肥厚型心肌病18F-FAPI PET/CT显像的初步探索:与心脏磁共振比较

张 雨董志翔李常城王 丽杨敏福*

(1.首都医科大学附属北京朝阳医院核医学科,北京100020;2.中国医学科学院阜外医院磁共振影像科 国家心血管病中心 北京协和医学院, 北京100037;3.泰安市中心医院医学影像科,山东泰安271099)

肥厚型心肌病(hypertrophic cardiomyopathy,HCM)是一种常见的染色体显性遗传病,人群发病率约为1/500[1]。 HCM 的特征为心肌的非对称性肥厚,以室间隔最为常见。 HCM 的主要临床表现为胸痛、劳力性呼吸困难、心悸、昏厥等。 虽然大部分HCM 患者症状较轻或者无任何症状,但一些年轻患者则可能以心源性猝死(sudden cardiac death, SCD)为首发症状[2]。

心肌纤维化是HCM 重要的病理学特征,也是HCM 患者发生SCD 和不良心脏重构的重要病理学基础[1,3]。 心内膜活检是评估心肌纤维化的金标准,但因其为有创性检查,不适合临床推广。 目前临床评估心肌纤维化最常用的方法是心脏磁共振(cardiac magnetic resonance, CMR)的延迟强化(late gadolinium enhancement, LGE)技术,但是LGE 技术识别的心肌纤维化已经处于不可逆转的状态,无法在纤维化形成之前或形成初期指导抗纤维化治疗。 最近的研究[4-5]显示,活化的成纤维细胞特异性表达成纤维细胞激活蛋白(fibroblast activation protein,FAP),并可以通过成纤维细胞活化蛋白抑制剂(fibroblast activation protein inhibitor, FAPI)正电子发射型计算机断层扫描显像/电子计算机断层显像(positron emission tomography/computed tomography,PET/CT)对活化的成纤维细胞进行可视化,从而识别心肌纤维化的初始阶段。 目前已有利用FAPI 成像识别急性心肌梗死、慢性血栓栓塞性肺动脉高压等疾病中成纤维细胞活化的报道[4-5]。本研究旨在通过分析HCM 患者18F-FAPI PET/CT 参数、CMR 参数和血液学标志物之间的关系,探讨18FFAPI PET/CT 评估HCM 患者心肌纤维化的可行性与诊断效能。

1 对象与方法

1.1 研究对象

前瞻性纳入2021 年5 月至2022 年1 月于首都医科大学附属北京朝阳医院、中国医学科学院阜外医院经超声或CMR 证实的成年HCM 患者共22 名。HCM 的诊断标准参考2020 版美国心脏协会(American Heart Association, AHA)和美国心脏病学会(American College of Cardiology, ACC)HCM 诊断和治疗指南[6]:①左心室任何部位的最大舒张末期厚度≥15 mm,且没有其他导致心肌肥厚的原因;②如果患者基因检测阳性或者有HCM 家族史,则心肌厚度≥13 mm 也可以诊断HCM。 入组的22 名HCM 患者平均年龄(48.5 ± 13.6) 岁,其中男性患者13 例(59.1%)。 13 例HCM 患者(59.1%)的纽约心脏协会(New York Heart Association, NYHA)分级为Ⅰ～Ⅱ级,其余9 例患者(40.9%)的NYHA 分级为Ⅲ～Ⅳ级。 有3 例(13.6%)HCM 患者出现过昏厥的症状,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 检查和CMR 检查,并于CMR 时抽取静脉血行实验室检查。 对照组纳入22 名与HCM 组年龄、性别相符的健康志愿者,仅行18F-FAPI PET/CT。本研究通过首都医科大学附属北京朝阳医院伦理委员会审批(审批号:2021-ke-387),所有患者检查前均签署知情同意书。

1.2 PET/CT 检查方法及数据处理

18F-FAPI 的制备参考既往报道[7]的方法进行。每位HCM 患者经肘静脉注射18F-FAPI 2.5 ～3.5 MBq/kg,并于注射后1 h 行胸部PET/CT 显像。PET/CT 检查使用16 层PET/CT 扫描仪(Discovery STE, GE 医疗公司, 美国),基本扫描参数如下:管电压=140 kV; 管电流=120 mA; 层厚=5 mm;螺距=1.375。 对于HCM 患者,以三维模式采集两个床位的胸部PET 图像,5 min/床位。 对于健康志愿者,以三维模式采集全身PET 图像,范围为颅顶至股骨中上段,2.5 min/床位。 对采集的PET 图像使用CT 图像进行衰减校正,并以有序子集最大期望值算法重建,共经2 次迭代得出14 个子集。

PET/CT 图像分析包括整体分析和节段分析。整体分析使用MEMRS 工作站(中国MedEx 公司),在PET/CT 融合图像上手工勾画左心室心肌,获得感兴趣区内的最大标准摄取值(maximum standardized uptake value, SUVmax),将摄取大于SUVmax值40%的心肌定义为摄取心肌,并获得摄取心肌的体积[8]。左心室摄取心肌的体积与CMR 获得的左心室体积的比值,定义为左心室18F-FAPI 摄取百分比(FAPI%),表示18F-FAPI 摄取的范围。 左心室最大靶本底比值(maximum target-to-background ratio, TBRmax)则定义为感兴趣区内SUVmax和血池平均标准摄取值(mean standardized uptake value, SUVmean)的比值,表示18FFAPI 摄取的强度。18F-FAPI 摄取强度的正常值定义为健康志愿者TBRmax的平均值增加或减小2 个标准差以内,18F-FAPI 摄取强度大于平均值增加6 个标准差定义为明显的摄取。 节段分析使用Xeleris 工作站(GE 医疗公司, 美国),采用AHA 左心室17 心肌节段模型,获得每个节段的左心室SUVmax百分比,并通过该百分比和左心室TBRmax的乘积,获得每个节段的TBRmax值,表示节段18F-FAPI 摄取的强度。

1.3 CMR 检查方法及数据处理

CMR 检查使用3.0T MR 扫描仪(Philips Healthcare 公司, 荷兰),并使用心脏专用相控阵表面线圈,扫描序列包括电影序列和LGE 序列。 电影序列扫描使用平衡稳态自由进动序列(balanced steady-statefree-precession, bSSFP),扫描层面包括左心室两腔心、四腔心、左心室流出道及左心室短轴层面,扫描参数如下:重复时间=2.8 ms;回波时间=1.4 ms;翻转角=45°;接收带宽=1 700 Hz;时间分辨率=34 ～46 ms。 LGE 序列扫描使用相位敏感反转恢复序列(phase sensitive inversion recovery, PSIR),造影剂使用钆喷酸葡胺(Bayer 公司, 德国),并使用高压注射器经肘静脉注射,剂量为0.15 mmol/kg。 注射造影剂后10 ～15 min 进行扫描,扫描层面包括左心室两腔心、四腔心及左心室短轴层面。

CMR 图像分析在Cvi42 工作站(Circle Cardiovascular Imaging 公司,加拿大)上进行,通过软件手动勾画左心室短轴层面舒张末期和收缩末期的心内膜和心外膜,软件自动计算获得左心室舒张末期室壁厚度、左心室舒张末期心肌质量及体积、左心室射血分数(left ventricular ejection fraction, LVEF)和左心室舒张末期容积指数(end-diastolic volume index, EDVi)。 LGE 按照心肌的信号强度大于同一层面正常心肌信号强度6 个标准差及以上为标准计算,LGE 的范围定义为LGE 区域的心肌质量与左心室舒张末期心肌质量的比值(LGE%),并获得每个节段的LGE%,节段LGE ≥1%定义为LGE 阳性节段。 在18F-FAPI和CMR 的节段分析中,去除心尖节段。 同一测量者前后两次测量HCM 患者整体FAPI%、TBRmax和LGE%的组内相关系数(intraclass correlation coefficient, ICC)值分别为0.927、0.887 和0.950,测量节段TBRmax和LGE% 的ICC 值分别为0.943、0.944。不同测量者测量HCM 患者整体FAPI%、TBRmax和LGE%的ICC 值分别为0.899、0.885 和0.949,测量节段TBRmax和LGE%的ICC 值分别为0.924,0.915。

1.4 实验室检查

HCM 患者于CMR 检查时抽取静脉血行血液学标志物检查,包括N 末端B 型利钠肽原(N-terminal pro-B-type natriuretic peptide, NT-proBNP)、肌酸激酶同工酶(creatine kinase-MB, CK-MB)、肌红蛋白(myoglobin, MYO)和超敏C 反应蛋白(high-sensitivity Creactive protein, hs-CRP)。

1.5 统计学方法

统计学分析使用SPSS 23.0 统计学软件处理数据,符合正态分布的计量资料以均数±标准差(±s)表示,非正态分布的计量资料以中位数(四分位数)表示。 满足正态分布且方差齐性的两组均数采用t检验比较,多组均数比较使用ANOVA 检验。 不满足正态分布或方差不齐的两组数据采用Mann-WhitneyU检验比较,多组数据使用Kruskal - Wallis 检验比较。 计数资料计算百分率,组间率比较采用χ2检验或确切概率法。 相关性分析使用 Pearson 或Spearman 相关性分析。 使用ICC 值评估不同测量者和同一测量者前后两次测量的差异。 以P＜0.05 为差异有统计学意义。

2 结果

2.1 HCM 患者组与对照组基线资料比较

HCM 患者组与对照组的基线资料详见表1。 两组对象的年龄、性别、身高、体质量、体质量指数差异均无统计学意义(P＞0.05)。 在PET/CT 参数的测量中,由于健康志愿者未行CMR 检查,因此无法获得18F-FAPI 摄取范围,只能获得18F-FAPI 摄取强度。健康志愿者的左心室心肌18F-FAPI 摄取强度较低,18F-FAPI摄取强度的正常范围为0.65 ～1.93;HCM 患者的左心室心肌发现明显的18F-FAPI 摄取,两组间差异有统计学意义(P＜0.05)。 健康志愿者和HCM 患者18F-FAPI 摄取的示例详见图1。

图1 HCM 患者和健康志愿者的18F-FAPI PET/CT 图像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线资料、18F-FAPI 摄取情况和CMR 测量参数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线资料、18F-FAPI 摄取情况和CMR 测量参数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 患者组PET/CT 和CMR 的比较

在整体分析中,HCM 患者组左心室心肌18F-FAPI摄取的范围大于LGE 的范围(FAPI%vsLGE%,中位数:73.77vs6.69,P＜0.001),详见图2。 在LGE阴性的区域也可以观察到18F-FAPI 摄取,详见图3。此外,6 名HCM 患者发现左心室以外心肌的18F-FAPI摄取,详见图4。

图2 22 例HCM 患者18F-FAPI 摄取范围和LGE 范围的比较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.

图3 54 岁男性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.

图4 57 岁男性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.

在节段分析中,HCM 患者组LGE 阳性节段共有210 个,主要分布在中间段前间隔(n=20, 9.5%)、中间段下间隔(n=19, 9.0%)和中间段下壁(n=18,8.6%)。 以健康志愿者左心室心肌18F-FAPI 摄取强度TBRmax的上限1.93 为阈值,HCM 患者组18F-FAPI阳性节段共有319 个,于16 个心肌节段的分布基本相同(n=19.9 ±2.7)。18F-FAPI 阳性节段的数量大于LGE 阳性节段的数量,且绝大多数LGE 阳性节段包含在18F-FAPI 阳性节段内(n=199,94.8%)。 HCM 患者组LGE 阳性节段、LGE 阴性节段和对照组的18F-FAPI摄取强度差异有统计学意义(P＜0.05),详见表2。18FFAPI PET/CT 和CMR 参数的相关性分析详见表3。18FFAPI 摄取的范围与LGE 的范围呈中等程度正相关,与LVEF 呈中等程度负相关(P＜0.05)。

表2 HCM 患者LGE 阳性、阴性节段和健康志愿者之间18F-FAPI 摄取的比较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 摄取和CMR 参数的相关性分析Tab.3 Correlation analysis between18F-FAPI activity andCMR parameters in the HCM patients

2.3 HCM 患者组PET/CT、CMR 参数与实验室检测指标的相关性

PET/CT 的参数FAPI%、TBRmax和CMR 的参数LGE%与实验室检测指标的相关性分析详见表4。18FFAPI 摄取的范围与血清NT-proBNP、CK-MB 浓度呈中等程度正相关(P＜0.05)。18F-FAPI 摄取的强度、LGE 的范围与血液学标志物均无相关性(P＞0.05)。

表4 HCM 患者18F-FAPI 摄取、CMR 参数LGE 和实验室检测指标的相关性分析Tab.4 Correlation analysis between18F-FAPI activity,LGE and blood tests in the HCM patients

3 讨论

在本研究中,笔者探讨了HCM 患者和健康志愿者之间18F-FAPI 摄取的差异。 同时,也探讨了HCM患者18F-FAPI 摄取与LGE 之间的相关性,来分析两种显像方法的关系。 心肌纤维化是HCM 重要的病理学特征,其主要表现为成纤维细胞的活化和细胞外基质的过度沉积,其中成纤维细胞的活化是心肌纤维化的第一步[9]。 在正常状态下,成纤维细胞存在于心肌细胞的间质中,数量较少且处于静止状态。 在HCM 中,肥厚心肌的壁内小血管分布紊乱,易导致心肌缺血,同时肥厚的心肌使得压力负荷增大。 在缺血、压力负荷和神经体液等多种因素的刺激下,静止状态的成纤维细胞活化增殖并分化为肌成纤维细胞,肌成纤维细胞分泌大量的胶原蛋白和纤维粘连蛋白沉积于细胞外基质,形成病理上的纤维化[10]。 虽然适量的细胞外基质沉积可以修复受损的心肌,避免心脏破裂,但过量的沉积会破坏心肌细胞间的连接结构和连接方式,导致心脏电传导功能障碍[11]。 同时,过量的细胞外基质沉积也会导致心肌硬度增加,影响心肌收缩和舒张功能。 在本研究中,笔者发现HCM 患者左心室心肌存在明显的18F-FAPI 摄取,而健康志愿者基本没有摄取,这说明HCM 患者左心室心肌存在大量活化的成纤维细胞,而健康志愿者的成纤维细胞则处于静止状态,从而证实了18F-FAPI PET/CT 识别HCM 患者心肌纤维化初始阶段的可行性。

基于CMR 的LGE 技术是目前评估心肌纤维化最常用的无创性检查方法,其基本原理是利用钆造影剂通过心肌纤维化区域和正常心肌区域速度的快慢来识别。 钆造影剂可以在细胞外空间扩散,但不会穿过细胞,当钆造影剂通过纤维化区域时,由于微血管的紊乱和细胞外基质的过度沉积,使得钆造影剂的通过速度变慢,产生延迟强化[12]。 据统计,超过60%的HCM 患者出现LGE,多表现为肥厚心肌内局灶性或斑片状强化,尤以室间隔与右室壁交界处最为常见[13-14]。 目前,LGE 技术已经通过组织学证实其识别病理心肌纤维化的准确性,同时也有报道[15-17]显示LGE 阳性和LGE 的范围是HCM 患者病死率的独立预测因子。 在最新的2020 版AHA 和ACC 肥厚型心肌病诊疗指南[6]中,也将LGE% ≥15 增加为HCM 患者猝死的危险因子。 在本研究中,笔者对HCM 患者左心室18F-FAPI 摄取与LGE 之间的相关性进行了研究,结果显示18F-FAPI 摄取的范围与LGE范围呈中等程度正相关,这说明18F-FAPI PET/CT 识别的心肌纤维化初始阶段和LGE 技术识别的病理心肌纤维化形成阶段存在一定联系。 笔者同时注意到,在整体和节段水平,18F-FAPI 识别出的异常心肌范围均大于LGE。 在LGE 阳性的节段中,绝大多数都有18F-FAPI 摄取,而在LGE 阴性的节段中,也存在着摄取强度高于正常范围的18F-FAPI 摄取。 这个发现与既往在急性心肌梗死、慢性血栓栓塞性肺动脉高压中的发现基本一致[4-5]。 笔者认为这是由于18F-FAPI和LGE 识别的是心肌纤维化的不同阶段造成的,18FFAPI 识别的是早期活化的成纤维细胞,而LGE 识别的是晚期沉积的细胞外基质。 因此笔者认为,在18FFAPI 摄取增高而LGE 阴性的区域,存在着成纤维细胞的活化和向肌成纤维细胞分化的进程。 如果在这个进程中及时进行抗纤维化干预,将避免进一步发展到不可逆转的细胞外基质沉积、病理纤维化形成阶段。

本研究还显示,18F-FAPI 摄取的范围和LVEF 呈中等程度负相关,这说明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缩功能减低。 考虑到LGE 范围的增大和LVEF 的降低都是HCM 患者不良预后的危险因素[6,14,17],笔者认为18FFAPI 也有提供HCM 患者预后信息的可能性,当然,这有待于进一步的临床随访来证实。 NT-proBNP 主要由心肌细胞产生,心室的扩张和室壁应力的增加导致心肌细胞的拉伸增大,促进NT-proBNP 释放增多,因此临床上多用来评估患者心力衰竭的严重程度[18-19]。 CK-MB 是肌酸激酶同工酶中的一种,主要分布于心肌。 当心肌细胞处于缺氧状态时,细胞膜的通透性增加,CK-MB 由细胞内释放进入血液,因此CK-MB 是反映早期心肌缺血的重要指标[20]。 本研究显示18F-FAPI 摄取的范围和血液学标志物NTproBNP、CK-MB 呈中等程度正相关,而LGE 的范围和血液学标志物均无相关性,这说明18F-FAPI 可以比LGE 更灵敏的反映HCM 患者潜在的心肌缺血和心力衰竭风险,也从侧面证明了18F-FAPI 显像的早期诊断价值。

本研究存在一定的局限性。 首先,入组的病例数量较少,需要扩充病例数量来进一步验证18F-FAPI 摄取和LGE 的相关性。 其次,本研究没有进行心内膜活检,无法在组织学上将18F-FAPI 摄取的活性和成纤维细胞活化的程度联系起来。 再次,本研究时间跨度较短,HCM 患者的病程进展又相对缓慢,现阶段无法确定18F-FAPI 摄取是否能预测HCM 患者的预后情况。

综上,本课题组初步研究表明,18F-FAPI PET/CT可以应用于评估HCM 患者的心肌纤维化,并与CMR 的结果呈中等相关。18F-FAPI PET/CT 可以识别出更多受累心肌,有利于指导临床抗心肌纤维化的治疗。

利益冲突所有作者均声明不存在利益冲突。

作者贡献声明杨敏福、王丽:提出研究思路,设计研究方案;张雨、董志翔:资料收集和数据处理;张雨、李常城:数据统计分析;张雨:论文撰写;杨敏福:总体把关,审定论文。