетание контраста мягких тканей и пространственного разрешения, доступное при МРТ, делает его полезным инструментом для изучения изменений в структуре и функции ПЖ, смягчая тот факт, что ПЖ имеет более сложную геометрию, чем ЛЖ, и толщину стенки миокарда, которая часто на одну пятую меньше, чем в стенке ЛЖ. 36 МРТ используется для эффективного измерения функции ПЖ у мышей. 37 МРТ позволяет получить надежные измерения массы миокарда ПЖ, что может дать нам информацию о перинатальном программировании сердечного развития. 38 Полученные с помощью МРТ оценки Петли давление-объем ПЖ могут быть сконструированы и использованы для оценки сократимости ПЖ. 39 Индекс массы желудочка, полученный на основе МРТ, представляет собой точный и практичный метод неинвазивной оценки давления в легочной артерии (ЛА) и может дать более точную оценку, чем допплерэхокардиография при легочной гипертензии. .40

Исследования CMR предсердий в основном применялись к левому предсердию (LA).систанхеЛП действует как датчик объема, который за счет растяжения предсердий ингибирует секрецию вазопрессина, тем самым изменяя РАС. Эффекты вазопрессина опосредованы несколькими физиологическими механизмами, включая повышение артериального давления, центрального объема крови, центрального венозного давления и изменение уставки симпатического барорефлекса. Одновременно растяжение левого предсердия вызывает высвобождение натрийуретических пептидов, которые снижают системное сосудистое сопротивление, снижают центральное венозное давление и увеличивают экскрецию натрия почками. 42 Таким образом, неудивительно, что изменения размера левого предсердия могут быть биомаркером стойкого повышения давления наполнения левого желудочка, особенно у пациентов с сердечной недостаточностью с сохраненной фракцией выброса, осложненной артериальной гипертензией. .43 Показатели, полученные с помощью CMR, включают максимальные/минимальные объемы левого предсердия, общий опорожняемый объем и фракцию левого предсердия, объем и фракцию опорожнения пассивного левого предсердия, объем и фракцию опорожнения активного левого предсердия и объем канала. Было показано, что изменения объема левого предсердия, индексированные по массе миокарда, обычно связаны с диастолической функцией в нормальной популяции, хотя они могут быть прогностическими для более специфических проблем в зависимости от изучаемой популяции.44 Объемы правого предсердия (ПП) также имеют были исследованы с помощью CMR в отношении хронической сердечной недостаточности и легочной гипертензии. Полезность измерений визуализации предсердий в условиях физиологии сердца, измененной программированием развития на животных моделях, еще не изучена и является новой областью исследований.

Эта статья взята из J Dev Orig Health Dis. Авторская рукопись; доступно в PMC 2021 01 октября.