심장 자기 공명 영상: 발달 프로그래밍 및 노화에 대한 결과에 대한 통찰력
Jul 21, 2022
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추상적인:심혈관 질환(CVD)은 태아 저산소증 및 산모 영양실조와 같은 불리한 주산기 상태의 중요한 결과입니다. 심장 자기 공명 영상(CMR)은 심장 발달과 관련된 풍부한 생리학적 정보를 생성할 수 있습니다. 이 리뷰는 CMR 기술의 현재 상태를 간략하게 설명하고 측정할 수 있는 생리학적 바이오마커에 대해 설명합니다. 이러한 표현형에는 심실 및 심방 기능 장애, 부적응 심실 재형성, 심근 지방증 및 섬유증의 증식이 포함됩니다. 논의는 손상된 심장 기능으로 이어지는 발달 경로를 이해하기 위한 CMR의 적용을 간략하게 설명합니다. 발달 프로그래밍과 인간 연구의 동물 모델 모두에서 CMR의 사용이 설명됩니다.잃어버린 제국특정 예는 IUGR(자궁 내 성장 제한)의 개코원숭이 모델에 나와 있습니다. CMFR은 인간 심혈관계에 영향을 미칠 수 있는 발달 기원의 역기능 적응 순서를 이해하기 위한 도구로서 큰 잠재력을 제공합니다.
키워드:심장 질환; 심장 MRI; 심실 리모델링; 발달 프로그래밍
DOHaD와 심장병
심혈관 질환(CVD)은 인간의 이환율과 사망률의 발생에 중요한 역할을 합니다. 초기 생활 스트레스가 노년기에 심각한 건강 결과를 초래할 수 있다는 가장 초기의 단서 중 일부는 전쟁과 기근으로 인한 주산기 식이 문제와 만성 노년 CVD의 위험 증가 사이에서 발견된 연관성이었습니다. 추가 인간 역학 연구와 신중하게 통제된 동물 실험에 따르면 산모의 영양 제한(MNR)과 영양 과잉은 자손에게 비만, 포도당 불내성, 인슐린 저항성, 내분비 및 신장 기능 장애, 고혈압, 혈관 기능 장애 및 심장의 증가된 유병률을 유발합니다. 영양 문제의 정확한 시기에 따라 달라지는 질병2 이와 동일한 통찰력이 지난 20년 동안 여러 국가에서 수행된 다양한 연구에서 보고되었습니다.3,4 건강과 질병의 발달 기원에 대한 연구는 영양 문제의 진행 과정에 중점을 둡니다. 개발 과정에서 발생하는 열악한 영양 환경 및 기타 문제에 대한 적응의 기초가 되는 메커니즘을 발견하는 것을 목표로 하는 "발달 프로그래밍". 전제는 발달 문제에 대한 반응이 단기 생존 결과를 향상시킬 수 있지만 그렇게 함으로써 많은 생리학적 시스템(신진대사, 심장, 신장, 신경 및 생식)에서 발달 궤적을 변경한다는 것입니다. 결과적으로 프로그래밍은 개인이 나중에 만성 질환에 걸리기 쉬운 경향이 있습니다.
발달 동안 일련의 후성 유전 과정은 정상적인 태아 발달의 중심입니다. 영양 제한, 태반 부전으로 인한 태아 저산소증, 빈혈, 산모 비만, 영양 과잉, 호흡기 질환 및/또는 자간전증과 같은 태아에 대한 자궁 내 문제는 태아 생존을 유지하기 위해 영양 결핍을 극복하기 위한 생리학적 적응을 유발합니다.5,6 이러한 문제는 자손이 노년에 CVD에 걸리기 쉬운 다른 후성 유전적 변화를 포함하는 과정을 시작합니다.7 이러한 과정으로 인한 주요 심근 바이오마커는 심실 리모델링 및 심장 섬유증입니다.8 보다 최근에는 주산기 환경 독소에 대한 노출의 생애 과정 결과 산모의 흡연, 공해, 알코올 및 약물 남용으로 인해 집중 프로그래밍 조사의 범위가 증가했습니다.9.10
역학 연구는 일반적으로 공공 의료 데이터베이스를 사용하고 진단 종점에 중점을 둡니다. 이 접근 방식은 강력한 분포 패턴을 제공하지만 영양 실조 및 기타 초기 문제가 성숙 생리학, 평생 질병 병리 및 노화를 변경하는 원인 메커니즘을 결정하는 능력이 부족합니다. 기계적 경로는 태아 프로그래밍의 적절한 동물 모델을 연구하는 신중하게 제어된 실험에서 가장 잘 얻어집니다.
고전적인 생리학적 및 분자생물학적 방법의 적용은 CVD의 발달 프로그래밍과 관련된 잠재적 메커니즘에 대한 구체적인 이해를 향상시켰습니다. 예를 들어, 심장 특이적 전사 인자의 발현은 레닌-안지오텐신 시스템(RAS)에 영향을 미치는 태아 발달 동안 중단되는 것으로 나타났습니다. I 많은 종에서 주산기 저산소증과 함께 지오텐신 Ⅱ형 1형 및 2형의 변형된 발현이 발생하여 신장 발달 장애를 초래하고 성인기에 고혈압을 유발합니다. I2 히스톤 데아세틸라제는 심근세포 발달에서 복잡한 역할을 하는 것으로 나타났으며 내피 기능 장애의 프로그래밍과 관련이 있습니다. B 또한, 임신 중 칼로리 제한식이 요법을 한 개코원숭이의 태아에서 섬유성 조직의 성별 의존적 축적, 심장 자가포식 활성화 및 심근 miRNA가 발견되었습니다. " 심장 miRNA의 변화는 산모의 비만과 고지방식이에 대한 반응에서도 입증되었습니다. 이러한 각 요인과 여러 시스템에 영향을 미치는 다른 많은 요인이 결합하여 프로그래밍된 심장의 표현형을 결정하는 정도는 아직 불완전하게 이해되고 있습니다. 개별 메커니즘에 대한 풍부한 지식에도 불구하고.
Cistanche 캔 안티 에이징
이 리뷰에서 우리는 심혈관 생리학을 평가하는 능력에 주목하면서 인간 코호트와 동물 모델 모두에서 발달 프로그래밍을 평가하기 위해 비침습적 심장 자기 공명 영상(CMR)의 사용에 대해 논의합니다. 초음파가 산부인과 연구에 널리 사용되었지만 여기서는 심혈관 형태, 생리학, 조직 미세 구조 및 생화학을 평가하는 독특하고 강력한 기능을 가진 이미징 방식으로서 CMR에 중점을 둡니다. 우리는 CMR의 기술적 능력을 설명하고, 지금까지 보고된 연구를 검토하고, CVD의 발달 기원에 대한 향후 연구에서 CMR의 잠재적 이용을 위한 추가 응용 프로그램에 대해 논의합니다. 다음 논의는 또한 CMR이 생리학적 결과에 대한 정보를 생성할 수 있을 뿐만 아니라 발달 프로그래밍과 관련된 후성 유전적 변형 및 기타 변경에 민감한 세포 유형에 대한 통찰력을 제공할 수 있는 방법을 설명할 것입니다.
발달 프로그래밍에서 CVD 이미징 표현형
최근까지 기술적인 한계로 인해 복잡한 포유류 유기체에서 질병 진행의 전반적인 영향을 자세히 이해할 수 있었습니다. 이제 전체 유기체에 적용되는 비침습적 정량적 이미징 방법의 발전은 근본적인 생리학적 및 병태생리학적 과정에 대한 새로운 통찰력을 얻기 위한 도구와 방법을 제공합니다. 예를 들어, 죽상경화판 진행에 대한 세부 사항은 혈관 내 초음파가 190년대에 이용 가능하게 되어 의사들이 취약한 관상동맥 플라크와 안정적인 관상동맥 플라크 사이의 차이점을 식별하고 관상동맥 재협착에 대한 죽상경화반 재형성의 역할을 인식할 수 있을 때까지 인식되지 않았습니다.16 그러나 혈관내 초음파는 침습적이며 상당한 방사선량을 생성할 수 있는 형광투시 유도하에 배치해야 합니다.
초음파는 태아 및 태반 건강의 산과적 평가를 위해 널리 사용되는 잘 확립된 도구이며 인간의 태아 스트레스 노출에 대한 초기 생애 과정 적응을 평가하는 데 사용할 수도 있습니다. 발달 프로그래밍 연구에서, 늦게 발병하는 작은 태아에 대한 심장초음파 검사는 좌심실(LV) 구형도(구형 표현형), 좌심실 길이(연장된 표현형) 및 좌심실 심근 벽 두께(비대 표현형)의 상대적 증가를 보고했습니다.17,18 The 비대 표현형은 조기 발병 자궁내 성장 제한(IUGR)에 기인한 반면, 길쭉한 구형 표현형은 후기 발병 IUGR에서 리모델링 정도를 나타냅니다. 19더 나아가, 태아 M-모드 및 도플러 심장초음파 연구는 수축기 및 이완기 기능 모두에서 결함을 드러냈습니다. IUGR과 관련이 있습니다. I9
심장초음파검사는 또한 출생 후 CVD 진행을 드러낼 수 있습니다. 출생 전과 6개월에 재태 연령에 비해 작은 것으로 간주되는 신생아(SGA)를 대상으로 수행된 연구에서는 대조군과 비교하여 태아기 및 유아기에 더 구형 심장 모양을 보여주었습니다. 출생 후, 삼첨판 환상면 수축기 운동 및 이완기 기능 장애. 별도의 연구에서 만삭 SGA 영아는 대조군에 비해 폰데랄 지수가 유의하게 낮고 혈압이 유의하게 더 높으며 이완기 기능부전이 더 크며 대동맥 내막 두께가 유의하게 더 큽니다. 21
심장초음파는 또한 태아 프로그래밍 설정에서 CVD의 메커니즘을 연구하기 위해 작은 동물 모델에서 사용되었습니다.미분화 정제 플라보노이드 분획 1000 mg 사용고해상도 심장초음파검사는 IUGR의 쥐 모델에서 심혈관 기능에 대한 태아기 저산소 손상의 영향을 평가하는 데 사용되었습니다. 이 연구는 저산소증으로 유발된 IUGR을 가진 자손에 대해 심근 허혈과 같은 추가 스트레스에 대한 증가된 감수성을 보여주었습니다. 같은 그룹은 태반 저산소증 쥐 모델을 연구하여 7-개월 된 암컷 쥐 새끼에서 개선된 이완기 기능을 입증하기 위해 심장초음파를 사용했습니다. 이 쥐의 어미는 출생 전에 항산화제 MitoQ로 치료를 받았습니다.23 저단백 식이의 투여 임신 및 수유 기간 동안 Wistar-Kyoto 댐에서 18-주된 새끼의 심장초음파 검사로 측정한 대동맥 최대 수축기 속도를 감소시키는 것으로 나타났습니다.24
경흉부심초음파는 심혈관계를 평가하기 위해 널리 사용됩니다.
혈류를 특성화하는 데 사용되는 물리적 매개변수를 산출하는 혈역학. 인간과 설치류 모두에서 발달 프로그래밍의 CVD 영상 표현형을 확인하기 위해 심장초음파를 사용한 연구의 성공은 심장 구조 및 기능과 관련된 추가 특성을 식별할 수 있는 더 높은 수준의 감도를 가진 다른 비침습적 영상 기술에 대한 응용 프로그램이 있을 수 있음을 의미합니다 .
심장초음파검사는 가용성, 상대적으로 저렴한 비용, 장비의 휴대성 및 높은 시간 분해능으로 인해 편리합니다. 그러나 초음파 이미징 프로세스는 표준 "음향 창"을 통해 신체에 들어오고 나가는 사운드 빔에 의존하므로 제한된 관점에서 깊은 구조를 시각화해야 하는 경우가 많습니다. 또한 연구는 호흡 변화를 보정할 수 없고 작업자 기술이 부족하여 이미지 품질이 부적절할 수 있습니다. 심장초음파검사는 또한 신체의 소리 반사 및 굴절, 초음파 빔 속성 및/또는 트랜시버 전자장치의 물리학과 관련된 수많은 인공물을 가지고 있습니다.
CMR은 똑같이 비침습적이며 심장의 무증상 기능 및 구조적 이상에 대한 광범위한 생리학적 정보를 생성할 수 있습니다. 초음파와 마찬가지로 CMR은 반복적인 전리 방사선 노출과 같은 위험 없이 심혈관 변화의 궤적을 추적하기 위해 피험자의 수명에 걸쳐 여러 번 사용할 수 있습니다. 그러나 일부 환자는 CMR을 잘 견디지 못하고 최대 1시간 동안 튜브에 감금되는 것이 불안하거나 데이터 수집 중에 숨을 참을 수 없을 수 있습니다. 부정맥이 있거나 ECG 벡터를 감지하는 데 어려움이 있는 환자는 심장 주기의 특정 시간에 정적 이미지를 얻기가 어렵습니다. 기존 영화 CMR에서 자기장의 불균일성은 피해야 하는 검은색 선을 생성할 수 있습니다. 또한 흉부 수술을 받은 환자에서 흉골 와이어로 인해 좌심실 전벽의 신호 공백이 나타날 수 있습니다. 나타나는 다른 인공물에는 폐동맥 및 대동맥의 박동성 혈액 흐름으로 인한 심근 및 고스팅 인공물과 겹치는 심낭 지방의 신호로 나타나는 화학적 이동 인공물이 있습니다. 이 기사에서는 CMR을 사용하여 태아 프로그래밍과 생활 과정 및 노화된 심혈관 변화의 상호 관계를 평가할 때의 특별한 이점에 대해 설명합니다.
심장 해부학, 생리학 및 생화학의 심장 MRI 평가
효과적인 임상 진단 방식으로 확립된 지 거의 40년이 지난 지금, CMR은 정상 및 미묘하게 조절되지 않는 생물학적 과정을 모두 이해하기 위해 정량적 이미징 바이오마커를 생성할 수 있는 연구 도구로 인식되고 있습니다. CMR은 심장 기능과 구조를 평가하기 위해 개발된 도구 그룹을 포함하는 MRI의 특수 응용 프로그램입니다. 특히, CMR은 좌심실(LV) 및 우심실(RV) 기능과 해부학, 심방 기능/해부학, 심실 스트레스 및 긴장, 조직 구성, 생화학적 환경, 심낭 지방 침착 및 스트레스를 평가하는 데 사용할 수 있습니다. 혈관 및 챔버 내의 혈류. 1980년대 초 MRI가 임상에 도입된 이후로 CMR은 매우 유연하고 높은 정밀도로 중요한 심장학적 매개변수를 측정할 수 있는 능력을 보여 왔습니다. 이러한 평가는 모두 생체 내에서 수행되며, 스캔하는 동안 피험자가 움직이지 않아야 하며, 각 스캔 중에 숨을 참아야 합니다. 몇몇 CMR 측정은 또한 정맥내 주사되는 외인성 조영제를 사용합니다. 일반적인 수용에도 불구하고 CMR의 활용 범위는 정량적 CMR 연구 및 분석을 성공적으로 수행하는 데 필요한 계측 비용, 가용성 및 기술적 기술로 인해 크게 제한되었습니다.
It was soon recognized that CMR could produce accurate measurements of volume and myocardial mass.2>그러나 이러한 초기 연구는 심장의 제한된 부분을 다루었으며 시간이나 비용면에서 효율적이지 않았습니다. CMR 이미지 데이터 라인의 수집은 ECG 신호에 의해 트리거되고 일련의 하트비트 동안 수집되어 이미지를 생성합니다. 숨 참기 분할 기울기 반향 CMR 기술의 개발로 데이터 수집이 줄어들어 스캔 시간이 15-20 심장 박동으로 줄어들어 좌심실 기능을 정확하게 평가할 수 있게 되었습니다.오테플라보노이드20 초기에 단일 심근 슬라이스의 움직임은 RR 간격에 걸쳐 시네 루프로 이미지화될 수 있습니다. 최신 하드웨어 및 이미지 재구성 방법, 다중 슬라이스, 현재로서는 전체 박동 심장을 한 번의 호흡 정지로 이미지화할 수 있습니다. CMR에서 쉽게 시각화되지만 유두 근육과 섬유주 조직은 일반적으로 심실 용적 측정에서 일상적으로 무시됩니다. 확장기말(ED) 및 수축기말(ES)에서 심실용적을 측정할 수 있어 박출률, 뇌졸중 부피 및 심박출량을 직접 계산할 수 있습니다(그림 1a-f).27 L\ 심장 주기 동안 ~30ms 간격의 J 및 RV 볼륨을 사용하면 심실 박출률과 심실 채움 속도를 측정할 수 있습니다. 또한 역류로 인한 무질서한 역류는 이러한 영화 이미지에서 판막 기능 부전의 징후인 검은 제트(신호 공백)로 시각화될 수 있습니다.28 오늘날, 전형적인 전심 영화 CMR 연구는 일반적으로 25-30 심장 단계입니다. 총 500개 이상의 이미지로 구성된 20-25 하트 조각.
이러한 이미지 데이터 세트에서 기능적 표현형을 결정하려면 심장 경계의 묘사가 필요합니다. 수동으로 수행하는 이는 매우 시간이 많이 걸리는 프로세스이므로 심장 구조의 자동 및 반자동 분할 및 생리학적 매개변수 계산을 위해 머신 러닝을 통합한 최신 기술이 개발되었습니다.2" 여러 심장 이미지 분석 소프트웨어 제품은 상용 패키지와 무료 패키지로 제공됩니다.30,31 대부분의 MRI 시스템 제조업체는 심장 후처리 모듈도 제공합니다.그림 1은 cmr42TM 심장 이미지를 사용하여 RV 및 LV의 일반적인 개코원숭이 심장 분할에 수행되는 단계를 보여줍니다. 분석 소프트웨어(Circle Cardiovascular Imaging Inc., Alberta, Canada).
CMR을 제한적으로 사용하는 한 가지 이유는 더 확립된 다른 영상 기법을 사용하여 임상적으로 중요한 많은 측정값을 얻을 수 있기 때문입니다. 이중 평면 형광투시 X선 혈관조영술 및 다중 검출기 X선 컴퓨터 단층촬영(CT)은 심실 내강을 시각화하고 박출률 및 심박출량에 대한 모델 기반 추정치를 제공할 수 있습니다. 그러나 이러한 방식은 요오드화 조영제 및 이온화 방사선 노출로 인해 환자에게 위험이 따릅니다. 방사선 위험은 또한 소아 환자에서 더 클 수 있습니다. 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영(SPECT)은 또한 방출 분율 추정치를 생성할 수 있지만 방사선 부담을 부과하고 본질적으로 CMR에 비해 공간 분해능이 좋지 않습니다. 심초음파는 높은 시간적 해상도와 본질적으로 생물학적 위험이 없는 좌심실 기능을 평가하는 데 사용할 수 있습니다.청교도 비타민 C그러나 초음파 빔의 조직 침투 깊이와 적절한 음향 창의 제한된 가용성으로 인해 심장초음파의 적용이 손상될 수 있습니다. 심장초음파검사는 숙련된 초음파 검사자가 초음파 변환기를 조작해야 하므로 작업자 의존도가 높습니다. 또한 RV 및 LV 볼륨의 에코 측정은 제한된 수의 보기를 기반으로 하는 기하학적 가정에 의존하는 반면 CMR은 조각별로 각 심실 전체를 측정합니다.
심장 구조의 절대 크기는 CMR에 의해 높은 정확도와 재현성으로 결정할 수 있지만 심장 매개변수의 절대 크기, 부피 및 비율은 신체 크기와 밀접하게 관련되어 있습니다.33 따라서 상대적인 평가 방법 신체 크기와 무관한 차이가 바람직합니다. 이 변동성을 해결하는 가장 일반적인 방법은 신체 표면적(BSA)에 대한 색인을 작성하는 것이지만 일부 상황에서는 심근 질량이 참조됩니다. BSA 자체의 추정은 종종 키/길이, 체중 또는 둘 다를 기반으로 한 공식을 사용하는 근사치에 의존하는 사소한 문제가 아닙니다. 선형 차원은 BSA의 제곱근에 의해 색인되어야 하고 부피는 BSA에 의해 1.5의 거듭제곱으로 색인되어야 하지만 정상 성장 동안 BSA에 대한 심장내 영역의 알로메트릭 색인화도 검증되었습니다. 이러한 제한에도 불구하고 BSA에 대한 정규화는 유용한 것으로 입증되었습니다. 좌심실, 우심실, 대동맥근 및 폐정맥의 다양한 측정을 위해.34,35 따라서, BSA에 대한 정상화는 성별 및 자연 성장 기간 동안 심장 구조 및 기능 매개변수를 비교할 때 선호되는 접근 방식입니다.
CMR은 기능 평가에 특히 유용합니다. RV 기능 매개변수는 RV 수축기 및 이완기 용적, RV 박출률 및 뇌졸중 용적, RV 심박출량을 포함하여 LV에서 측정된 것과 유사합니다. CMR과 함께 사용할 수 있는 연조직 대조와 공간 분해능의 조합은 RV 구조 및 기능의 변화를 연구하는 데 유용한 도구가 되어 RV가 좌심실보다 더 복잡한 기하학을 갖고 있고 종종 흔히 발생하는 심근 벽 두께를 갖는다는 사실을 완화합니다. 좌심실 벽의 1/5입니다.36 CMR은 마우스에서 RV 기능을 효과적으로 측정하는 데 사용되었습니다.37CMR은 RV 심근 질량의 신뢰할 수 있는 측정을 생성할 수 있으며, 이는 심장 발달에 대한 주산기 프로그래밍에 대한 이해를 알려줄 수 있습니다.38 RV 압력-체적 루프를 구성하여 RV 수축성을 평가하는 데 사용할 수 있습니다.39 CMR에서 파생된 심실 질량 지수는 비침습적으로 폐동맥(PA) 압력을 평가하는 정확하고 실용적인 방법을 제공하며 폐 고혈압에서 도플러 심장초음파보다 더 정확한 추정치를 생성할 수 있습니다. .40
심방의 CMR 연구는 주로 좌심방(LA)에 적용되었습니다.시스탄체LA는 심방 스트레칭을 통해 바소프레신의 분비를 억제하여 RAS를 변경하는 체적 센서 역할을 합니다. 바소프레신의 효과는 동맥혈압 상승, 중심 혈액량, 중심 정맥압 상승, 교감신경 압반사 설정점 변경을 포함한 여러 생리학적 기전을 통해 매개됩니다. 동시에 좌심방 스트레칭은 전신 혈관 저항을 감소시키는 나트륨 이뇨 펩티드의 방출을 유발하고, 중심 정맥압, 그리고 신장에 의한 나트륨 배설 증가 .43CMR로 얻은 측정값에는 최대/최소 LA 부피, 총 LA 비우기 부피 및 비율, 수동 LA 비우기 부피 및 비율, 활성 LA 비우기 부피 및 비율, 도관 부피가 포함됩니다. 심근 질량으로 표시되는 LA 용적의 변화는 일반적으로 정상 인구의 이완기 기능과 관련이 있는 것으로 나타났지만 연구 대상 인구에 따라 보다 구체적인 문제를 예측할 수 있습니다.44 우심방(RA) 용적도 다음과 같습니다. 만성 심부전 및 폐 고혈압과 관련하여 CMR로 조사되었습니다. 동물 모델의 발달 프로그래밍에 의해 변경된 심장 생리학 설정에서 심방 영상 측정의 유용성은 아직 연구되지 않았으며 새로운 조사 영역입니다.
이 기사는 J Dev Orig Health Dis에서 발췌했습니다. 저자 원고; PMC 2021 10월 1일에서 사용할 수 있습니다.
