Sažetak Structural myocardial alterations are key factor in heart failure, which is one of the leading causes of morbidity and mortality worldwide. Structural myocardial alterations are assessed in research and clinical medicine by different imaging modalities, however no imaging method can simultaneously show changes to both cardiomyocytes and whole organ level.
Translational outlook encompasses use of X-PCI in acute cellular rejection grading in patients following heart transplantation, and comparison of this imaging method to classical histopathology. Furthermore, X-PCI enabled identification of structural alterations and normal anatomical features in full-thickness myocardial samples collected during heart transplantation or left ventricular assist device implantation. As a final step, synchrotron X-rays features were mimicked using conventional X-ray source in laboratory setting. Spatial resolution of 21 μm was achieved what is comparable to resolution achieved by light microscopy at low magnification.
With this research we have showed utility of a novel research imaging methodsynchrotron X-ray phase contrast imaging in analysis of myocardial structure, and showed its potential in clinical practice.
Sažetak (hrvatski) Zatajivanje srca je vodeći globalni uzrok morbiditeta i mortaliteta. Remodelacija srca je zajednički odgovor kardiomiocita, miokarda i srca kao organa na patofiziološke procese koji dovode do zatajivanja srca. Ovi procesi dovode do promjena veličine, mase, geometrije, orijentacije vlakana i konačno funkcije srca i značajnu utječu na ishode bolesnika. U kliničkoj medicini posljedice remodelacije procjenjujemo različitim dijagnostičkim slikovnim metodama. Histopatologija se rijetko koristi u kliničkom prosuđivanju remodelacije miokarda, no ostaje zlatni standard u znanstvenom istraživanju strukture tkiva i stanica.
Konvencionalne radiološke metode se koriste u različitim kliničkim i istraživačkim scenarijima. Zahvaljujući razvoju treće generacije postrojenja za proizvodnu X-zraka sinkrotronom (velika visokospecijalizirana postrojenja koja koriste linearne akceleratore i usmjerujuće magnete), visoka briljantnost i visoka koherentnost X-zračenja se može iskoristiti za postizanje visoke prostorne i vremenske rezolucije. Tradicionalne apsorpcijske slikovne metode su proširene faznim-kontrastom i pojačanjem kontrasta rubova, te se općenito nazivaju fazno-kontrastno oslikavanje X-zrakama. Posljednjih godina, oslikavanje X-zrakama proizvedenim sinkrotronom se pokazalo kao vrijedan alat u oslikavanju životinjskih i ljudskih
uzoraka. Nekoliko istraživačkih grupa u svijetu koristi ovu metodu u analizi srčane mikrostrukture.
U našem istraživanju uloge fazno-kontrastnog oslikavanja X-zrakama proizvedenimsinkrotronom u analizi strukture miokarda usredotočili smo se na sveobuhvatnost metode, snaglaskom na translacijsko istraživanje sa životinjskog modela na ljudski uzorak, a kako bibolje razumjeli strukturne promjene miokarda u podlozi zatajivanja srca.
Prvom etapom istraživanja je kvantificirana remodelacija miokarda u životinjskom modelu ishemijske bolesti srca. Eksperiment u kojem se koristilo fazno-kontrastno oslikavanje X-zrakama je proveden na istraživačkoj stanici TOMCAT postrojenja Swiss Light Source u Švicarskoj Federaciji. Eksperimentom je životinjski uzorak potpuno osvjetljen X-zrakama u
dvije konfiguracije. Konfiguracija niske rezolucije je stvorila slikovne zapise veličine 5.8 um piksela, a konfiguracija visoke rezolucije slikovne zapise veličine 0.65 um piksela. Koristeći slikovne podatke, izračunati su volumeni lijeve klijetke i miokarda lijeve klijetke, debljina miokarda lijeve klijetke i poprečni presjek segmentiranih kardiomiocita, analizirana je orijentacija mišićnih vlakana i vizualizirana vaskulatura. Isti životinjski uzorci su analizirani histopatološki radi verifikacije.
Druga etapa istraživanja je uključivala uzorke ljudskog miokarda i sastojala se od dva dijela: analize uzoraka ljudskog miokarda dobivenih endomiokardijalnom biopsijom u redovnom praćenju bolesnika nakon transplantacije srca, i analize uzoraka ljudskog miokarda dobivenih tijekom kardiokirurškog zahvata transplantacije srca ili implantacije mehaničke cirkulacijske potpore.
U prvom dijelu druge etape istraživanja korišteni su endomiokardijalni uzroci 23 bolesnika u redovnom praćenju nakon transplantacije srca za usporedbu procjene akutnog staničnog odbacivanja fazno-kontrastnim oslikavanjem X-zrakama i klasičnom histopatologijom. Dokazana je značajna podudarnost između stupnja odbacivanja procjenjenog dvodimenzijskom i trodimenzijskom virtualnom histologijom fazno-kontrastnim X-zrakama i klasične histpatologije, s najboljom podudarnošću u razlikovanju bolesnika koji su zahtjevali liječenje odbacivanja. Dodatna korist metode je dokazana mogućnošću trodimenzijske analize cijelog uzorka čime je poboljšano prepoznavanje pojedinih elemenata uzorka, poput Quiltijeve lezije.
U drugom dijelu druge etape istraživanja, korišteni su uzorci pune debljine miokarda, a dokazano je da oslikavanje niskom rezolucijom omogućuje prepoznavanje morfoloških karakteristika pojedinih dijelova srca, dok oslikavanje visokom rezolucijom omogućuje komparativnu slikovnu analizu tkivnih razlika različitih etiologija zatajivanja srca, otvarajući nove mogućnosti daljnjeg istraživanja.
Trećom etapom istraživanja obuhvaćena je translacija metodologije fazno-kontrastnog oslikavanja X-zrakama proizvedenim sinktroronom iz velikih postrojenja u stolne uređaje, a što bi potencijalno moglo omogućiti i transfer metode iz istraživačke u kliničku sredinu. Slikovni podatci prikupljeni ovom metodom prikazuju histopatološke karakteristike na razini niskog
povećanja svjetlosnom mikroskopijom. Navedena razina povećanja omogućuje razlikovanje nekontraktilnog i kontraktilnog miokarda, kao i orijentaciju unutar srčanog tkiva u smislu endokarda i epikarda, no nije moguće raspoznavanje pojedinačnih mišićnih vlakana ili kardiomiocita.
Fazno-kontrastno oslikavanje X-zrakama proizvedenim sinkrotronom je nova, neinvazivna i nedestruktivna slikovna metoda koja ne zahtjeva posebnu pripremu, a omogućuje trodimenzijsku analizu miokarda. Dokazana je izvedivost i sveobuhvatnost metode u kvantifikaciji remodelacije miokarda u životinjskom modelu ishemijske bolesti srca. Kao translacijski korak, prvi put smo koristili ovu metodu za procjenu stupnja staničnog odbacivanja u bolesnika nakon transplantacije srca, i usporedili je s klasičnom histopatologijom.
Prepoznavanje strukturnih promjena, kao i normalnih anatomskih karakteristika ljudskih uzoraka pune debljine stijenke je također moguće ovom metodom. U završnom dijelu, translacija metode prema kliničkoj praksi je istraživana postizanjem karakteristika X-zraka dobivenih sinktroronom uređajem koji koristi konvencionalni izvor zračenja, te je postignuta prostorna rezolucija od 21μm, a što je komparabilno s malim povećanjem svjetlosnog mikroskopa.
Ključne riječi
Animals
Coronary Vessels / diagnostic imaging
Diagnostic Imaging / methods
Disease Models
Animal
Image Processing
Computer-Assisted
Imaging
Three-Dimensional
Male
Microscopy
Phase-Contrast
Myocardial Ischemia / diagnostic imaging
Myocardial Ischemia / pathology
Myocardial Ischemia / therapy
Percutaneous Coronary Intervention
Rats
Synchrotrons
Ventricular Remodeling
X-Rays
Ključne riječi (hrvatski)
Životinje
Koronarne žile / slikovna dijagnostika
Dijagnostička slika / metode
Modeli bolesti
životinje
Muški
Ishemija miokarda / slikovna dijagnostika
Ishemija miokarda / patologija
Ishemija miokarda / terapija
Štakori
Ventrikularno preoblikovanje
X-zrake
