利用MRI Tagging分析β受体阻滞剂对左室心肌运动的影响

周莹 邹琳（共同第一作者） 李铁岩 费青青 张月瑜 吴晶嘉 丁婷 戚晨雯 李腾腾

药物与临床

利用MRI Tagging分析β受体阻滞剂对左室心肌运动的影响

周莹 邹琳（共同第一作者） 李铁岩 费青青 张月瑜 吴晶嘉 丁婷 戚晨雯 李腾腾

目的 探讨不同剂量β受体阻滞剂对左室心肌运动特征的影响及其作用机制。方法 13名志愿者注射不同剂量的短效β受体阻滞剂Esmolol，每个注射剂量起效4 min后利用MRI Tagging对左室心肌圆周向收缩运动、放射向收缩运动及长轴收缩运动进行磁化标记追踪，对获得的心肌运动结果进行心肌最大收缩程度、达到最大收缩时间、收缩速度及心肌做功分析。结果注射小剂量Esmolol（5～25 μg·kg-1·min-1）时，心肌运动程度增加，所需时间缩短，心肌做功增加；而当剂量增加至50～150 μg·kg-1·min-1时，心肌运动明显较未用药时减弱，可以看到β受体阻滞剂Esmolol的负性肌力作用开始显现。结论 小剂量β受体阻滞剂与大剂量相比，更易对心肌运动产生正性肌力作用，这可能与不同种类心肌细胞表面β受体分布差异有关。

心肌细胞； β受体阻滞剂； MRI标记

心力衰竭是一种主要致死性疾病。β受体阻滞剂（β-blocker）作为一种使心衰患者长期获益的药物，可以改善患者左室功能、延缓心衰发展、减少住院时间、增加患者生存率[1]。目前国际上已经把β受体阻滞剂、血管紧张素转换酶抑制剂（ACEI）、血管紧张素受体阻滞剂（ARB）作为心衰治疗的标准用药。β受体阻滞剂的主要作用是降低心率、延长心室舒张期心肌的血液灌注。但是由于β受体阻滞剂本身存在剂量相关的负性肌力作用，在使用过程中仍需进行观察随访以减少其副作用[2]。因此，理想的β受体阻滞剂的使用剂量应该在降低心率的同时尽量避免负性肌力作用。

心力衰竭的一个特点就是心室结构的重构，沿短轴排列透壁心肌细胞增多，而沿长轴螺旋角度的心肌细胞减少[3]。我们可以假设沿短轴排列的透壁心肌细胞对于β受体阻滞剂更敏感，这样在注射β受体阻滞剂的过程中，由透壁心肌细胞产生的拮抗心室收缩的力首先被抑制，心室肌在长轴和圆周方向的收缩则相对增强。为了验证假设，找到理想化的β受体阻滞剂使用剂量，我们采用MRI 3D Tagging技术对不同剂量β受体阻滞剂对心室运动特性的影响进行分析。

1 对象与方法

1.1 研究对象 13名健康志愿者参与此项研究，其中包括6名男性7名女性，平均年龄36岁（29～41岁）。在试验前对所有人的既往疾病史及目前的健康状态进行检查，确保试验过程中志愿者的安全。此外，在整个试验过程中实时监测志愿者的生命体征，包括心率、血氧饱和度（SpO2）、心电图等，每隔3 min进行无创血压监测。此项研究被同济大学附属东方医院伦理委员会及同济大学伦理委员会批准及监督，严格按照临床医疗研究指南进行。

1.2 MRI数据采集 试验采用3.0T MRI（R2.5.3，Achieva，Philips Medical Systems，Best，the Netherlands），三维互补空间调制磁化（complementary spatial modulation of magnetization，CSPAMM）技术[4]，在3个垂直方向获取MRI Tagging的容量数据集。试验过程中志愿者取仰卧位，采集基线数据后（未注射药物），静脉注射短效β受体阻滞剂Esmolol，分6 个剂量组，即 5、10、25、50、100、150 μg·kg-1·min-1，每个剂量组注射时间12～13 min，注射结束后4 min开始MRI扫描。每个剂量我们都可以获得一组完整的7 mm网格间距的三维MRI Tagging左室运动数据。

1.3 数据分析 利用TagTrack（Versions 1.5.2 and 1.5.0，GyroTools，Zurich，Switzerland）对采集到的MRI图像进行心肌运动的追踪处理[5]。测量数据包括心肌组织在心室短轴上的圆周运动、放射向运动及长轴方向的运动。为了增加数据的精确性，在数据分析中还引入了谐波相位分析（Harmonic Phase，HARP），这是一种结合心肌运动的时间相位信息追踪任意心肌组织的方法。

从心尖至心底选取4个代表性层面分析心肌短轴上的运动情况，其中每个代表层面被分成6个区，室间隔处为1区从心尖处顺时针方向标记，心肌长轴方向的运动选取心尖处的一个层面，同时在分析心肌运动时将每个心动周期划分为24个时相。进行心肌标记时，选取舒张末期图像在室壁中线处进行标记，利用HARP自动对标记好的心肌组织进行一个完整心动周期（24个时相）的运动轨迹追踪。

心肌运动结果曲线中，通过曲线的峰值（maximum amplitude，MAX）、达到峰值时间（time to maximum amplitude，TTM）、曲线面积（area under curve，AUC）及斜率（upslope，UPS）4 个方面对 Esmolol影响心肌运动（圆周运动、放射向运动、长轴运动）进行分析（图1）。其中曲线峰值反映心肌收缩运动的最大程度；到达峰值时间（TTM）代表心肌达到最大收缩所需时间；斜率（UPS）代表心肌收缩速度；而曲线面积（AUC）则代表心肌做功。

1.4 统计学方法 所有心肌三维运动结果均用中位数±四分位数（box plots）及±s（diamond plots）进行显示，检验统计学差异采用Wilcoxon Test检验，所有数据分析均通过SPSS 19（IBM Corporation，Armonk，New York，USA）和 Analyse-it V2.22（Analyse-it Software，Ltd.,Leeds，UK）完成。

2 结果

所有志愿者都完成了全部药物剂量的注射。在整个试验过程中，志愿者的血液动力学及心率平稳，图像的标记追踪在13位志愿者的心肌运动图像中完成（图2）。选取典型的试验结果分析（图3、4）可以看到，当给予 5、10、25 μg·kg-1·min-1三个小剂量Esmolol时，曲线峰值增大、到达峰值时间缩短、收缩斜率增加、心室做功增加、心室收缩功能加强。随着药物剂量加大至 50、100、150 μg·kg-1·min-1时，曲线峰值低于基线（0 μg·kg-1·min-1），收缩时间延长、收缩速度降低、心脏做功减少。

对13位志愿者试验结果进行统计分析，可以得到类似的结果。

2.1 峰值（MAX） 在心肌的圆周运动、放射向运动以及长轴运动中（图5），当剂量从 5增加到25μg·kg-1·min-1时，峰值中位数及均值曲线均高于基线（0 μg·kg-1·min-1），心肌最大收缩程度增加；而从 50 μg·kg-1·min-1开始，曲线峰值开始下降。这可以看出，小剂量Esmolol的正性肌力效力高于大剂量。

2.2 到达峰值时间（TTM） 心肌运动至最大程度所需时间也可以看到类似的结果（图6），当给予小剂量Esmolol时，心肌收缩至最大程度的时间变短；而随着剂量加大，收缩时间延长。

2.3 曲线下面积（AUC） 曲线下面积代表心肌在一个心脏周期中所做的功，当给予小剂量药物时，心肌做功增加，效率提高；而给予大剂量药物时心肌做功减弱，收缩效率降低（图7）。

2.4 斜率（UPS） 在小剂量药物作用下（图8），心肌收缩曲线斜率上升、心肌收缩速度加快，而随着药物剂量加大心肌收缩速度下降。

3 讨论

采用三维MRI Tagging技术对β受体阻滞剂Esmolol对于心肌机械运动的影响进行探究。选择Esmolol作为研究药物因为它是一种心肌选择性的β1受体阻滞剂，没有明显的交感神经刺激作用，也没有血管舒张及β2受体刺激作用。Esmolol的半衰期较短约9 min，药物扩散半衰期约2 min，起效时间快[6]。此外药物半衰期短可以缩短每个剂量组数据采集时间，并且在发生意外情况时更易调控药物作用，所以Esmolol是一种非常有效和安全的试验用药。

3.1 CSPAMM和HARP CSPAMM是一种可以减小由于T1相释放导致磁化标记衰减的MRI Tagging技术，对于透壁方向心肌分辨率高[7]，可以在MRI图像上区分心外膜、心肌层及心内膜，可以更准确检测透壁方向心肌细胞的运动，而普通的心肌MRI Tagging在舒张末期由于T1相的衰减影响成像。尽管CSPAMM理论上需要双倍采集时间，然而通过技术改良，采用分段平面回波成像序列可以在同一个屏气时间内完成心室收缩期及舒张期运动数据的采集，这样每个剂量组心肌运动数据采集仅需要3次屏气（每个运动方向1次）。

采用HARP技术进行图像分析可以检测心肌运动的微小改变及局部运动的异常[8]。HARP可以在心脏舒张期对图像标记后自动追踪标记心肌在整个心动周期中的运动情况，减少每个时相手工标记时出现的误差。

3.2 β受体阻滞剂 研究结果显示了一个药物剂量相关的左室运动增强现象。小剂量β受体阻滞剂Esmolol可以增强心肌的圆周运动、放射向运动、长轴运动，这一结果为未来临床小剂量应用β受体阻滞剂治疗提供了参考依据。Viskin等[9]发现，90%的出院患者服用β受体阻滞剂的剂量是临床随机试验中有效剂量的一半甚至更低。Wikstrand等[10]发现，在3个月的β受体阻滞剂治疗期间，大剂量和小剂量药物使心率降低的程度相似；而3个月后对患者的血药浓度检测发现，使用小剂量β受体阻滞剂的患者对β受体阻滞剂更敏感。同样Bristow等[11]也报道，小到中剂量Metoprolol能够修复扩张心肌组织中下降的β1受体，从而增强心肌的运动反应。

3.3 心肌结构 在心脏的解剖结构中，心肌细胞排列在一个由成纤维细胞形成的三维胶原网络中[12]，心肌细胞的运动方向可以呈短轴运动（圆周运动、放射向运动）和长轴运动（图9a）。每个心肌细胞的长轴方向可以通过两个角度和两个平面描述。第一个角度是沿心脏长轴的螺旋角度（图9b），心肌细胞沿心脏长轴螺旋上升或下降排列，与心脏表面成切线方向。第二个角度是沿心脏短轴的透壁角度（图9c），部分心肌细胞从心外膜沿心脏短轴放射状朝向心内膜方向排列。Krehl[13]指出，在健康的心肌层，大部分心肌细胞呈螺旋方向排列，这些心肌细胞的排列方向使它们在收缩时沿短轴圆周方向及长轴方向运动产生射血力（图9d），而少量的沿短轴排列透壁心肌细胞则可以保证左室在收缩期时形态的稳定[12,14]，同时产生的拮抗力可以对抗收缩期左室增厚，使左室回复舒张状态（图9e）[14-16]。

从功能性角度看，心肌壁由大量的螺旋方向心肌细胞组成，也正是这些细胞的收缩运动产生了心室收缩、室壁增厚，完成射血功能。根据心肌细胞力学的测量可以发现这些螺旋向心肌细胞群产生一个可以射血的力，而这个力在心室收缩程度即将到达顶点时逐渐减弱[16]。心脏的组成成分中还有另外一群心肌细胞，它们的方向沿心外膜至心内膜呈一种横向的或者透壁的方向排列。这一类细胞在心室收缩早期就已经产生了一个肌紧张信号，随着心室收缩期射血期的到来，肌紧张信号逐渐增强，直至螺旋向心肌细胞收缩停止，透壁心肌细胞继续收缩以完成心室舒张，恢复心室正常形态，它们的收缩拮抗心室收缩过程中室壁增厚，产生与螺旋向心肌细胞相反的作用。这种螺旋向与透壁心肌细胞固有的拮抗机制可以保持正常心脏结构在整个收缩舒张运动过程中形态的稳定。但是对于一个患病的心脏，由于透壁方向心肌细胞数量增加打破了心脏自身固有的平衡，从而导致心脏射血功能下降，心室结构改变。

本研究结果提示，透壁心肌细胞可能对β受体阻滞剂更加敏感[15]，而心脏对于不同剂量β受体阻滞剂的反应不同也可能由于β受体在这两种心肌细胞上的分布不同，透壁心肌细胞上β1受体分布数量大于螺旋向心肌细胞。心肌细胞的钙平衡和激动是通过β受体来调节[17]，因此β受体阻滞剂对于钙离子需求量大的细胞作用更明显。由于透壁心肌细胞收缩时相比螺旋向心肌细胞更长，因此对钙离子的需求高，这就解释了为什么透壁心肌细胞表达更多的β1受体，从而导致应用小剂量β1受体阻滞剂时，透壁心肌细胞首先被阻滞，从而导致心室收缩拮抗力下降，心室收缩加强[18]。

MRI 3D Tagging检测β受体阻滞剂对于心肌运动影响的敏感度和精确度高，它可以在三维层面对局部心肌的运动情况进行详细的记录，是一种无创的临床心肌功能检测手段，同样该技术也为量化药物作用效果的研究提供了一个新的视角。

静脉注射小剂量β受体阻滞剂Esmolol可以增加心肌收缩力，这也与心肌收缩过程中两种不同的力来自方向不同种类心肌细胞相吻合，因此可以推论，小剂量β受体阻滞剂对于增强心肌收缩效果更好，这也为未来临床应用β受体阻滞剂治疗心衰等疾病提供科学依据。

（本文图片见后插三、四）

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Effects of incremental beta blocker dosing on myocardial mechanics of the left ventricle：MRI 3D Tagging insight

ZHOU Ying＊，ZOU Lin，LI Tie-yan，et al.＊Department of the ICU of Cardiac Surgery，Shanghai East Hospital，Tongji University，Shanghai 200120，China

LI Tie-yan，E-mail：jolin.lty@163.com

Objective MRI Tagging was applied to detect different effects on myocytes by different doses of β-blocker.Methods 13 healthy volunteers attended this research by MRI tagging during escalated administration of Esmolol.The circumferential，longitudinal and radial myocardial shortening was determined for each dose.The curves were analyzed for peak value，time-to-peak，upslope，and area-under-the-curve.Results At low doses，from 5-25 μg·kg-1·min-1，the peak value increased，while time-to-peak decreased，yielding a steeper upslope.Combining the values revealed a left shift of the curves at low doses when compared to the curve without Esmolol.At doses of 50-150 μg·kg-1·min-1，a right shift with flattening occurred indicating less pronounced shortening as sign of negative inotropy.Conclusion Differences were found in healthy volunteers in the myocardial effects of beta-blockade at low compared to high dosage.It is tempting to speculate that the response to β-blockade could be even more pronounced in patients suffering from ventricular hypertrophy due to the higher prevalence of the transversely intruding cardiomyocytes.MRI tagging is helpful to monitor dosing.

Cardiomyocyte； Beta-blockers； MRI Tagging

中国博士后科学基金（项目编号：2014M551458）；同济大学青年优秀人才培养行动计划（项目编号：2016KJ063）

作者单位：200120 上海市，同济大学附属东方医院心外科监护室（周莹、费青青、张月瑜、吴晶嘉、丁婷、戚晨雯、李腾腾），心外科（李铁岩）；第二军医大学附属公利医院内分泌科（邹琳）

李铁岩，E-mail：jolin.lty@163.com

10.3969/j.issn.1672－5301.2017.09.018

R542.2

A

1672-5301（2017）09-0837-04

2017-04-29）