肥厚型心肌病18F-FAPI PET/CT顯像的初步探索:與心臟磁共振比較

張 雨董志翔李常城王 麗楊敏福*

(1.首都醫科大學附屬北京朝陽醫院核醫學科,北京100020;2.中國醫學科學院阜外醫院磁共振影像科 國家心血管病中心 北京協和醫學院, 北京100037;3.泰安市中心醫院醫學影像科,山東泰安271099)

肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy,HCM)是一種常見的染色體顯性遺傳病,人群發病率約為1/500[1]。 HCM 的特征為心肌的非對稱性肥厚,以室間隔最為常見。 HCM 的主要臨床表現為胸痛、勞力性呼吸困難、心悸、昏厥等。 雖然大部分HCM 患者癥狀較輕或者無任何癥狀,但一些年輕患者則可能以心源性猝死(sudden cardiac death, SCD)為首發癥狀[2]。

心肌纖維化是HCM 重要的病理學特征,也是HCM 患者發生SCD 和不良心臟重構的重要病理學基礎[1,3]。 心內膜活檢是評估心肌纖維化的金標準,但因其為有創性檢查,不適合臨床推廣。 目前臨床評估心肌纖維化最常用的方法是心臟磁共振(cardiac magnetic resonance, CMR)的延遲強化(late gadolinium enhancement, LGE)技術,但是LGE 技術識別的心肌纖維化已經處于不可逆轉的狀態,無法在纖維化形成之前或形成初期指導抗纖維化治療。 最近的研究[4-5]顯示,活化的成纖維細胞特異性表達成纖維細胞激活蛋白(fibroblast activation protein,FAP),并可以通過成纖維細胞活化蛋白抑制劑(fibroblast activation protein inhibitor, FAPI)正電子發射型計算機斷層掃描顯像/電子計算機斷層顯像(positron emission tomography/computed tomography,PET/CT)對活化的成纖維細胞進行可視化,從而識別心肌纖維化的初始階段。 目前已有利用FAPI 成像識別急性心肌梗死、慢性血栓栓塞性肺動脈高壓等疾病中成纖維細胞活化的報道[4-5]。本研究旨在通過分析HCM 患者18F-FAPI PET/CT 參數、CMR 參數和血液學標志物之間的關系,探討18FFAPI PET/CT 評估HCM 患者心肌纖維化的可行性與診斷效能。

1 對象與方法

1.1 研究對象

前瞻性納入2021 年5 月至2022 年1 月于首都醫科大學附屬北京朝陽醫院、中國醫學科學院阜外醫院經超聲或CMR 證實的成年HCM 患者共22 名。HCM 的診斷標準參考2020 版美國心臟協會(American Heart Association, AHA)和美國心臟病學會(American College of Cardiology, ACC)HCM 診斷和治療指南[6]:①左心室任何部位的最大舒張末期厚度≥15 mm,且沒有其他導致心肌肥厚的原因;②如果患者基因檢測陽性或者有HCM 家族史,則心肌厚度≥13 mm 也可以診斷HCM。 入組的22 名HCM 患者平均年齡(48.5 ± 13.6) 歲,其中男性患者13 例(59.1%)。 13 例HCM 患者(59.1%)的紐約心臟協會(New York Heart Association, NYHA)分級為Ⅰ～Ⅱ級,其余9 例患者(40.9%)的NYHA 分級為Ⅲ～Ⅳ級。 有3 例(13.6%)HCM 患者出現過昏厥的癥狀,14 例患者(63.6%)有HCM 家族史,6 例患者(27.3%)有SCD 家族史。 所有HCM 患者均行18FFAPI PET/CT 檢查和CMR 檢查,并于CMR 時抽取靜脈血行實驗室檢查。 對照組納入22 名與HCM 組年齡、性別相符的健康志愿者,僅行18F-FAPI PET/CT。本研究通過首都醫科大學附屬北京朝陽醫院倫理委員會審批(審批號:2021-ke-387),所有患者檢查前均簽署知情同意書。

1.2 PET/CT 檢查方法及數據處理

18F-FAPI 的制備參考既往報道[7]的方法進行。每位HCM 患者經肘靜脈注射18F-FAPI 2.5 ～3.5 MBq/kg,并于注射后1 h 行胸部PET/CT 顯像。PET/CT 檢查使用16 層PET/CT 掃描儀(Discovery STE, GE 醫療公司, 美國),基本掃描參數如下:管電壓=140 kV; 管電流=120 mA; 層厚=5 mm;螺距=1.375。 對于HCM 患者,以三維模式采集兩個床位的胸部PET 圖像,5 min/床位。 對于健康志愿者,以三維模式采集全身PET 圖像,范圍為顱頂至股骨中上段,2.5 min/床位。 對采集的PET 圖像使用CT 圖像進行衰減校正,并以有序子集最大期望值算法重建,共經2 次迭代得出14 個子集。

PET/CT 圖像分析包括整體分析和節段分析。整體分析使用MEMRS 工作站(中國MedEx 公司),在PET/CT 融合圖像上手工勾畫左心室心肌,獲得感興趣區內的最大標準攝取值(maximum standardized uptake value, SUVmax),將攝取大于SUVmax值40%的心肌定義為攝取心肌,并獲得攝取心肌的體積[8]。左心室攝取心肌的體積與CMR 獲得的左心室體積的比值,定義為左心室18F-FAPI 攝取百分比(FAPI%),表示18F-FAPI 攝取的范圍。 左心室最大靶本底比值(maximum target-to-background ratio, TBRmax)則定義為感興趣區內SUVmax和血池平均標準攝取值(mean standardized uptake value, SUVmean)的比值,表示18FFAPI 攝取的強度。18F-FAPI 攝取強度的正常值定義為健康志愿者TBRmax的平均值增加或減小2 個標準差以內,18F-FAPI 攝取強度大于平均值增加6 個標準差定義為明顯的攝取。 節段分析使用Xeleris 工作站(GE 醫療公司, 美國),采用AHA 左心室17 心肌節段模型,獲得每個節段的左心室SUVmax百分比,并通過該百分比和左心室TBRmax的乘積,獲得每個節段的TBRmax值,表示節段18F-FAPI 攝取的強度。

1.3 CMR 檢查方法及數據處理

CMR 檢查使用3.0T MR 掃描儀(Philips Healthcare 公司, 荷蘭),并使用心臟專用相控陣表面線圈,掃描序列包括電影序列和LGE 序列。 電影序列掃描使用平衡穩態自由進動序列(balanced steady-statefree-precession, bSSFP),掃描層面包括左心室兩腔心、四腔心、左心室流出道及左心室短軸層面,掃描參數如下:重復時間=2.8 ms;回波時間=1.4 ms;翻轉角=45°;接收帶寬=1 700 Hz;時間分辨率=34 ～46 ms。 LGE 序列掃描使用相位敏感反轉恢復序列(phase sensitive inversion recovery, PSIR),造影劑使用釓噴酸葡胺(Bayer 公司, 德國),并使用高壓注射器經肘靜脈注射,劑量為0.15 mmol/kg。 注射造影劑后10 ～15 min 進行掃描,掃描層面包括左心室兩腔心、四腔心及左心室短軸層面。

CMR 圖像分析在Cvi42 工作站(Circle Cardiovascular Imaging 公司,加拿大)上進行,通過軟件手動勾畫左心室短軸層面舒張末期和收縮末期的心內膜和心外膜,軟件自動計算獲得左心室舒張末期室壁厚度、左心室舒張末期心肌質量及體積、左心室射血分數(left ventricular ejection fraction, LVEF)和左心室舒張末期容積指數(end-diastolic volume index, EDVi)。 LGE 按照心肌的信號強度大于同一層面正常心肌信號強度6 個標準差及以上為標準計算,LGE 的范圍定義為LGE 區域的心肌質量與左心室舒張末期心肌質量的比值(LGE%),并獲得每個節段的LGE%,節段LGE ≥1%定義為LGE 陽性節段。 在18F-FAPI和CMR 的節段分析中,去除心尖節段。 同一測量者前后兩次測量HCM 患者整體FAPI%、TBRmax和LGE%的組內相關系數(intraclass correlation coefficient, ICC)值分別為0.927、0.887 和0.950,測量節段TBRmax和LGE% 的ICC 值分別為0.943、0.944。不同測量者測量HCM 患者整體FAPI%、TBRmax和LGE%的ICC 值分別為0.899、0.885 和0.949,測量節段TBRmax和LGE%的ICC 值分別為0.924,0.915。

1.4 實驗室檢查

HCM 患者于CMR 檢查時抽取靜脈血行血液學標志物檢查,包括N 末端B 型利鈉肽原(N-terminal pro-B-type natriuretic peptide, NT-proBNP)、肌酸激酶同工酶(creatine kinase-MB, CK-MB)、肌紅蛋白(myoglobin, MYO)和超敏C 反應蛋白(high-sensitivity Creactive protein, hs-CRP)。

1.5 統計學方法

統計學分析使用SPSS 23.0 統計學軟件處理數據,符合正態分布的計量資料以均數±標準差(±s)表示,非正態分布的計量資料以中位數(四分位數)表示。 滿足正態分布且方差齊性的兩組均數采用t檢驗比較,多組均數比較使用ANOVA 檢驗。 不滿足正態分布或方差不齊的兩組數據采用Mann-WhitneyU檢驗比較,多組數據使用Kruskal - Wallis 檢驗比較。 計數資料計算百分率,組間率比較采用χ2檢驗或確切概率法。 相關性分析使用 Pearson 或Spearman 相關性分析。 使用ICC 值評估不同測量者和同一測量者前后兩次測量的差異。 以P＜0.05 為差異有統計學意義。

2 結果

2.1 HCM 患者組與對照組基線資料比較

HCM 患者組與對照組的基線資料詳見表1。 兩組對象的年齡、性別、身高、體質量、體質量指數差異均無統計學意義(P＞0.05)。 在PET/CT 參數的測量中,由于健康志愿者未行CMR 檢查,因此無法獲得18F-FAPI 攝取范圍,只能獲得18F-FAPI 攝取強度。健康志愿者的左心室心肌18F-FAPI 攝取強度較低,18F-FAPI攝取強度的正常范圍為0.65 ～1.93;HCM 患者的左心室心肌發現明顯的18F-FAPI 攝取,兩組間差異有統計學意義(P＜0.05)。 健康志愿者和HCM 患者18F-FAPI 攝取的示例詳見圖1。

圖1 HCM 患者和健康志愿者的18F-FAPI PET/CT 圖像Fig.118F-FAPI PET/CT images in a patient with HCM and a healthy participantA -C:axial, sagittal, and coronal18F-FAPI PET/CT images of a 22-year-old female with HCM;D-F:axial,sagittal,and coronal18FFAPI PET/CT images of a 24-year-old female healthy participant;HCM:hypertrophic cardiomyopathy;FAPI:fibroblast activation protein inhibitor;PET/CT:positron emission tomography/computed tomography.

表1 HCM 患者和健康志愿者的基線資料、18F-FAPI 攝取情況和CMR 測量參數Tab.1 Baseline characteristics,global18F-FAPI activity and CMR parametersmeasurement of the HCM patients and healthy participants [n(%),M(P25,P75),±s]

表1 HCM 患者和健康志愿者的基線資料、18F-FAPI 攝取情況和CMR 測量參數Tab.1 Baseline characteristics,global18F-FAPI activity and CMR parametersmeasurement of the HCM patients and healthy participants [n(%),M(P25,P75),±s]

Parameter HCM Patients(n=22)Healthy Participants(n=22) P Age/a 48.5 (37.8,57.0) 47.5 (27.3,58.3) 0.488 Gender 0.761 Male 13 (59.1) 12 (54.5)Female 9 (40.9) 10 (45.5)Height/cm 168.0 (164.3,173.0) 164.5 (160.0,175.5) 0.459 Weight/kg 69.1 ± 10.2 65.1 ± 10.5 0.202 Body mass index/(kg·m -2) 24.6 (22.7,26.0) 21.9 (21.1,25.0) 0.091 NYHA classⅠ-Ⅲ 13 (59.1) - -Ⅲ-Ⅳ 9 (40.9) - -Syncope 3 (13.6) 0 (0.0) 0.232 Family history of HCM 14 (63.6) 0 (0.0) ＜0.001 Family history of sudden death 6 (27.3) 0 (0.0) 0.028 18F-FAPI imaging LV-FAPI% 73.77 (49.50,91.25) - -LV-TBRmax 8.96 (6.97,10.21) 1.19 (1.12,1.37) ＜0.001 CMR imaging LV-LGE 6.69 (3.16,14.90) - -LVEF 62.65 ± 10.64 - -LV-EDVi/(mL·m -2) 75.75 (64.74,84.72) - -LV-max thickness/mm 21.50 ± 4.68 - -

For the data in bracket, the continuous variables were expressed as interquartile range, and the categorical variables were expressed as percentage. 18F-FAPI:18F-labeled fibroblast activation protein inhibitor;CMR:cardiac magnetic resonance;HCM: hypertrophic cardiomyopathy;NYHA:New York Heart Association;LV: left ventricle;TBRmax: maximum target-to-background ratio;LGE: late gadolinium enhancement;LVEF: left ventricular ejection fraction;EDVi: end-diastolic volume index.

2.2 HCM 患者組PET/CT 和CMR 的比較

在整體分析中,HCM 患者組左心室心肌18F-FAPI攝取的范圍大于LGE 的范圍(FAPI%vsLGE%,中位數:73.77vs6.69,P＜0.001),詳見圖2。 在LGE陰性的區域也可以觀察到18F-FAPI 攝取,詳見圖3。此外,6 名HCM 患者發現左心室以外心肌的18F-FAPI攝取,詳見圖4。

圖2 22 例HCM 患者18F-FAPI 攝取范圍和LGE 范圍的比較Fig.2 Comparison between18F-FAPI uptake extent andLGE extent in the twenty-two HCM patients18F-FAPI uptake extent was larger than LGE extent, with statistical significance (P＜0.001);n=22;HCM: hypertrophic cardiomyopathy; 18F-FAPI:18F-labeled fibroblast activation protein inhibitor;LGE: late gadolinium enhancement.

圖3 54 歲男性HCM 患者Fig.3 A 54-year-old male diagnosed with HCMA-C:18F-FAPI PET/CT images of basal, mid and apical levels showed myocardial18F-FAPI uptake in the basal anteroseptal wall and mid lateral wall of LV (red arrows);D-F: Short-axis view of basal, mid and apical cine images showed no obvious hypertrophy of the myocardium in the above areas;GI: Short-axis view of basal, mid and apical LGE images showed no obvious LGE of the myocardium in the above areas.HCM: hypertrophic cardiomyopathy;18F-FAPI:18F-labeled fibroblast activation protein inhibitor;PET/CT:positron emission tomography/computed tomography.

圖4 57 歲男性HCM 患者Fig.4 A 57-year-old male diagnosed with HCMA:18F-FAPI PET/CT images showed heterogeneous myocardial uptake in the right ventricular myocardium (red arrows);B-C: Short-axis view of mid and apical LGE images showed no obvious LGE in the above areas;D-F: Long-axis view and short-axis view of mid and apical cine images showed no obvious hypertrophy in the above areas;HCM: hypertrophic cardiomyopathy; 18F-FAPI:18F-labeled fibroblast activation protein inhibitor;PET/CT:positron emission tomography/computed tomography;LGE: late gadolinium enhancement.

在節段分析中,HCM 患者組LGE 陽性節段共有210 個,主要分布在中間段前間隔(n=20, 9.5%)、中間段下間隔(n=19, 9.0%)和中間段下壁(n=18,8.6%)。 以健康志愿者左心室心肌18F-FAPI 攝取強度TBRmax的上限1.93 為閾值,HCM 患者組18F-FAPI陽性節段共有319 個,于16 個心肌節段的分布基本相同(n=19.9 ±2.7)。18F-FAPI 陽性節段的數量大于LGE 陽性節段的數量,且絕大多數LGE 陽性節段包含在18F-FAPI 陽性節段內(n=199,94.8%)。 HCM 患者組LGE 陽性節段、LGE 陰性節段和對照組的18F-FAPI攝取強度差異有統計學意義(P＜0.05),詳見表2。18FFAPI PET/CT 和CMR 參數的相關性分析詳見表3。18FFAPI 攝取的范圍與LGE 的范圍呈中等程度正相關,與LVEF 呈中等程度負相關(P＜0.05)。

表2 HCM 患者LGE 陽性、陰性節段和健康志愿者之間18F-FAPI 攝取的比較Tab.2 Statistical analysis of18F-FAPI activity in positive and negative LGE segments of the HCM patients and healthy participants M(P25,P75)

表3 HCM 患者18F-FAPI 攝取和CMR 參數的相關性分析Tab.3 Correlation analysis between18F-FAPI activity andCMR parameters in the HCM patients

2.3 HCM 患者組PET/CT、CMR 參數與實驗室檢測指標的相關性

PET/CT 的參數FAPI%、TBRmax和CMR 的參數LGE%與實驗室檢測指標的相關性分析詳見表4。18FFAPI 攝取的范圍與血清NT-proBNP、CK-MB 濃度呈中等程度正相關(P＜0.05)。18F-FAPI 攝取的強度、LGE 的范圍與血液學標志物均無相關性(P＞0.05)。

表4 HCM 患者18F-FAPI 攝取、CMR 參數LGE 和實驗室檢測指標的相關性分析Tab.4 Correlation analysis between18F-FAPI activity,LGE and blood tests in the HCM patients

3 討論

在本研究中,筆者探討了HCM 患者和健康志愿者之間18F-FAPI 攝取的差異。 同時,也探討了HCM患者18F-FAPI 攝取與LGE 之間的相關性,來分析兩種顯像方法的關系。 心肌纖維化是HCM 重要的病理學特征,其主要表現為成纖維細胞的活化和細胞外基質的過度沉積,其中成纖維細胞的活化是心肌纖維化的第一步[9]。 在正常狀態下,成纖維細胞存在于心肌細胞的間質中,數量較少且處于靜止狀態。 在HCM 中,肥厚心肌的壁內小血管分布紊亂,易導致心肌缺血,同時肥厚的心肌使得壓力負荷增大。 在缺血、壓力負荷和神經體液等多種因素的刺激下,靜止狀態的成纖維細胞活化增殖并分化為肌成纖維細胞,肌成纖維細胞分泌大量的膠原蛋白和纖維粘連蛋白沉積于細胞外基質,形成病理上的纖維化[10]。 雖然適量的細胞外基質沉積可以修復受損的心肌,避免心臟破裂,但過量的沉積會破壞心肌細胞間的連接結構和連接方式,導致心臟電傳導功能障礙[11]。 同時,過量的細胞外基質沉積也會導致心肌硬度增加,影響心肌收縮和舒張功能。 在本研究中,筆者發現HCM 患者左心室心肌存在明顯的18F-FAPI 攝取,而健康志愿者基本沒有攝取,這說明HCM 患者左心室心肌存在大量活化的成纖維細胞,而健康志愿者的成纖維細胞則處于靜止狀態,從而證實了18F-FAPI PET/CT 識別HCM 患者心肌纖維化初始階段的可行性。

基于CMR 的LGE 技術是目前評估心肌纖維化最常用的無創性檢查方法,其基本原理是利用釓造影劑通過心肌纖維化區域和正常心肌區域速度的快慢來識別。 釓造影劑可以在細胞外空間擴散,但不會穿過細胞,當釓造影劑通過纖維化區域時,由于微血管的紊亂和細胞外基質的過度沉積,使得釓造影劑的通過速度變慢,產生延遲強化[12]。 據統計,超過60%的HCM 患者出現LGE,多表現為肥厚心肌內局灶性或斑片狀強化,尤以室間隔與右室壁交界處最為常見[13-14]。 目前,LGE 技術已經通過組織學證實其識別病理心肌纖維化的準確性,同時也有報道[15-17]顯示LGE 陽性和LGE 的范圍是HCM 患者病死率的獨立預測因子。 在最新的2020 版AHA 和ACC 肥厚型心肌病診療指南[6]中,也將LGE% ≥15 增加為HCM 患者猝死的危險因子。 在本研究中,筆者對HCM 患者左心室18F-FAPI 攝取與LGE 之間的相關性進行了研究,結果顯示18F-FAPI 攝取的范圍與LGE范圍呈中等程度正相關,這說明18F-FAPI PET/CT 識別的心肌纖維化初始階段和LGE 技術識別的病理心肌纖維化形成階段存在一定聯系。 筆者同時注意到,在整體和節段水平,18F-FAPI 識別出的異常心肌范圍均大于LGE。 在LGE 陽性的節段中,絕大多數都有18F-FAPI 攝取,而在LGE 陰性的節段中,也存在著攝取強度高于正常范圍的18F-FAPI 攝取。 這個發現與既往在急性心肌梗死、慢性血栓栓塞性肺動脈高壓中的發現基本一致[4-5]。 筆者認為這是由于18F-FAPI和LGE 識別的是心肌纖維化的不同階段造成的,18FFAPI 識別的是早期活化的成纖維細胞,而LGE 識別的是晚期沉積的細胞外基質。 因此筆者認為,在18FFAPI 攝取增高而LGE 陰性的區域,存在著成纖維細胞的活化和向肌成纖維細胞分化的進程。 如果在這個進程中及時進行抗纖維化干預,將避免進一步發展到不可逆轉的細胞外基質沉積、病理纖維化形成階段。

本研究還顯示,18F-FAPI 攝取的范圍和LVEF 呈中等程度負相關,這說明18F-FAPI 可以在一定程度上反映HCM 患者因心肌肥厚引起的心肌收縮功能減低。 考慮到LGE 范圍的增大和LVEF 的降低都是HCM 患者不良預后的危險因素[6,14,17],筆者認為18FFAPI 也有提供HCM 患者預后信息的可能性,當然,這有待于進一步的臨床隨訪來證實。 NT-proBNP 主要由心肌細胞產生,心室的擴張和室壁應力的增加導致心肌細胞的拉伸增大,促進NT-proBNP 釋放增多,因此臨床上多用來評估患者心力衰竭的嚴重程度[18-19]。 CK-MB 是肌酸激酶同工酶中的一種,主要分布于心肌。 當心肌細胞處于缺氧狀態時,細胞膜的通透性增加,CK-MB 由細胞內釋放進入血液,因此CK-MB 是反映早期心肌缺血的重要指標[20]。 本研究顯示18F-FAPI 攝取的范圍和血液學標志物NTproBNP、CK-MB 呈中等程度正相關,而LGE 的范圍和血液學標志物均無相關性,這說明18F-FAPI 可以比LGE 更靈敏的反映HCM 患者潛在的心肌缺血和心力衰竭風險,也從側面證明了18F-FAPI 顯像的早期診斷價值。

本研究存在一定的局限性。 首先,入組的病例數量較少,需要擴充病例數量來進一步驗證18F-FAPI 攝取和LGE 的相關性。 其次,本研究沒有進行心內膜活檢,無法在組織學上將18F-FAPI 攝取的活性和成纖維細胞活化的程度聯系起來。 再次,本研究時間跨度較短,HCM 患者的病程進展又相對緩慢,現階段無法確定18F-FAPI 攝取是否能預測HCM 患者的預后情況。

綜上,本課題組初步研究表明,18F-FAPI PET/CT可以應用于評估HCM 患者的心肌纖維化,并與CMR 的結果呈中等相關。18F-FAPI PET/CT 可以識別出更多受累心肌,有利于指導臨床抗心肌纖維化的治療。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明楊敏福、王麗:提出研究思路,設計研究方案;張雨、董志翔:資料收集和數據處理;張雨、李常城:數據統計分析;張雨:論文撰寫;楊敏福:總體把關,審定論文。