心血管成纤维细胞显像的现状和展望

李丽娜 杨敏福

(首都医科大学附属北京朝阳医院核医学科,北京 100020)

《中国心血管健康与疾病报告2021》[1]指出,我国心血管病的发病率与致死率仍然高居榜首,心血管病分别占我国农村与城市疾病死因的46.7%和44.3%。心血管纤维化是各类心脏疾患共同的病理学组织特征[2-3],也是心脏和血管重构的重要表现之一,主要表现为成纤维细胞活化为肌成纤维细胞,并分泌胶原蛋白,导致胶原蛋白的过度沉积[4],常发生于多种原发性疾病,比如高血压、心肌梗死(以下简称心梗)、冠状动脉粥样硬化性心脏病(以下简称冠心病)等。在损伤早期,适应性替代性纤维化对维持心血管的结构完整性和功能至关重要,而持续或过度的病理性失代偿纤维化则会导致慢性瘢痕形成和不良重构[5-6]。心肌纤维化是评估疾病活动性、提供风险分层的关键成像靶点,也是阻止不利重构和维持心肌健康的治疗靶点[7]。因此,精准检测和定量心血管疾病纤维化对心血管疾病的治疗和预后评估有重要价值。

现有的各种成像技术,包括心脏磁共振(cardiac magnetic resonance,CMR)、冠状动脉计算机断层扫描血管造影(computed tomography angiography,CTA)及超声心动图等可以用来评估心血管疾病的结构和功能。

CMR能准确显示心脏结构与功能的变化,是目前临床上评估心肌纤维化最常用的无创影像方法[8-10],多种磁共振序列可用于评价心肌纤维化,最常用的是延迟强化(late gadolinium enhancement,LGE)和基于CMR高分辨率纵向弛豫时间定量成像技术(T1 mapping)获得的细胞外容积分数(extracellular volume fraction,ECV)。LGE技术是目前在体定量评估心肌纤维化最有效的方法,但LGE所示心肌纤维化提示心肌瘢痕形成,即终末期纤维化,此时已无法进行有效的干预[11]。T1 mapping技术通过定量评估ECV的变化反映心肌纤维化,但除胶原蛋白沉积外,其他原因导致的心肌水肿、炎症和坏死等病理改变也会导致细胞外空间的扩大,ECV升高。因此,ECV仅作为判断弥漫性心肌纤维化的间接替代指标。

CTA在检测冠状动脉狭窄方面的独特优势,使其成为筛查冠状动脉疾病患者替代侵入性冠状动脉造影的常规检查;对斑块负荷和形态的显示,使其逐步成为血管内成像的重要检查手段[12]。虽然CTA为临床疾病诊断、风险管理提供重要的解剖学信息,但并不能反应血管的纤维化情况。CTA 检查过程中的碘造影剂过敏反应和肾毒性亦是不可忽视的严重问题。

常规超声心动图以及斑点追踪成像等新技术可以检测心肌纤维化导致的心脏形态、结构和功能异常[13],但无法直接显示纤维化成分,因此也是非特异性显像。而且,当超声提示异常时,往往提示纤维化已经比较显著或已有不可逆的损伤,因此,无法用于早期诊断。

因此,目前迫切需要能够在心血管纤维化早期、可逆阶段进行检测的无创影像技术。这一技术瓶颈的突破,将为疾病治疗提供客观依据,并可能以此为指导依据,逆转心肌纤维化,改善不良预后。

1 心肌成纤维细胞

心脏成纤维细胞在心脏疾病和愈合中起着至关重要的作用,这些细胞负责产生细胞外基质蛋白,其中I型胶原蛋白为主要成分,约占85%,可以维持心脏结构的强度,Ⅲ型胶原蛋白约占11%,可维持心脏的弹性和张力[14]。成纤维细胞在细胞因子和神经调节因子的作用下,分化为活化的成纤维细胞和平滑肌样肌成纤维细胞,这些细胞通过调节基质金属蛋白酶和纤维连接蛋白对细胞外基质发挥作用,对病变或损伤心肌的愈合反应至关重要。虽然纤维化过程对于心脏的损伤修复和重塑等方面很重要,但随着纤维化进一步发展,可引起心脏结构和功能的不良改变,导致进行性心腔扩大、心肌细胞肥大、心肌壁张力增加,最终导致充血性心力衰竭。

2 成纤维细胞活化蛋白抑制剂

心脏成纤维细胞活化是纤维化过程的关键环节,成纤维细胞活化蛋白(fibroblast activation protein,FAP)是活化成纤维细胞表达的一种细胞膜表面抗原,在未活化的成纤维细胞和机体的其他细胞很少或几乎不表达[15],而在机体的多种纤维化进程中普遍存在。针对FAP,目前已开发出放射性核素标记的FAP抑制剂(FAP inhibitor,FAPI)靶向探针,可以通过检测活化成纤维细胞来评估纤维化过程,包括间质性肺疾病、肾纤维化、肝纤维化和IgG4相关疾病[16-19]。研究[20-23]表明,在心梗、肺动脉高压所致的右心疾病、化学治疗(以下简称化疗)药物导致的心脏毒性和肥厚型心肌病等患者中均发现,FAPI显像可以在磁共振异常之前识别出活化的成纤维细胞,这表明FAPI核素显像是一种可行的检测早期心肌纤维化的无创影像学手段。

3 FAPI显像在心血管疾病中的应用

3.1 急性心肌损伤

心脏成纤维细胞在急性心梗后心室重构中发挥关键作用。心梗后迅速产生的炎症反应能招募并激活心脏成纤维细胞合成胶原等物质以修复坏死心肌,从而维持心脏结构的完整性。然而,心梗后持续或过度的成纤维细胞活化会导致心脏硬度增加,顺应性减低,促进不良心室重构,并诱发心力衰竭。因此,早期检测心肌纤维化所致的心室不良重构,是预防心力衰竭发展的关键。

在一项基础研究[24]中,Varasteh等首次将68Ga-FAPI显像用于心梗大鼠模型。在结扎冠状动脉后,连续进行68Ga-FAPI显像,结果显示梗死区及其邻近边缘区有显著的放射性示踪剂摄取,在6 d左右达到峰值。此后,心肌摄取逐渐减少,2周时恢复到接近基线水平。进一步观察放射自显影结果显示,与梗死区相比,在梗死边缘区68Ga-FAPI摄取更显著,而在偏远区没有检测到活化成纤维细胞。该研究的创新在于68Ga-FAPI显像再现了心梗后成纤维细胞的激活和心肌纤维化活动随时间的变化情况,并对该信号进行组织学水平的验证。上述研究结果被后续的基础研究[25]证实。由此可见,FAPI 显像可无创监测急性心梗后早期活化的成纤维细胞,可能有助于评估纤维化的修复情况。

在后续的多项临床研究[26-29]中,均发现急性心梗引起的心肌损伤能够导致FAPI 摄取增加。此外,还发现FAPI摄取不止局限于梗死区,通过与CMR的结果比较,发现FAPI 摄取的范围明显大于CMR所示的梗死范围,甚至超过了水肿范围[20,26]。Diekmann等[29]还将心肌灌注显像、FAPI显像与CMR的组织特征和功能学参数进行相关性研究,结果发现心肌FAP高表达范围显著大于由心肌灌注显像和CMR确定的梗死和损伤范围,并且心肌FAP的高表达与随访的左室射血分数呈负相关,提示其可作为心梗后不良预后的预测因子。

此外,FAPI 显像能够预测急性ST段抬高型心梗患者左心功能恢复。Xie等[20]的研究发现,对于急性ST段抬高型心梗患者,急性期FAPI 摄取的强度与三个月随访时的左室射血分数呈负相关。该研究首次证实FAPI 显像对心梗后的心脏功能恢复具有预测价值,提示心梗后过度的成纤维细胞激活可能与不良心室重构有关。同样,Zhang等[28]对接受经皮冠状动脉介入治疗的心梗患者术后12个月后进行了随访,结果显示与左心室不良重构组的患者相比,无重构组在基线时表现出更高的心肌68Ga-FAPI摄取。与基线临床信息、CMR序列和心脏功能参数相比,基线FAPI摄取容积具有更好地预测远期左心室不良重构的能力。

迄今为止,相关报道表明[20,27]FAPI摄取与急性炎症或心肌损伤相关标志物的水平之间没有相关性。此外,FAPI摄取与转化生长因子-β1、肿瘤坏死因子-α、interleukin-6、高敏C反应蛋白、肌酸激酶和乳酸脱氢酶峰值水平没有相关性。笔者猜测原因可能是血清标志物在血液中的峰值时间与心肌摄取FAPI的峰值时间不一致,或者其他亚型成纤维细胞和/或巨噬细胞之间的相互作用也会对其产生影响。

因此,FAPI显像是一种非常有潜力的、可定量监测心梗后活化心肌成纤维细胞的影像学工具。相比传统的影像指标,心梗后基线的心肌FAPI摄取可能更好地预测远期左心室不良重构。但心肌FAPI摄取与血清标志物之间的具体联系仍需进一步探索。

3.2 慢性心肌损伤

3.2.1 肿瘤治疗导致的心肌损伤

既往研究[30-31]表明,某些化疗药物具有一定的心脏毒性,在接受化疗的肿瘤患者中使用FAPI显像可能为评估心脏毒性提供重要信息。Heckmann等[22]对229例恶性肿瘤患者行心肌68Ga-FAPI显像并进行多因素回归分析,发现左心室68Ga-FAPI摄取增加与心血管危险因素(体质量指数升高、II型糖尿病)、既往使用铂类化疗药和胸部放疗史相关。

免疫检查点抑制剂相关心肌炎是肿瘤治疗严重的并发症,其诊断具有一定的挑战性。Finke等[32]对3例发生免疫检查点抑制剂相关心肌炎的患者的68Ga-FAPI显像发现每位受试者均有局灶、显著的心肌68Ga-FAPI摄取,而另外23例接受免疫检查点抑制剂治疗而没有发生心肌炎的患者中,没有观察到心肌FAPI摄取。

对于放射性治疗(以下简称放疗)诱导的心肌损伤,一项回顾性研究[33]评估了13例接受同步放化疗的食管鳞癌患者放疗前和放疗期间心肌FAPI摄取情况,发现同步放化疗后患者心肌FAPI摄取增加,FAPI显像可以在射血分数减低之前检测到放疗导致的心肌损伤,提示FAPI显像具有早期监测辐射所致的心肌损伤的潜力。此项结果表明,68Ga-FAPI显像对于诊断肿瘤治疗相关的心脏毒性可能具有潜在的价值。

3.2.2 肥厚型心肌病

心肌纤维化是肥厚型心肌病的重要的病理学特征,也是患者发生心源性猝死和不良心室重构的重要病理学基础。Wang等[23]首次应用FAPI显像评估了肥厚型心肌病心肌纤维化,结果表明,与健康受试者相比,所有肥厚型心肌病患者的左心室心肌均显著摄取FAPI,且具有明显的异质性,并且FAPI摄取显著大于CMR所示心肌肥厚区域。肥厚型心肌病患者左心室心肌FAPI的摄取强度与5年心脏性猝死风险评分显著正相关。Zhang等[34]的研究表明,在肥厚型心肌病患者中,FAPI显像比与CMR能检测到更大范围的受累心肌,并且额外识别的心肌已经存在顺应性的减低。FAPI显像作为一种有临床前景的评估心肌损伤的影像学方法,可用于肥厚型心肌病的风险分层及预后评估,未来有望将FAPI核素治疗用于无创性解除肥厚型心肌病患者的流出道梗阻。

3.2.3 肺动脉高压所致的右心疾病

肺动脉高压可导致右心功能及结构受损,而右心纤维化的精准评估在临床上具有很大的挑战性。Chen等[21]在13例慢性血栓栓塞性肺动脉高血压的患者中发现,77%的患者存在右心室FAPI异常摄取,主要位于游离壁,并且FAPI摄取与室壁厚度及右心收缩功能相关,与CMR T1 mapping序列参数(native-T1 times,enhanced-T1 times及ECV)无明确相关性。这表明FAPI显像反映了心肌纤维化的早期阶段,而 T1 mapping改变可能提示了心肌纤维化的中晚期,这两种成像方式可能是互补的。

3.2.4 其他心脏疾病

除上述的心脏病外,FAPI 显像也应用于其他类型的心脏疾病。Song等[35]分别通过心力衰竭的动物模型和临床患者进行研究,发现随着心力衰竭进展,FAPI在早期摄取较高,随后逐渐降低,表明FAPI可显示活动性心肌纤维化,早期检测到活化的成纤维细胞表达可能有助于指导心力衰竭患者的治疗。Xie等[36]首次使用99mTc-HFAPi显像识别高血压所致的早期的心肌纤维化,未来有望用于指导临床降压治疗。轻链型淀粉样变性可导致心肌细胞坏死和间质纤维化,最近的研究[37]表明,FAPI显像可同时显示心肌淀粉样变的纤维化区域和炎症区域。目前关于FAPI显像在心脏结节病中的应用,有一例个案[38]报道,患者FAPI显像结果提示心脏有明显摄取。Treutlein等[39]首次证明FAPI显像可以显示系统性硬化症的心脏成纤维细胞活性,并且观察到FAPI摄取的范围和CMR空间分布相似,但不完全相同。关于FAPI显像在评估心肌纤维化中的应用,这些基于临床前和临床的初步数据[20,24,29,35,36]表明了其应用的可行性。对心肌纤维化不同病程的预后价值的评估,仍需要通过更大规模多中心研究和更长随访时间来验证。

3.3 FAPI显像在血管病变中的应用

随着FAPI显像应用的逐步增多,部分研究关注并评价了其在血管病变中的价值,但目前相关研究仍相对较少。

Takayasu动脉炎因其临床信息、生物学指标和影像学数据并不总是一致,对于其活动度的评估具有挑战。一篇关于Takayasu动脉炎的个案报道[40],对一名19岁女性患者行18F-氟脱氧葡萄糖正电子发射断层显像(18F-fluoro-2-deoxy-d-glucose positron emission tomography,18F-FDG PET) 显像检查评估疾病活动性,未见异常18F-FDG摄取。随后行FAPI显像,发现双侧颈动脉、锁骨下动脉、胸腹主动脉管壁轻度增厚并且FAPI摄取显著增加。此报道的结果表明FAPI显像在检测Takayasu动脉炎活动性炎症方面优于18F-FDG,可用于监测大动脉炎患者的疾病活动度,为大动脉炎患者选择最佳治疗方案提供依据。

关于FAPI显像在肺动脉中的应用,Gong等[41]评估了13例慢性血栓栓塞性肺动脉高压的患者和13例对照组的肺动脉FAPI摄取情况,发现FAPI显像具有评估肺动脉壁成纤维细胞活化的潜能,并且肺动脉中FAPI摄取与肺动脉舒张压呈正相关。这提示FAPI显像在预测慢性血栓栓塞性肺动脉高压患者的疾病严重程度和右心功能方面具有潜在价值。

关于FAPI显像在肺静脉中的应用,Kupusovic等[42]评估了冷冻球囊肺静脉分离术和射频消融术后左心房肺静脉区域的FAPI 摄取情况。83.3%的患者肺静脉分离术后中观察到肺静脉周围有FAPI 摄取。结果表明FAPI显像在体显示肺静脉分离术后术区成纤维细胞活化,能够可视化评估导管消融后损伤。未来的研究有必要评估FAPI显像是否有助于更好地阐明肺静脉分离术后心房颤动复发的机制。

Wu等[43]回顾性分析了 41 例非血管疾病患者的FAPI显像结果,评估了大动脉管壁的FAPI摄取与钙化程度及心血管危险因素之间的相关性,结果表明FAPI显像具有显示动脉管壁成纤维细胞活化的潜能,这一发现可能推进在动脉粥样硬化领域开展进一步的队列研究提供新思路。

尽管FAPI显像在评估血管纤维化的相关研究样本量较少,缺乏随访,但随着病例的逐步积累和对FAPI显像定量、半定量测定与其他影像学、临床资料进行深入解析,相信可以得到更多对临床有价值的信息。

4 总结与展望

迄今为止,关于FAPI显像在心血管疾病中的作用的证据仍然较少,还处于起步阶段,缺乏大样本、多中心的随机对照研究。但以上罗列的相关研究结果表明,FAPI显像在心血管疾病患者的诊断和预后评估方面很有潜力,应用最多的领域是冠心病,特别是在评价急性心梗后心肌损伤修复改变方面。在其他原因所致的心肌病中,FAPI显像作为检测早期纤维化改变的非侵入性手段,在未来临床监测疗效和预后评估中应用前景深远。针对血管疾病评估,目前仍没有系统性研究分析FAPI显像在其诊疗中的应用,未来将有更大的空间等待我们去探索。

越来越多的证据表明成纤维细胞具有多种的功能和表型,这些功能和表型很可能在纤维化的不同阶段不断演变,目前不同心血管疾病、不同进展阶段进行的FAPI显像结果与其他影像学和临床指标所反映的结果存在错综复杂的关系,未来还有很多问题值得探索。比如,不同的成纤维细胞亚型在不同心血管疾病状态下的表达遵循的时间进程有差异,在存在个体间差异的情况下,后续研究可聚焦于将FAPI显像应用于临床实践;以及在病程的不同时间点进行FAPI成像,推测疾病后续的进程。此外,不同亚型成纤维细胞之间的相互作用与只存在活化成纤维细胞的情况对于FAPI显像所提示的信息是否一致,值得进一步探索。

FAPI显像与现有成像方式,如超声心动图和CMR相比,其作用究竟如何还未可知。目前FAPI显像在评估心血管疾病纤维化中具有重要价值,未来需要核药学、核医学及临床领域的研究者合作,最大程度发挥FAPI 显像的效能,助力心血管疾病的精准诊疗。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明李丽娜:论文撰写,审定论文;杨敏福:提出研究思路,总体把关,审定论文。