Icke-invasiv bedömning av Microvascular och endotelfunktion

Summary

Capillaroscopy är en icke-invasiv, relativt billig metod för direkt visualisering av mikrocirkulationen. Underarmen blodflödet teknik ger god icke-invasiva åtgärder endotelfunktion.

Abstract

Författarna har använt capillaroscopy och underarm tekniker blodflödet för att undersöka vilken roll mikrovaskulära dysfunktion i patogenes av hjärt-kärlsjukdom. Capillaroscopy är en icke-invasiv, relativt billig metod för direkt visualisering av mikrocirkulationen. Procent kapillär rekrytering bedöms genom att dividera ökningen kapillärtäthet inducerad av postocclusive reaktiv hyperemi (postocclusive reaktiv hyperemi kapillär densitet minus baslinjen kapillär densitet), av den maximala kapillär densitet (observerats under passiv venös ocklusion). Procent perfusion kapillärer representerar andelen av alla kapillärer närvarande som perfusion (funktionellt aktiv), och beräknas genom att dividera postocclusive reaktiv hyperemi kapillär densitet av den maximala kapillär densitet. Både procent kapillär rekrytering och procent perfusion kapillärer återspegla antalet funktionella kapillärer. Underarmen blodflödet (FBF) teknik provides accepterade icke-invasiva åtgärder för endotelfunktion: Förhållandet FBF _max / FBF _bas beräknas som en uppskattning av vasodilatation, genom att dividera medelvärdet av de fyra FBF _max värden genom medelvärdet av de fyra FBF _{grundvärdena.} Underarm kärlmotstånd vid maximal vasodilatation (FVR _max) beräknas som medelartärtryck (MAP) dividerat med FBF _max. Både capillaroscopy och tekniker underarm är lätt accepteras av patienter och kan lära sig snabbt.

Den mikrovaskulära och endotelfunktion åtgärder erhålls med de metoder som beskrivs i detta dokument kan vara framtida nyttan i kliniska patienter kardiovaskulära riskbegränsande strategier. Som vi har publicerat rapporter som visar att mikrovaskulära och endoteldysfunktion finns i inledningsskedet av högt blodtryck, inklusive prehypertension kan mikrovaskulära och endotelfunktion stödåtgärderna slutligen i tidig identifiering, Risk-stratifiering och förebyggande av slutstadiet vaskulär patologi, med potentiellt ödesdigra konsekvenser.

Protocol

Fall Presentation (krävs, om tillämpligt): NA, detta är fortfarande en experimentell forskning förfarande, som ännu inte använts kliniskt.

Diagnos, bedömning och plan (obligatoriskt, om tillämpligt): NA, detta är fortfarande en experimentell forskning förfarande, som ännu inte använts kliniskt.

Tillvägagångssätt (obligatoriskt): Denna del bör innehålla en steg-för-steg beskrivning av relevanta förfaranden som uppfyller riktlinjerna nedan.

1. Kapillär Mikroskopi (figur 1)

1. Vår capillaroscopy tekniken anpassats från Serne och hans kollegor ^1. Ett undantag kriterium för denna procedur är kollagen kärlsjukdom, eftersom kollagen kärlsjukdom producerar kända kapillär förändringar ^2.
2. Efter en minst 10-tim natts fasta och 20 min av sittande vila, är mikrovaskulära mätningar genomförs för en halvtimme mellan 7och 11 am, på en lugn, temperaturkontrollerad rum (hålls mellan 21,5-22,5 ° C), med motivet i sittande ställning och den vänstra handen på hjärtat.
3. Nailfold kapillärer i den dorsala huden på tredje fingret visualiseras med ett stereomikroskop (Olympus, Center Valley, PA), kopplad till en 4 megapixel SPOT Insight svartvitt digitalkamera (modell nummer i-1400: diagnostiska instrument, Sterling Heights, MI), och en bärbar dator (Dell Latitude D600: Dell, Austin, TX). För att begränsa rörelse, är den vänstra handen och underarmen löst täckt med en vikt filt, och vilade på en annan vikta filt placerad vid basen av mikroskopet.
4. Nailbed belysning uppnås med en 250-W halogen fiberoptisk lampa (KL 2500LCD: Schott-Fostec, Elmsford, NY), ytterligare belysning från en kompletterande 150W fiberoptisk halogen ljuskälla (B & B Mikroskop, Ltd, Warrendale, PA) används i mörkt pigmenterade individer.
5. För att visualisera kapillärerna, de3,2 x objektiv (Olympus 3.2/0.07) används med en total system för förstoring av 38.4x.
6. Använda programvara SPOT avbildning som med kameran, ljus / mörker kontrast i kapillära fotografierna förbättras med samma standardprogram funktion SPOT programvara (stretching av ljusa och mörka nivåer) för att maximera synligheten av kapillärerna i alla ämnen.
7. För att kvantifiera kapillär densitet är digitala mikrofotografier tas varje 3-5 sekund under vart och ett av tre steg, vid vila baslinjen under postocclusive reaktiv hyperemi och under venös ocklusion. (A) Vid vila baslinjen är mikrofotografier tagit över en tre-minuters tid för att upptäcka kapillärer perfusion i vila. (B) Under postocclusive reaktiv hyperemi är mikrofotogram tas för att kvantifiera funktionellt perfusion kapillärer (baslinje plus reserv kapillärer), enligt följande. Först en ocklusion manschetten på vänster överarm uppblåst till 40 mm Hg över det systoliska trycket under 10 min. Mikrofotografier sedan tas under the första minuten omedelbart efter lanseringen av arteriell ocklusion, visualisera alla funktionellt perfusion kapillärer. Lägre kapillär densitet efter reaktiv hyperemi visar nedsatt funktionell kapillär rekrytering och därför funktionellt förtunning. (C) Under venös ocklusion mikrofotogram tas för att kvantifiera maximal kapillär densitet, vilket omfattar både perfusion (med aktiv röda blodkroppar (RBC) rörelse) och nonperfused (fylld med stillastående, icke-rörliga RBC) kapillärer ³ enligt följande. Efter tio minuters vila efter postocclusive reaktiv hyperemi förfarande, manschetten blåses till 60 mm Hg för 60 sekunder, passivt tvingar blod i alla patent kapillärer närvarande och mikrofotografier togs under denna tid. Eftersom maximal kapillär densitet inkluderar alla kapillärer strukturellt närvarande, en minskning av maximal kapillär densitet indikerar strukturell förtunning.
8. Kapillär densitet definieras som antalet kapillärer per kvadrat millimeter av nailfold hud och beräknas som medelvärdet av fyra mätningar som erhållits från de fyra mest tydligt fokuserade bilder, minst snedvrids av rörelse. I våra studier har typiska värden för kapillär räknas (kapillärerna / mm ²⁾ varit 55-80 för baslinjen, 65-90 för post-ischemisk och 90-105 för venös ocklusion. Värden för procent kapillär rekrytering är vanligtvis mellan 5% och 25% (medelvärde ~ 10-15%) och för procent perfusion kapillärer mellan 70% och 95% (medelvärde ~ 80-90%), med värden är lägre bland blodtryckssänkande än normotensives. Den reproducerbarhet räkna förfarande har verifierats med tre observatörer som utfört oberoende manuella bedömningar av fotografier av 10 olika ämnen (Figur 2). Observatörerna var förblindade till identitet och blodtrycket i dessa ämnen. Efter utbildning visade senare räknas som utförs självständigt en hög grad av enighet. Genomsnittlig inter-rater och inom rater avvikelser var av OrdeR av 2-3 kapillärer / mm ^2, och intraclass korrelationskoefficienterna var alla större än 0,90. Kortsiktiga variation av capillaroscopy åtgärderna var av samma storleksordning som inter-rater och inom rater skillnader (ungefär 2 kapillärerna / mm ^2), men på längre sikt variation observerades under 2-3 år var en storleksordning större (ungefär 15 kapillärer / mm ^2), vilket indikerar att längsgående förändringar lätt kan särskiljas från variationer bedömare. Tillförlitligheten i två kapillära funktionen åtgärderna var också hög (intraclass korrelationskoefficient = 0,84 för procent kapillär rekrytering och 0,82 för procent perfusion kapillärer).

9. Utredarna använder nu ett datorbaserat metod för kvantifiering av kapillär densitet med hjälp av Image-Pro Plus bildprogram (version 6,2, Media Cybernetics, Inc., Bethesda, MD: figur 3). Pearson korrelationer mellan baslinjen, efter ischemisk och venooss överbelastning räknas gjort med mjukvaran och motsvarande manuella räkningar i 10 försökspersoner 0,78, 0,78 och 0,71 respektive (alla p <0,05), vilket tyder på skälig överenskommelse mellan de två metoderna. Tillförlitlighet datorbaserade räknas är något lägre än för manuella räknas men fortfarande hög (intraclass korrelationskoefficient = 0,91 för baslinjen, 0,86 för post-ischemisk och 0,84 för venös ocklusion). Vi har opublicerade data också visar associationen av automatiserade räknar med flera kardiovaskulära riskfaktorer inklusive högt blodtryck, som vi nu förbereder för publicering.

10. Tabell 1 sammanfattar de kapillära densitet mätningar och beräkningar. Procent kapillär rekrytering bedöms genom att dividera ökningen kapillärtäthet inducerad av postocclusive reaktiv hyperemi (postocclusive reaktiv hyperemi kapillär densitet minus baslinjen kapillär densitet), av den maximala kapillär densitet (observerades under passiv venooss ocklusion). Procent perfusion kapillärer representerar andelen av alla kapillärer närvarande som perfusion (funktionellt aktiv), och beräknas genom att dividera postocclusive reaktiv hyperemi kapillär densitet av den maximala kapillär densitet. Både procent kapillär rekrytering och procent perfusion kapillärer återspegla antalet funktionella kapillärer. Lägre värden för dessa åtgärder visar funktionell kapillär förtunning.

2. Endotelfunktionen Bedömning

1. Endotelfunktion bedöms före och efter postocclusive reaktiv hyperemi, som använder icke-invasiva pletysmografi mätningar av underarmens blodflöde, enligt metoden för Sivertsson, ⁴ som utnyttjar endotelberoende stimulus av reaktiv hyperemi att inducera vasodilatation.
2. Med motivet i sittande ställning efter 10 min av liggande vila, sträckte en kvicksilver-i gummi trådtöjningsgivare till 10% utöver sin vilande längd slinga around. individens underarm 5 cm under armvecket.
3. Den töjningsmätare är kopplad till en pletysmograf (EG-4: DE Hokanson, Inc., Bellevue, WA), som i sin tur är ansluten till en Doppler-brännare (CW-1, DE Hokanson, Inc., Belleveue, WA).
4. En övre arm ocklusion manschetten appliceras och armen hänger bekvämt i höjd med hjärtat med hjälp av en sele bandage ansluten till en justerbar intravenös pol. Systoliskt och diastoliskt blodtryck och hjärtfrekvens erhålls med en Dinamap ProCare 100 automatisk blodtrycksmanschetten (GE Healthcare, Piscataway, NJ) placeras på motsatt arm.
5. En pediatrisk manschetten kring handleden blåses till 200 mm Hg för att täppa flödet till handen. Den övre manschetten är uppblåst till 50 mm Hg, tömmas under 1,5 sekunder, och sedan blåses snabbt före varje underarm blodflödet mätning erhållas genom expansion av trådtöjningsgivare placeras runt underarmen.
6. Underarm blodflöde (FBF) mäts utvilad baslinjen (FBF _bas) och återigen ent postocclusive hyperemi-inducerad maximal vasodilatation (FBF _max). För flöde baslinjen blodvärden är fyra på varandra följande FBF kurvor som erhållits inom 30 sekunder (FBF _bas).
7. Den ocklusion manschetten uppblåses sedan till 40 mm Hg över det systoliska trycket under 10 min. Efter lanseringen av arteriell ocklusion (postocclusive reaktiv hyperemi), är fyra på varandra följande FBF kurvor erhålls inom de första 30 sek av flöde (FBF _max).
8. Förhållandet FBF _max / FBF _bas beräknas som en uppskattning av vasodilatation, genom att dividera medelvärdet av de fyra FBF _max-värden med medelvärdet av de fyra FBF _{grundvärdena.} ⁵ Underarmarna kärlmotstånd vid maximal vasodilatation (FVR _max) beräknas som medelartärtryck (MAP) dividerat med FBF _max. FBF _max under reaktiv hyperemi är direkt relaterad till FBF efter maximal infusion av intraarteriell acetylkolin, en endotel-beroende vasodilaterare. ⁶ max och förhållandet FBF _max / FBF _bas accepterade icke-invasiva åtgärder endotelfunktion. ^6-8 Dessutom har både FBF _max och FVR _max återspeglar motstånd artär strukturella förändringar (ökat vägg / lumen-förhållande). ⁹

Representative Results

Skillnader i utseende mellan mikrovaskulaturen normotensiva och hypertensiva individer är uppenbara genom jämförelse av fig. 4 och 5. Figur 4 visar den typiska nätverket av raka kapillärer i väl organiserade rader i en normotensiva individ. Däremot visar figur 5 ett mer oordning mönster av krympta, hoprullade kapillärer.

Författarna har ett pågående intresse i rollen av mikrovaskulära dysfunktion i patogenes av hjärt-kärlsjukdom. I sin första NIH / NHLBI bidrag samlade författarna framgångsrikt en kohort av 200 personer, däribland normotensiva, prehypertensive och hypertensiva patienter, och utförde en rad undersökningar på mikrovaskulära dysfunktion (kapillär förtunning och endotel åtgärderna skall fungera). Individer i denna kohort varierade i ålder från 18 till 55, var 60% kvinnor, 46% Afrikansk amerikan, och 61% PREHypertensive (n = 122). Vi har publicerat rapporter från denna kohort visar att mikrovaskulär dysfunktion finns i inledningsskedet av högt blodtryck (prehypertension och scenutrustning 1 hypertoni:. Detaljer tidigare publicerade ^{10, 11} medan tvärsnitt, våra resultat tyder på att hypertensiva vaskulära patologiska process pågår redan på blygsamma nivåer av blodtryck höjd, vilket antyder att mikrovaskulär dysfunktion kan predate utveckling av kronisk ihållande högt blodtryck.

Kapillär densitet = antal kapillärer per kvadratmillimeter (mm 2) av finger nailfold hud Vilande baslinjen: kontinuerligt perfusion kapillärerna 1 Postocclusive reaktiv hyperemi: kontinuerligt perfusion + intermittent perfusion (funktionell reserv) kapillärer, mått på kapillär funktion 1 Venös ocklusion (maximal kapillär densitet): maximal visualisering av alla kapillärer närvarande, inklusive både perfusion (med aktiv röda blodkroppar (RBC) rörelse) och nonperfused (fylld med stillastående, icke-rörliga RBC) kapillärer, mått på kapillärstruktur 3

Procent kapillär rekrytering = (BA) ÷ C x 100 [Postocclusive reaktiv hyperemi kapillär densitet - vilande baslinjen kapillär densitet] ÷ Maximal kapillär densitet (vid passiv venös blodstockning) Mått på kapillär funktion Procent perfunderad kapillärer = (B ÷ C) x 100 Postocclusive reaktiv hyperemi kapillär densitet ÷ Maximal kapillär densitet (vid passiv venös blodstockning) Mått på kapillär funktion

Tabell 1. Åtgärder av kapillär strukturoch funktion.

Figur 1. Capillaroscopy. Diagnostisk undersökning av kapillärer, särskilt av spiken sängar, med ett mikroskop.

Figur 2. Capillaroscopy bilder. Räkna för hand. Förpackad område noterades dras med en Staedler teknisk linjal och betecknar 1 kvadratmillimeter.

Figur 3. Datorstödd Capillaroscopy. Bild-Pro används för att förbättra kontrast (exempel till höger) i de ursprungliga digitala bilder (exemplet till vänster), som sedan kan räknas med hjälp av programvaran.

Figur 4. Capillaroscopy bild: normotensiva individ.

Figur 5. Capillaroscopy bild: hypertensiv individ.

Discussion

Capillaroscopy (kapillär mikroskopi) är en icke-standard mått på kapillärstruktur. Men nu finns det inga standardmetoder för direkt bedömning av kapillär structure.Furthermore har kapillär mikroskopi använts i stor utsträckning för direkt utvärdering av capillarydensity i en stor och växande mängd publicerade arbeten ^{12, 13, 10, 11, 14-18} . Dessutom har vi validerat kapillära mikroskopi teknik genom att korrelera capillaroscopy resultat med underarmen blodflöde, en väletablerad mått av vaskulär funktion, ^{10, 11} och Förenade Arabemiraten, ett väletablerat mått på kärlskada (utgivet verk manuskript under utarbetande) . Medan den ursprungliga metoden använder kontinuerlig visualisering använda video fotografi, använder vår förenklade metod fortfarande digitala fotografier tagna upprepade gånger under min, enligt beskrivningen i förfaranden avsnittet.

Även om det är teoretiskt sant att topp kapillär densitet could underskattas eller missade med stillbilder att räkna kapillärer utan en löpande videoband att hänvisa till, använder vi de stillbilder som tagits i snabb följd under 1 minut under rusningstid reaktiv hyperemi efter utsläpp av manschetten, särskilt räknar de första fyra bilderna så erhållna, som bör ge de maximala efter ischemiska kapillära räknas. Dessutom har det rapporterats att genom att använda en längre period av överarmen ischemi vid suprasystolic tryck i flera minuter, kan hyperemi svaret pågå 3-4 minuter i friska individer åtminstone, i motsats till endast 10 sekunder efter 1 minut ocklusion med ett finger manschetten. ¹⁹

Vi gjorde anpassningar av teknik Serne m.fl. av två skäl:. 1) Främst för att göra tekniken mer praktiskt och tillgängligt för användning i både en klinisk och klinisk forskning inställning och 2) att närmare spegla den metod vi har använt för att validera tekniken genom bolagenring våra resultat med de som finns i underarmen plethymography tekniken, vilket är en etablerad metod för utvärdering av vaskulär funktion. Vi använde en manschett i stället för digitala manschetter, som inte är lätt tillgängliga i USA. Också såsom noterats ovan, kan användning av överarmen versus digital ischemi resultera i en mer utdragen hyperemi respons, utlåning sig lättare att fånga av toppen hyperemia responsen för analys. Placering av ischemi manschetten på överarmen istället av underarmen resulterar i större hyperemi flöde (till följd av högre armartären vasodilatation. ⁶ Vid utvecklingen av tekniken, utforskade vi litteraturen för den lämpligaste perioden av arteriell ocklusion. Vi hittade perioder från 3 minuter ¹⁹ till 5 minuter ^{4, 6, 8} till 13 minuter, ^{20, 21} med en av de studier med 13 minuter rapporterar god reproducerbarhet av värdena sålunda erhållna. Ytterligare en studie visade att öka blodflödet med ökningreasing ocklusion tid. ²² Därför valde vi 10 minuter som ett mellanliggande värde.

Vi har infört en ny parameter, procent kapillär rekrytering, som uttrycker kapillär rekrytering i procent av det maximala antalet visualiseras under venös ocklusion, i ett försök att normalisera antalet rekryterade fartyg genom att dividera med det totala antalet kapillärer närvarande gör direkt jämförelse av det totala antalet aktivt perfuserade (funktionell) kapillärer mellan individer. Vi har också rapporterat de mer utbredda parametrar (kapillär rekrytering och venös ocklusion) i våra publikationer hittills.

Vår teknik utnyttjar en lägre förstoring (38,4 x) jämfört med den för andra som rapporterats i tidigare litteratur. Den kapillära densitet rapporterades av James / Shore m fl ²³ (98-117 per mm ²⁾ och Antonios ^12, som också använder hög förstoring 196x (57 - 93 procent0,68 mm ²⁾ är också högre. Men fick Debbabi / Levy ²⁴ kapillära tätheter (60-79) nästan identiska med våra (55-74), med 200x förstoring. Våra räknas faktiskt högre än de som rapporteras av Serne et al. ^25, som använde 100x förstoring (48-57). Detta kan vara åtminstone delvis beroende på det faktum att det absoluta antalet fartyg per fält reduceras vid högre förstoring, vilket gör det svårare att identifiera ett begränsat antal fartyg i sjukdom. Dessutom producerar vår användning av 38.4x förstoring digitala bilder som vi kan få flera angränsande klara fält ⁴ utan behov av ytterligare bearbetning (minskning eller förstoring) av bilderna.

I våra undersökningar har vi valt att studera kapillärer i den perifera cirkulationen, som är lätt tillgängliga i fingertopparna med en enkel stereomikroskop, och kan enkelt studeras utan användning av intravenös färg injektion. ²⁶ 24, 27, med inga uppgifter om kapillär förtunning i svart individer rapporterade före våra resultat. Använda dubbla ljuskällor och foto-öka programvara som beskrivs i de metoder, kan vi visualisera och kvantifiera kapillärer i alla inskrivna patienter, inklusive mörkt pigmenterade svarta.

Sammanfattningsvis är capillaroscopy en icke-invasiv, relativt billig metod för direkt visualisering av mikrocirkulationen. Både capillaroscopy och tekniker underarm är lätt accepteras av patienter och kan lära sig snabbt. Den mikrovaskulära och endotelfunktion åtgärder erhålls med de metoder som beskrivs i detta dokument kan vara framtida nyttan i kliniska patienter kardiovaskulära riskbegränsande strategier. Som vi har publicerat rapporter som visar att mikrovaskulära och endoteldysfunktion finns i inledningsskedet av hypertension inklusive prehypertension, capillaroscopy och venös ocklusion pletysmografi kan så småningom hjälpa tidig identifiering, risk-stratifiering och förebyggande av slutstadiet vaskulär patologi, med potentiellt ödesdigra konsekvenser.