动物分子影像技术在心肌梗死研究中的应用

涂清强

(中山大学实验动物中心,广州 510080)

冠状动脉阻塞可导致心肌持续性缺血缺氧,最终引发心肌坏死。 心肌梗死是心血管急重症,其中急性心肌梗死在临床上最为常见,主要表现为突然且持续剧烈的前胸、后背疼痛、休克、心律失常、低血压、意识不清等症状,具有发病急、病情重、病死率高、治疗难度大的特点[1]。 随着分子影像学技术的发展和成熟,临床上对心肌梗死的诊断更加全面和精准,而临床前研究上的应用更是前沿和多样,研究者通过动物超声[2]、动物PET/CT[3-4]、小动物MR[5]以及小动物SPECT/CT[6]等技术进行心脏部位活体显像,充分利用动物分子影像技术在心肌梗死模型中的诊断优势,与临床结果达到相似性。 本文综述了近些年国内外关于动物分子影像技术在心肌梗死模型中的应用进展。

1 动物分子影像技术原理及特征

动物分子影像技术根据自身的成像原理在不同领域的应用具有各自的独特性,可相互补充和进行多影像综合分析,其原理和特征如表1 所示[7-9]。

2 动物分子影像技术的应用

2.1 放射性示踪剂的运用

靶向放射性示踪剂为心脏SPECT 或PET 成像提供功能信息,能有效的评估心肌梗死情况,其中99mTc 标记、18F-FDG 和13N-NH3最为常用。 与传统的示踪剂不同,靶向示踪剂可结合梗死区特异性的产物,通过示踪这些坏死性化合物可以区分急性心肌梗死和愈合性心肌梗死,可逆性缺血性损伤和不可逆性梗死,以及再灌注和闭塞性心肌梗死。 分子靶向示踪剂成像在近年呈现研究显著增加的趋势。

Su 等[10]使用99mTc 标记的基质金属蛋白酶(MMPs)靶向放射性示踪剂(99mTc-RP805)和201Tl 进行活体心脏成像,心肌梗死后1 ～3 周小鼠经Micro-SPECT/CT 成像,发现在201Tl 灌注减少的区域,心肌摄取明显和心肌远端活性高出对照组2 倍,并由此建议在心肌梗死远端区域内激活MMPs,这种新型无创靶向放射性示踪成像方法在跟踪MMP 介导的心肌梗死重塑后的体内定位具有显著效果。 在Van等[11]通过放射性标记来评估心肌重塑靶向肌成纤维细胞间质改变的研究中,他们使用静脉注射99mTc标记的CRIP 对冠状动脉闭塞诱导心肌梗死2 周、4周和12 周的41 只小鼠行Micro-SPECT/CT 成像,成功评价了MI 后神经体液拮抗剂的疗效,以及证实了联合治疗的优越性。 另外,Cona 等[12]利用金丝桃素(123I-HYP)和99mTc-Sestamibi标记家兔的急性心肌梗死和进行Micro-SPECT/CT 成像,发表123I-HYP 滞留于梗死心肌,正常心肌中没有,而99mTc-Sestamibi 在梗死心肌中没有,正常心肌高于初始水平,证明了两种放射性显像剂在梗死心肌和正常心肌的选择性。

表1 动物分子影像技术的原理和特征Table 1 Principles and characteristics of animal molecular imaging technology

氨肽酶(CD13)在再生血管区域有较强的表达,为此Hendrikx 等[13]设计了一款无创的双同位素血管成像探针(111In-DTPA-cNGR 和99mTc-Sestamibi),并利用Micro-SPECT 可观察到小鼠梗死心肌灌注后缺损区域和梗死心肌边缘区域的CD13显像,这对于评估治疗缺血性心脏病的药效及cNGR 三肽在临床血管成像中的运用具有重要参考价值。

为了评价亚急性心肌梗死绵羊代谢、组织学和功能随访之间的关系,Mesotten 等[14]通过冠状动脉微栓塞建立了8 只幼年羊心肌梗死模型,栓塞后6周进行第一次PET 成像,由于细胞外基质存活细胞并不能快速回复,从而观察到栓塞区18F-FDG 摄取严重降低,栓塞后16 周成像才发现心肌18F-FDG 摄取明显恢复,与组织学和超声心动图观察结果吻合。 Juárez-Orozco 等[15]对10 只雄性Wistar 大鼠进行13NH3心肌灌注并Micro-PET/CT 扫描。 结果显示:梗死心脏灌注摄取显著降低,可见13NH3Micro-PET/CT 成像技术有助于评估梗死心肌。

为了探讨早期有氧运动对心梗诱发心衰小鼠心肌功能的影响,Jiang 等[16]运用18F-FDG 和18FFTHA 分别对模型小鼠行Micro-PET/CT 扫描,结果显示:4 周有氧运动后心衰小鼠体内心肌葡萄糖代谢增强,通过调节糖酵解和线粒体呼吸来改善心功能。 可能的机制是:运动后葡萄糖转运蛋白1(GLUT1)的mRNA 和蛋白表达均上调,运动还激活了心肌AMP 激活蛋白激酶(AMPK),AMPK 磷酸化组蛋白去乙酰化酶4(HDAC4),抑制HDAC4 也能改善心衰小鼠的心功能。

2.2 干细胞治疗中的应用

随着以基因工程干细胞为基础的心肌梗死治疗技术的迅速发展,无创活体成像技术在未来的研究中可发挥重要作用。 间充质干细胞(MSCs)移植到缺血心肌组织是一种新兴的治疗方法[17],近年来,研究者们开始尝试用超声靶向微泡破坏技术(UTMD)、MRI 以及PET/CT 成像技术用于心肌梗死后干细胞靶向治疗。 但是MSCs 的分化受微环境的影响,最终的分化模式是由微环境决定的,而不是它们的DNA 序列,对微环境重塑反应可以诱导干细胞在基因激活方面保持静止状态静止,从而导致干细胞杂交谱系的分化[18]。

冠状动脉内灌注MSCs 联合UTMD 可通过改变局部微环境和释放UTMD 激活的多种细胞因子,显著促进移植细胞向缺血心肌的归巢,Zhong 等[17]把心肌梗死犬随机分为接受UTMD 和不接受UTMD两组,结果显示,治疗组VEGF、SDF-1、VCAM-1 和IL-1b 的表达明显高于未治疗组。 他们认为是毛细血管破裂,血管通透性增加,细胞因子表达增加使得UTMD 改变局部心肌微环境。 同时毛细血管破裂和内皮间隙增宽可促进干细胞粘附到损伤的内皮层上,一些增加的细胞因子可能有助于干细胞的归巢。 该课题组[18]还观察了UTMD 对心肌干细胞微环境的影响,超声心动图显示心肌梗死犬心功能和室壁运动评分指数显著高于对照组,可见UTMD在心脏干细胞移植治疗中有很大的潜力。

移植细胞的广泛死亡阻碍了干细胞治疗急性心肌梗死(AMI),然而他汀类药物可保护内皮功能和微血管的完整性,从而保护心脏,鉴于此,Yang等[19]研究利用辛伐他汀(SIMV)来提高AMI 后MSC 移植的疗效。 他们将28 只中国迷你猪随机分为对照组、SIMV 组、MSC 移植组和SIMV+MSCs 组,每组7 只。 造模分组6 周后,MRI 显示MSC 移植组与对照组相比则无明显改善,SIMV+MSC 组心肌梗死后移植细胞的存活率和分化率高于单纯MSC 移植组。 表明短期应用小剂量辛伐他汀可提高MSC移植后细胞性心肌成形术的疗效,改善心脏功能。

Shi 等[20]构建了(Lv-EF1α-NIS-IRES-EGFP)慢病毒载体来诱导BMSC 中NIS 和绿色荧光蛋白(EGFP) 的表达。 BMSC 移植梗死心肌后1 周,用99mTc99 g 尾静脉注射45 min 后,通过Micro-SPECT 观 察 到Lv-EF1α-NIS-IRES-EGFP 处 理 的BMSC 在心脏、胃、膀胱、肠中有明显的放射性摄取,其他组织摄取99mTc99 g 并不影响移植BMSCs 的信号,而单纯的Lv-EF1α-NIS-IRES-EGFP 组仅在甲状腺中观察到少量的放射性摄取。

Micro-PET/CT 成像跟踪在脂肪组织源性干细胞(ADSC)研究等再生医学新兴领域有广阔的应用前景。 许多研究都强调联合使用“支架”对增加心肌内干细胞滞留的重要性。 Yang 等[21]提出了一种新型高效表达ADSC 的方法,即慢病毒载体携带萤火虫荧光素酶、单体红荧光蛋白和截短的胸腺嘧啶核苷激酶(FLUC-MRFP-TTK)组成的三核融合报告基因,对转导的ADSC 进行生物学评估,并用纤维蛋白支架移植到大鼠梗死心脏,通过Micro-PET/CT成像跟踪心肌内干细胞滞留情况,并对再生细胞进行组织学评估。 结果表明:慢病毒转导不影响细胞功能,PET/CT 成像观察到心肌中转导的ADSC,精确定位了滞留细胞。

2.3 疾病机制的应用

为了研究心肌梗死后的分子和细胞变化情况,犬、羊、猴、啮齿动物、猪和兔子等心肌梗死模型逐渐被研究,同时,分子影像技术的精准评价能力亦推动了这些模型的研究应用,最终都能够获得有利于临床研究的参考信息—。

猪由于在冠状动脉解剖和心脏生理学上与人类有更大的相似性而越来越受欢迎,Derek 等[22]建立了8 只D1-LAD 栓塞的尤卡坦微型猪心肌梗死模型,超声心动图很容易看到心肌梗死区被隔离到左室壁病,并可监测左心室结构和功能,发现慢性心肌梗死猪的大体和组织病理学病变分布不均匀,具有临床病理学的代表性。 因此,超声心动图可作为监测D1-LAD 栓塞的猪心肌损伤模型的新方法,并与心肌梗死患者的病生理学密切关联。 王静等[23]应用小动物超声评价心肌梗死小鼠心脏结构及心脏功能,采用超声心动图观察小鼠心梗模型能够更精准敏感地判断心肌梗死位置和梗死程度。 苗淑杰等[24]利用小动物超声观察冠脉通片对肾阳虚心肌梗死大鼠心肌改善作用,冠脉通片全方组对ST段、EF%、梗死面积均有显著作用,可有效降低血清肌酐、升高总三碘甲状腺原氨酸、总甲状腺激素水平,冠脉通全方组药效显著。 Wang 等[25]对恒河猴急性和慢性心肌梗死时心肌纤维进行了评价,利用MRI 成像定量评估恒河猴亚急性心肌梗死期心肌纤维的早期变化,与对照组相比,心肌梗死区透明质酸(Ha)显示出明显的差异,有助于诊断临床亚急性心肌梗死的患者。

3 辅助成像技术的发展

3.1 造影剂辅助成像

随着分子影像学的发展,CT 增强造影剂在临床和临床前研究中得到广泛运用,增强分辨率和清晰度,提高诊断精确度,造影剂应用也从高渗离子型向非离子型发展应用,副作用明显减少。

Malyar 等[26]利用Micro-CT 扫描灌注的心肌梗死猪,从栓塞心肌的三维图像中定量分析左室壁动力学(壁增厚变化；WT%)和心博量(SV)来评估整体心肌收缩功能。 研究表明无论是心肌灌注还是心肌梗死心肌体积都与梗死引起的前壁增厚百分比下降显著相关。 Nahrendorf 等[27]将20 只心肌梗死小鼠静脉持续灌注60 min 同时行Micro-CT 增强扫描。 结果显示,梗死区域的信号强度明显高于远端未受伤心肌,左心室重构显著,左心室扩张明显且射血分数降低。 Ashton 等[28]利用新型造影剂eXIA 160 结合Micro-CT 对心肌梗死小鼠扫描,可观察到心肌和棕色脂肪组织代谢显著,梗死心肌几乎不摄取造影剂,易于与未梗死灌注心肌鉴别,并定量测定了梗死面积。 由于碳纳米管Micro-CT 对小鼠心脏成像有特殊的优势。 为此,Burk 等[29]利用碘海醇(Iohexol)结合碳纳米管Micro-CT 增强扫描心梗小鼠,发现梗死区域与周围未受损伤的左室组织差异明显,与组织学TTC 染色结果一致,此外,在舒张期和收缩期获得CT 图像可测量射血分数,可定量分析缺血再灌注后心脏功能显著下降的情况。Sawall 等[30]开发了一种新型Micro-CT 成像造影剂ExiTron,该造影剂即使在非常低的剂量也能检测到小鼠心肌栓塞,并定量测定心肌栓塞灶的大小。

心脏MRI 增强扫描是指经静脉高压快速注入含钆造影剂后再行扫描的技术,提高血液和心肌之间的对比,显示心脏结构,提升病灶诊断的精准度,评价心脏功能,了解心肌组织存活情况,对巨大的临床意义。

ApeliN-13(A13)可调节心脏内稳态,动员内源性干细胞修复心肌梗死边缘区,维持严重心肌损伤后的心脏功能,为此,Chung 等[31]利用MRI 增强显像观察A13 治疗的心肌梗死小鼠,发现梗死周围体积百分比在1～4 周内明显少于对照组,充分说明了A13 有调节心室重塑基因表达、抑制凋亡和有益的血流动力学效应。 为了监测经心肌激光血运重建术(TMLR)引起的远端心肌灌注变化,探讨TMLR对左心室形态和功能的影响,Nahrendorf 等[32]利用高分辨MRI 观察TMLR 治疗的8 周心梗大鼠,12 周行多巴酚丁胺诱导应激后再次MRI 观察,发现TMLR 治疗的远端心肌局部功能(收缩壁增厚)得到改善,但左室舒张和肥厚比治疗前增加。

3.2 分析软件/方法的运用

分子影像设备配套的软件使图像更加清晰而真实,研究结果更加准确详实。 Stegger 等[33]通过基于弹性曲面模型的自动分割算法对心电门控方法采集的PET 图像进行分析,可定量测定不同程度心梗小鼠的左室容积和EF 值,对于大量动物的连续成像比MRI 更具优势。

Saleh 等[34]利用临床3T MRI 的小动物线圈扫描心梗大鼠,并通过半自动分割软件提取心梗大鼠左室重塑和功能参数,如左室射血分数,诱导大鼠非灌注性心肌梗死后的舒张末期和收缩末期容积,可以准确、快速地评估非灌注心肌梗死后的长期左心室重构,并证明此方法的可行性。 Oliveira 等[35]研制了一种高分辨率的基于针孔准直器的SPECT成像系统。 用系统配置软件Amide Medical Image Data Examiner 可监测心梗大鼠心肌纤维化区域并定量分析。 Wakabayashi 等[36]利用SPECT-QGS 成像分析系统可观察心梗大鼠早期不同步性,并对预测不良结果和优化治疗方案有一定的意义。

4 结语

由于心肌梗死疾病具有普遍性和复杂性,受到国际研究者和临床医生的普遍关注,尤其是急性心肌梗死发病率快、死亡率高,给患者造成巨大的危害,这也是临床心血管专科医学面临的巨大挑战。综上所述,动物分子影像技术对心肌梗死动物模型的诊断具有多样性和前瞻性,能够精确诊断和心肌梗死动物模型,帮助研究者更好的指导临床前研究,与临床数据达到一致性,对临床患者的诊断和治疗具有一定的借鉴意义和参考价值。