Non-invasiv Vurdering av Mikrovaskulær og endotelfunksjon

Summary

Capillaroscopy er en ikke-invasiv, relativt billig metode for direkte visualisere mikrosirkulasjonen. Underarmen blodstrømmen teknikk gir akseptert ikke-invasive tiltak av endotelfunksjon.

Abstract

Forfatterne har benyttet capillaroscopy og underarm blodstrøm teknikker for å undersøke hvilken rolle mikrovaskulær dysfunksjon i patogenesen av hjerte-og karsykdommer. Capillaroscopy er en ikke-invasiv, relativt billig metode for direkte visualisere mikrosirkulasjonen. Prosent kapillær rekruttering vurderes ved å dele økningen i kapillær tetthet indusert av postocclusive reaktiv hyperemi (postocclusive reaktiv hyperemi kapillær tetthet minus baseline kapillær tetthet), ved maksimal kapillær tetthet (observert under passiv venøs okklusjon). Prosent perfunderte kapillærer representerer andelen av alle kapillærer foreliggende som perfused (funksjonelt aktiv), og er beregnet ved å dividere postocclusive reaktiv hyperemi kapillær tetthet ved maksimal kapillær tetthet. Både prosent kapillær rekruttering og prosent perfunderte kapillærer gjenspeile antall funksjonelle kapillærer. Underarmen blodstrømmen (FBF) teknikken provides akseptert ikke-invasive målinger av endotelfunksjon: Forholdet FBF _max / FBF _basen er beregnet som et anslag på vasodilatasjon, ved å dele gjennomsnittet av de fire FBF _maks verdier ved gjennomsnittet av de fire FBF _{grunnleggende} verdier. Underarm vaskulær motstand ved maksimal vasodilatasjon (FVR _max) beregnes som gjennomsnittlig arterietrykk (MAP) delt på FBF _maks. Både capillaroscopy og underarm teknikker er lett akseptert av pasienter og kan læres raskt.

Den mikrovaskulær og endotelfunksjon måler oppnådd ved bruk av de metoder som er beskrevet i denne artikkelen kan ha fremtidig nytte i klinisk pasient hjerte risikoreduserende strategier. Som vi har publisert rapporter som viser at mikrovaskulær og endotelial dysfunksjon er funnet i innledende stadier av hypertensjon, inkludert prehypertension kan mikrovaskulære og endotelfunksjon tiltak slutt hjelpe tidlig identifisering, Risiko-stratifisering og forebygging av end-stage vaskulær patologi, med sine potensielt fatale konsekvenser.

Protocol

Tilfelle Presentasjon (påkrevd, dersom det er aktuelt): NA, dette er fortsatt en eksperimentell forskning prosedyre, ikke ennå brukt klinisk.

Diagnose, vurdering og Plan (påkrevd, hvis det er aktuelt): NA, dette er fortsatt en eksperimentell forskning prosedyre, ikke ennå brukt klinisk.

Prosedyre (påkrevd): Denne delen skal inneholde en steg-for-steg beskrivelse av relevante prosedyrer, møte retningslinjene nedenfor.

1. Kapillær Mikroskopi (figur 1)

1. Vår capillaroscopy teknikken ble tilpasset fra Serne og hans kolleger ^en. En utelukkelse kriterium for denne prosedyren er kollagen vaskulær sykdom, siden kollagen vaskulær sykdom produserer kjente kapillære endringer ^2.
2. Etter minimum 10 timers natts faste og 20 min av sittende resten, er mikrovaskulære målinger utføres for en halv time mellom 7og 11 er, i en rolig, temperatur kontrollert rom (opprettholdes mellom 21,5 til 22,5 ° C), med motivet i sittende stilling og venstre hånd på hjertet nivå.
3. Nailfold blodkar i dorsal huden av tredje finger er visualisert ved hjelp av en stereomikroskop (Olympus; Center Valley, PA), knyttet til en 4 megapiksler SPOT Insight monokrom digitalkamera (modellnummer i-1400: diagnostiske instrumenter; Sterling Heights, MI), og en bærbar datamaskin (Dell Latitude D600: Dell, Austin, TX). Å begrense bevegelsen, blir den venstre hånd og underarm løst dekket med en brettet teppe, og hvilte på en annen brettet teppe posisjonert ved foten av mikroskopet.
4. Nailbed belysning oppnås med en 250-W halogen fiberoptisk lampe (KL 2500LCD: Schott-Fostec, Elmsford, NY), ekstra belysning fra en supplerende 150W fiberoptisk halogen lyskilde (B & B Mikroskoper, Ltd, Warrendale, PA) brukes i mørkt pigmenterte individer.
5. Å visualisere kapillærene, den3.2x objektiv (Olympus 3.2/0.07) brukes med en total system forstørrelse av 38.4x.
6. Bruke SPOT bildebehandling programvare som leveres med kameraet, lys / mørk kontrast i kapillære fotografier er forbedret ved hjelp av samme standard SPOT programvare funksjon (strekking av lyse og mørke nivåer) for å maksimere synligheten av kapillærene i alle fag.
7. Å kvantifisere kapillær tetthet, er digitale photomicrographs tatt hver 3-5 sek under hver av tre stadier, på hvile baseline, under postocclusive reaktiv hyperemi, og i løpet av venøs okklusjon. (A) At hvile baseline, er photomicrographs tatt over en tre-minutters periode for å oppdage kapillærene perfused i ro. (B) Under postocclusive reaktiv hyperemi, blir photomicrographs tatt å tallfeste funksjonelt perfused kapillærer (baseline pluss reserve kapillærer), som følger. Først, er en okklusjon mansjetten på venstre overarm oppblåst til 40 mm Hg over systolisk trykk i 10 min. Photomicrographs blir deretter tatt under the første minutt umiddelbart etter utgivelsen av arteriell okklusjon, visualisere alle funksjonelt perfused kapillærer. Lavere kapillær tetthet etter reaktiv hyperemi indikerer nedsatt funksjonsevne kapillær rekruttering, og derfor funksjonell rarefaction. (C) I venøs okklusjon photomicrographs er tatt for å kvantifisere maksimal kapillær tetthet, som omfatter både perfusjon (med aktiv røde blodceller (RBC) bevegelse) og nonperfused (fylt med stillestående, ikke-bevegelige RBC) kapillærer ³ slik. Etter ti minutter med hvile etter postocclusive reaktive hyperemia prosedyren, er mansjetten blåses opp til 60 mm Hg i 60 sek, passivt tvinge blod inn alle patenter kapillærene stede og photomicrographs ble tatt i løpet av denne tiden. Siden maksimal kapillær tetthet omfatter all kapillærer strukturelt tilstede, en reduksjon i maksimal kapillær tetthet indikerer strukturelle rarefaction.
8. Kapillær tetthet er definert som antall kapillarer per kvadrat millimeter av nailfold hud, og er beregnet som gjennomsnittet av fire målinger innhentet fra de fire mest tydelig fokuserte bilder, minst forvrengt ved bevegelse. I våre studier har typiske verdier for kapillær teller (kapillærer / mm ²⁾ vært 55-80 for baseline, 65-90 for post-iskemisk, og 90-105 for venøs okklusjon. Verdier for prosent kapillær rekruttering er typisk mellom 5% og 25% (gjennomsnitt ~ 10-15%) og for prosent perfused kapillærer mellom 70% og 95% (gjennomsnitt ~ 80-90%), med verdier blir lavere blant hypertensives enn normotensives. Reproduserbarheten av telling prosedyren har blitt verifisert med tre observatører som utførte uavhengige manuelle vurderinger av fotografier av 10 forskjellige fag (figur 2). Observatørene ble blindet for identitet og blodtrykk på disse fagene. Etter trening, viste senere tellinger utført uavhengig et høyt nivå av enighet. Gjennomsnittlig inter-rater og intra-rater avvik var av Order av 2-3 kapillærer / mm ² og intraclass korrelasjonskoeffisienter var alt større enn 0,90. Kortsiktig variasjon av capillaroscopy tiltak var av samme størrelsesorden som inter-rater og intra-rater avvik (ca 2 kapillærer / mm ^2), men på lengre sikt variasjon observert over 2-3 år var en størrelsesorden større (ca. 15 kapillærer / mm ^2), som indikerer at langsgående endringer kan lett skilles fra rater variasjon. Pålitelighet av de to kapillære funksjonen måler var også høy (intraclass korrelasjonskoeffisient = 0,84 for prosent kapillær rekruttering og 0,82 for prosent perfused kapillærer).

9. Etterforskerne nå bruke en datamaskin-basert metode for å kvantifisere kapillær tetthet ved hjelp av Image-Pro Plus bildebehandling (versjon 6.2, Media kybernetikk, Inc., Bethesda, MD: Figur 3). Pearson korrelasjoner mellom baseline, post-iskemisk, og venooss lunger teller gjort med programvare og tilhørende manuelle tellinger i 10 fag var 0,78, 0,78, og 0,71 henholdsvis (alle p <0,05), noe som indikerer rimelig avtale mellom de to metodene. Påliteligheten av PC-baserte teller er litt lavere enn for manuelle tellinger, men fortsatt høy (intraclass korrelasjonskoeffisient = 0,91 for baseline, 0,86 for post-iskemisk, og 0,84 for venøs okklusjon). Vi har upubliserte data også demonstrerer sammenslutning av automatiserte teller med flere kardiovaskulære risikofaktorer inkludert hypertensjon, som vi nå forbereder for publisering.

10. Tabell 1 oppsummerer kapillær tetthet målinger og beregninger. Prosent kapillær rekruttering vurderes ved å dele økningen i kapillær tetthet indusert av postocclusive reaktiv hyperemi (postocclusive reaktiv hyperemi kapillær tetthet minus baseline kapillær tetthet), ved maksimal kapillær tetthet (observert under passiv venooss okklusjon). Prosent perfunderte kapillærer representerer andelen av alle kapillærer foreliggende som perfused (funksjonelt aktiv), og er beregnet ved å dividere postocclusive reaktiv hyperemi kapillær tetthet ved maksimal kapillær tetthet. Både prosent kapillær rekruttering og prosent perfunderte kapillærer gjenspeile antall funksjonelle kapillærer. Lavere verdier for disse tiltakene indikerer funksjonell kapillær rarefaction.

2. Endotelfunksjon Assessment

1. Endotelfunksjon vurderes før og etter postocclusive reaktiv hyperemi, ved hjelp av ikke-invasive pletysmografi målinger av underarmen blodstrøm, i henhold til metoden av Sivertsson, ⁴ som benytter endotelet-avhengige stimulus av reaktiv hyperemi å indusere vasodilatasjon.
2. Med motivet i sittende stilling etter 10 min av liggende hvile, strakte en kvikksølv-i gummi deformasjonsmåler til 10% utover sitt hvilested lengde er looped around motivets underarm 5 cm under antecubital fossa.
3. Påkjenningen-gauge er koblet til en pletysmograf (EC-4: DE Hokanson, Inc; Bellevue, WA), som i sin tur er koblet til en Doppler opptaker (CW-1; DE Hokanson, Inc; Belleveue, WA).
4. En øvre arm okklusjon mansjetten er brukt, og armen henger komfortabelt på nivå med hjertet ved hjelp av en slynge bandasje som er koblet til en justerbar intravenøs pol. Systolisk og diastolisk blodtrykk og hjertefrekvens er oppnådd med en Dinamap ProCare 100 automatisk BP mansjett (GE Healthcare, Piscataway, NJ) plassert på motsatt arm.
5. En pediatrisk mansjetten rundt håndleddet er oppblåst til 200 mm Hg til occlude strømme til hånden. Overarmen mansjetten blåses til 50 mm Hg, deflatert i 1,5 sek, og deretter re-oppblåst raskt før hver underarm blodstrøm måling, innhentet gjennom utvidelse av deformasjonsmåleren plassert rundt underarmen.
6. Underarm blodstrøm (FBF) måles ved uthvilt baseline (FBF _base) og igjen ent postocclusive hyperemia-indusert maksimal vasodilatasjon (FBF _max). For baseline blodstrøm målinger, er fire sammenhengende FBF kurver oppnås innen 30 sekunder (FBF _base).
7. Okklusjon mansjetten blir så oppblåst til 40 mm Hg over systolisk trykk i 10 min. Etter utgivelsen av arteriell okklusjon (postocclusive reaktiv hyperemi), er fire sammenhengende FBF kurver oppnådd innen de første 30 sek av strømning (FBF _max).
8. Forholdet FBF _max / FBF _basen er beregnet som et anslag på vasodilatasjon, ved å dele gjennomsnittet av de fire FBF _maks verdier ved gjennomsnittet av de fire FBF _{grunnleggende} verdier. ⁵ underarmen vaskulær motstand ved maksimal vasodilatasjon (FVR _max) beregnes som mener arterietrykk (MAP) delt på FBF _maks. FBF _maks under reaktiv hyperemi er direkte relatert til FBF etter maksimal infusjon av intraarteriell acetylkolin, en endotelial-avhengig vasodilator. ⁶ max og forholdet FBF _max / FBF _basen akseptert ikke-invasive målinger av endotelfunksjon. ^{6-8 i} tillegg, både FBF _max og FVR _maks reflektere motstand arterie strukturelle endringer (økt vegg / lumen ratio). ⁹

Representative Results

Forskjeller i utseende microvasculature mellom normotensive og hypertensive individer er åpenbart ved å sammenligne figurene 4 og 5. Figur 4 viser typisk nettverk av rette kapillærene i godt organisert rader i en normotensiv individ. I kontrast, demonstrerer fig 5 en mer uorden mønster av krympet, kveilet kapillærer.

Forfatterne har en pågående interesse i rollen som mikrovaskulær dysfunksjon i patogenesen av hjerte-og karsykdommer. I sin første NIH / NHLBI stipend, forfatterne lykkes sammen en kohort av 200 individer, inkludert normotensive, prehypertensive, og hypertensive fag, og utført en rekke undersøkelser på mikrovaskulær dysfunksjon (kapillært rarefaction og endotelfunksjon tiltak). Individer i denne kohorten varierte i alder 18-55, var 60% kvinner, 46% African American, og 61% PREHypertensive (n = 122). Vi har publisert rapporter fra dette kullet som viser at mikrovaskulær dysfunksjon er funnet i innledende stadier av hypertensjon (prehypertension og Stage 1 hypertensjon:. Detaljer tidligere publiserte ^{10, 11} Mens tverrsnitt, våre funn tyder på at hypertensive vaskulær patologiske prosessen er allerede i gang på beskjedne nivåer av blodtrykk høyde, noe som tyder på at mikrovaskulær dysfunksjon kan predate utvikling av kronisk vedvarende hypertensjon.

Kapillær tetthet = antall kapillærer per kvadratmillimeter (mm 2) av finger nailfold hud Resting baseline: kontinuerlig perfused kapillærer en Postocclusive reaktiv hyperemi: kontinuerlig perfused + midlertidig perfusjon (funksjonell reserve) kapillærer; mål på kapillær funksjon 1 Venøs okklusjon (maximal kapillær tetthet): maksimal visualisering av alle kapillærer stede, inkludert både perfusjon (med aktiv røde blodceller (RBC) bevegelse) og nonperfused (fylt med stillestående, ikke-bevegelige RBC) kapillærer; mål på kapillarstruktur 3

Prosent kapillær rekruttering = (BA) ÷ C x 100 [Postocclusive reaktiv hyperemi kapillær tetthet - hvile baseline kapillær tetthet] ÷ Maximal kapillær tetthet (under passiv venøs lunger) Måling av kapillær funksjon Prosent perfused kapillærer = (B ÷ C) x 100 Postocclusive reaktiv hyperemi kapillær tetthet ÷ Maximal kapillær tetthet (under passiv venøs lunger) Måling av kapillær funksjon

Tabell 1. Tiltak for kapillarstrukturog funksjon.

Figur 1. Capillaroscopy. Diagnostisk undersøkelse av kapillærene, spesielt av spiker senger, med et mikroskop.

Figur 2. Capillaroscopy bilder. Counting hånd. Boxed område kjent er tegnet med en Staedler ingeniør linjal og betegner en kvadratmillimeter.

Figur 3. Computer-Assisted Capillaroscopy. Image-Pro programvare brukes til å forbedre kontrasten (eksempel til høyre) i den opprinnelige digitale bilder (eksempel til venstre), som deretter kan telles ved hjelp av programvaren.

Figur 4. Capillaroscopy bilde: normotensive individ.

Figur 5. Capillaroscopy bilde: Hypertensiv individ.

Discussion

Capillaroscopy (kapillært mikroskopi) er en ikke-standard mål på kapillarstruktur. Men foreløpig er det ingen standard metoder for direkte vurdering av kapillær structure.Furthermore har kapillær mikroskopi blitt mye brukt til direkte evaluering av capillarydensity i et stort og voksende kropp av publisert arbeid ^{12, 13, 10, 11, 14-18} . I tillegg har vi validert kapillær mikroskopi teknikk ved å korrelere capillaroscopy funn med underarmen blodstrømmen, en veletablert mål på vaskulær ^{funksjon, 10, 11} og med UAE, en veletablert mål på fartøy skade (upublisert arbeid, manuskript under utarbeidelse) . Mens den opprinnelige metoden benytter kontinuerlig visualisering ved hjelp av video fotografering, benytter vår forenklede metode fortsatt digitale fotografier tatt gjentatte ganger over minutter som beskrevet i prosedyrene delen.

Mens det er sant at teoretisk peak kapillær tetthet coULD undervurderes eller savnet bruke stillbilder å telle kapillærene uten en løpende videotape å referere til, bruker vi de stillbilder som er tatt i rask rekkefølge i 1 minutt under peak reaktiv hyperemi følgende utgivelsen av mansjetten, spesielt telle de fire første bildene dermed oppnådd, som skal gi maksimal post-iskemisk kapillære teller. Videre har det blitt rapportert at ved hjelp av en lengre periode med overarmen ischemi ved suprasystolic press i flere minutter, kan den hyperemi responsen vare i 3 til 4 minutter i friske forsøkspersoner minst, i motsetning til bare 10 sekunder etter 1 minutt okklusjon med en finger mansjett. ¹⁹

Vi har gjort tilpasninger til teknikken for Serne et al to grunner: 1). Primært for å få teknikken mer praktisk og tilgjengelig for bruk i både klinisk og klinisk forskning setting, og 2) å nærmere gjenspeile metodikken vi har brukt til validere teknikken av selskaperringe våre resultater til de som finnes i underarmen plethymography teknikken, som er en etablert metode for vurdering av vaskulær funksjon. Vi brukte en arm mansjetten i stedet av digitale mansjetter, som ikke er lett tilgjengelig i USA. Også som nevnt ovenfor, kan bruken av overarmen versus digital iskemi føre en mer langvarig hyperemi respons, utlån seg lettere å fange av peak hyperemi responsen for analyse. Plassering av iskemi mansjetten ved overarmen istedenfor av underarmen resulterer i større hyperemi strømning (resulterende fra høyere brakialarterien vasodilatasjon. ⁶ I utviklingen teknikken, vi forsket litteraturen for den mest passende periode av arteriell okklusjon. Vi fant perioder fra 3 minutter ¹⁹ til 5 minutter ^{4, 6, 8} til 13 ^{minutter, 20, 21} med en av de studier med 13 minutter rapportering god reproduserbarhet av verdiene således oppnådde. Enda en studie viste økende blodstrøm med økesreasing okklusjon tid. ²² Følgelig valgte vi 10 minutter som en mellomliggende verdi.

Vi har introdusert nye parameteren, prosent kapillær rekruttering, som uttrykker kapillært rekruttering i prosent av det maksimale antall visualisert under venøs okklusjon, i et forsøk på å normalisere antallet rekruttert skip ved å dividere med den totale antall kapillarer foreliggende, muliggjør direkte sammenligning av det totale antall av aktivt perfusjon (funksjonelle) kapillærer mellom individer. Vi har også rapportert at mer brukte parametre (kapillært rekruttering og venøs okklusjon) i våre publikasjoner til dags dato.

Vår teknikk utnytter en lavere forstørrelse (38,4 x) i forhold til det av andre rapportert i tidligere litteratur. Den kapillær tetthet rapportert av James / Shore et al ²³ (98-117 per mm ²⁾ og ¹² Antonios, som også bruker høy forstørrelse 196x (57 - 93 prosent0,68 mm ²⁾ er faktisk høyere. Men fikk Debbabi / Levy ²⁴ kapillære tettheter (60-79) nesten identisk med vår (55-74), ved hjelp av 200x forstørrelse. Våre teller er faktisk høyere enn det som er rapportert av Serne et al. ^25, som brukte 100x forstørrelse (48-57). Dette kan være i det minste delvis skyldes det faktum at den absolutte antall fartøy per felt reduseres ved høyere forstørrelse, noe som gjør det vanskeligere å identifisere et redusert antall skip i sykdom. I tillegg produserer vår bruk av 38.4x forstørrelse digitale bilder som vi kan få flere tilstøtende klare felt ⁴ uten behov for ytterligere behandling (reduksjon eller forstørrelse) av bildene.

I våre undersøkelser har vi valgt å studere kapillarene i perifer sirkulasjon, som er lett tilgjengelige i fingertuppene ved hjelp av en enkel stereomikroskop, og kan lett bli studert uten bruk av intravenøs fargestoff injeksjon. ²⁶ 24, 27, med ingen data om kapillær rarefaction i svarte fag rapportert før våre funn. Bruke den doble lyskilder og foto-styrke programvare som er beskrevet i metodene, er vi i stand til å visualisere og kvantifisere kapillærene i alle inkluderte pasienter, inkludert mørkt pigmenterte svarte.

Oppsummert er capillaroscopy en ikke-invasiv, relativt billig metode for direkte visualisere mikrosirkulasjonen. Både capillaroscopy og underarm teknikker er lett akseptert av pasienter og kan læres raskt. Den mikrovaskulær og endotelfunksjon måler oppnådd ved bruk av de metoder som er beskrevet i denne artikkelen kan ha fremtidig nytte i klinisk pasient hjerte risikoreduserende strategier. Som vi har publisert rapporter som viser at mikrovaskulær og endotelial dysfunksjon er funnet i innledende stadier av hypertension inkludert prehypertension, capillaroscopy og venøs okklusjon pletysmografi kan til slutt hjelpe tidlig identifisering, risiko-stratifisering og forebygging av end-stage vaskulær patologi, med sine potensielt fatale konsekvenser.