The present article describes the methodological considerations for several non-invasive assessments of vascular function and morphology that are commonly used in medical research to assess different stages of atherosclerosis.
The endothelium is the innermost lining of the vasculature and is involved in the maintenance of vascular homeostasis. Damage to the endothelium may predispose the vessel to atherosclerosis and increase the risk for cardiovascular disease. Assessments of peripheral endothelial function are good indicators of early abnormalities in the vascular wall and correlate well with assessments of coronary endothelial function. The present manuscript details the important methodological steps necessary for the assessment of microvascular endothelial function using laser Doppler imaging with iontophoresis, large vessel endothelial function using flow-mediated dilatation, and carotid atherosclerosis using carotid artery ultrasound. A discussion on the methodological considerations for each of the techniques is also presented, and recommendations are made for future research.
Het endotheel is de binnenste bekleding van het vaatstelsel en is betrokken bij het handhaven van vasculaire homeostase via de regulatie van een veelheid aan vasoactieve processen. Verstoring van deze processen kan het schip naar atherosclerose vatbaar en verhogen het risico op hart- en vaatziekten (HVZ) 1. Perifere endotheelfunctie is een goede indicator van de vroege afwijkingen in de vaatwand 2. Daarnaast zijn maatregelen van perifere endotheelfunctie is aangetoond coronaire endotheelfunctie 3-5 weerspiegelen, en als zodanig als goede voorspellers van cardiovasculaire ziekten 6-9 beschouwd. Dit is misschien niet verwonderlijk gezien het feit dat atherosclerose wordt nu in grote lijnen op prijs gesteld om een systemische aandoening 10 zijn. Evaluaties van perifere endotheelfunctie typisch kwantificeren vaatverwijdende respons van het vaartuig naar een specifieke stimulus, met een verzwakking van vertragingsgedrag reactie indicatief endothelialedisfunctie 11, en kan worden gemeten in verschillende vasculaire bedden. Evaluaties van geavanceerde structurele veranderingen in het vat kan worden gekenmerkt door echografisch onderzoek van de intima-media dikte.
In de microcirculatie, kan laser Doppler flowmetry (LDF) en Laser Doppler imaging (LDI) met iontoforese van vaatverwijdende agonisten nuttige informatie over microvasculaire perfusie 12 bieden. Beide technieken meten van de Doppler verschuiving gecreëerd door verstrooid licht van bewegende rode bloedcellen. Perfusie wordt weergegeven als bloed flux dan bloedstroom (ml / min), met bloed flux reflecterende gemiddelde rode bloedcel snelheid en concentratie. Meting van bloed flux lineair verband met de werkelijke bloedstroom 13. De beoordeling van LDI biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van LDF, want in tegenstelling tot LDF, kan LDI scannen over een uitgestrekt gebied dus goed voor heterogeniteit in de doorbloeding van de huid en het verhogen van de reproduceerbaarheid van de techniek12.
De stimulans voor het verhogen van bloed flux tijdens LDI worden geleverd door iontoforese van vaatverwijdende agonisten acetylcholine (ACh) en natrium (SNP), die endotheel-afhankelijke en endotheel-onafhankelijke functie te beoordelen respectievelijk in de huid met behulp van een zwakke elektrische stroom 14. Eenmaal door de huid, ACh bindt aan cel muscarine receptoren loslaten van de vaatverwijdende stikstofmonoxide (NO) endotheel. Het gebruik van SNP activeert direct gladde spiercellen receptoren om maximale vasodilatatie van het vat en behandeling van gladde spieren integriteit 15. Er is enige onzekerheid over de vraag of ACh-gemedieerde dilatatie gaat NO helemaal niet, als ACh niet-NO studierichtingen zoals-cycloxygenase gemedieerde paden 12 kan stimuleren. Desalniettemin hebben we eerder gemeld dat ACh en SNP responsen geremd in patiëntenpopulaties verhoogd risico op CVD 16 en dat de oefening interventies bekend NO b verbeterenioactivity verbeteren ook de ACh-gemedieerde bloed flux met behulp van LDI 17. Het voertuig voor het vervoer van de stoffen in de huid microvessels bevatten vaak natriumchloride of gedemineraliseerd water 18,19. Microvasculaire endotheliale functie kan worden gekwantificeerd met behulp van verschillende benaderingen, met cutane vasculaire geleiding – een product van flux gedeeld door arteriële druk, gebruikt in studies waarbij de bloeddruk kan veranderen in de loop van de studieduur (dwz, tijdens het sporten of anti-hypertensieve behandeling) 12. Een andere veel gebruikte kwantificering is om het gebied te berekenen onder de curve voor bloed flux of express de procentuele stijging van de flux van de uitgangswaarde. Het is belangrijk op te merken dat er geen vastgestelde richtlijnen voor de presentatie van de gegevens, maar de onderzoekers moet een aanpak die goede reproduceerbaarheid blijkt benutten.
In de grote schepen, flow-gemedieerde dilatatie (MKZ) en glyceryl-trinitrate gemedieerde dilatatie (ATN) worden uitgevoerd om ezelss endotheel-afhankelijke en endotheel-onafhankelijke functie van respectievelijk 20. MKZ wordt gewoonlijk uitgevoerd in de slagader waar een manchet wordt gebruikt om arteriële bloedstroom gedurende 5 min afsluiten uitgevoerd; afgifte van de manchet veroorzaakt een plotselinge toename van de bloedstroom (reactieve hyperemie) via de brachiale slagader waardoor shear stress gemedieerde dilatatie van het vat. De baseline en post-manchet vrijlating diameter worden gekwantificeerd door echografie van het schip met daarop evaluaties van de diameter vat uitgevoerd handmatig 20 of met behulp van geautomatiseerde edge detectie software 21,22. Het gebruik van GTN wordt gecontroleerd of afwijkingen in vasodilatatie door een verlies in gladde spiercel integriteit of verminderde afgifte van NO uit de endotheelcellen 23. MKZ en GTN worden uitgedrukt als de procentuele toename in post-stimulus diameter vaartuig ten opzichte van de basislijn diameter.
De juiste beoordeling van MKZ een aantal vereistbelangrijke overwegingen in het studieprotocol 24,25. De duur van de manchet occlusie moet zorgvuldig worden getimed; 5 min van manchet occlusie is voldoende voor NO-gemedieerde dilatatie tijdje langer manchet occlusie resultaten in niet-NO-gemedieerde dilatatie 26. Ook de plaatsing van de afsluitende manchet om de pols en distaal van de ultrasone sonde beroept voornamelijk NO gemedieerde dilatatie, terwijl manchet plaatsing op de bovenarm en proximaal van de sonde slechts gedeeltelijk stimuleert NO 27. Het is ook belangrijk om de piek dilatatie volgende manchet deflatie over een langere periode van tijd, zoals het meten van de piek diameter binnen de eerste 60 sec na cuff deflatie onderschatten MKZ door 25 te meten – 40% 28. Inderdaad, gedurende 180 sec waarschijnlijk voldoende in echt piek diameter zijn, waarbij de meeste piekwaarden optreden binnen de eerste 120 sec 28.
De stimulans voor MKZ betrekkens de productie van schuifspanning, die specifiek endotheliale receptoren activeert om NO 29. Echter, kan schuifspanning ook activeren verscheidene andere vasoactieve factoren (waarvan sommige vasoconstrictie veroorzaken) 30, waardoor het noodzakelijk dat de opgeroepen schuifspanning stimulus reflecteert vasodilatatie van geen routes 26. Het is ook belangrijk om rekening te houden de schuifspanning stimulus tijdens MKZ, met berekening van afschuifsnelheid (snelheid / diameter) dienen als een adequate mate van afschuifspanning, maar niet noodzakelijkerwijs reflecterende piekstroom 31. Recente fysiologische aanbevelingen suggereren dat de shear stress profiel altijd moet worden gekarakteriseerd als ultrasound systemen maken het mogelijk gelijktijdige meting van polsgolfsnelheid en actieve B-modus beeldvorming in duplex modus 25.
Beoordeling van de halsslagaders behulp B-mode echografie kan informatie over de carotis intima-media dikte (IMT) bieden, en was de eerste described in 1986 door Pignoli en collega's 32. Beoordeling van cIMT weerspiegelt proliferatie van gladde spiercellen in de intima van het vat en is een bruikbare voorspeller van klinische gebeurtenissen in vroege atherosclerose 33. Carotis echografie kunnen vaak voorspellen arteriële structuur beter dan vergelijkbare technieken (zoals magnetische resonantie beeldvorming of radiografische evaluaties) 34. Bovendien cIMT associeert met een aantal klassieke CVD risicofactoren zoals vergrijzing, hypertensie en dyslipidemie 35. Wijzigingen in de wanden van de halsslagader worden meestal geïnitieerd door een verlaging van NO biobeschikbaarheid waarin ontsteking bevordert in het vat 36. De halsslagader, interne halsslagader en carotisbifurcatie punten kan worden bepaald cIMT, zoals elke site soortgelijke voorspellen cardiovasculaire gebeurtenissen 37.
In de huidige manuscript, bieden we gedetailleerde methodologie voor beoordeling van microvascular functie van het endotheel (LDI met iontoforese), grote schip functie van het endotheel (MKZ en ATN) en vasculaire morfologie (IMT). Atherosclerose is een meertraps proces dat begint met endotheeldisfunctie en eindigt met focale atherosclerotische laesies in de grote slagaders. De reden voor de keuze van de bovengenoemde evaluaties is dat ze weerspiegelen de verschillende stadia van atherosclerose en helpen verklaren de heterogeniteit van de vasculatuur 38. Verder hebben we eerder aangetoond dat in een populatie van patiënten met een verhoogd risico op hart- en vaatziekten, microvasculaire endotheliale functie was onafhankelijk van groot schip endotheelfunctie 39, en functionele evaluaties waren onafhankelijk van structurele evaluaties van het vaatstelsel 40. Daarom kan globale beoordeling van de vasculatuur helpen om de verschillende stadia van atherosclerose ontcijferen.
De onderhavige manuscript geeft de methode van verscheidene afzonderlijke beoordeling van vasculaire functie en morfologie die in het perifere vaatstelsel kan worden uitgevoerd. Elke evaluatie geeft informatie over de verschillende stadia van atherosclerose, en helpen om de vasculaire profiel van de verschillende vasculaire gebieden te karakteriseren.
We hebben eerder gemeld dat microvasculaire endotheliale functie onafhankelijk van grote vaten endotheelfunctie in een populatie van reumatoïde artritis patiënten met een verhoogd risico op CVD 39. Bovendien, evaluaties van de vaatfunctie en morfologie waren ook onafhankelijk van elkaar in dezelfde groep patiënten en bij patiënten met HVZ 40,41. Deze bevindingen kunnen worden verklaard door de heterogeniteit en de structuur van endotheelcellen in verschillende vasculaire gebieden 38, evenals een mogelijke vertraging van progressie functionele veranderingen morfologischeAfwijkingen in het vat. Een studie van Hashimoto en collega's 42 bleek dat verschillende deelnemers met atherosclerose MKZ-waarden, maar normale cIMT waarden gedaald. Deze bevindingen suggereren dat behandeling van subklinische atherosclerose behulp van verschillende methoden is belangrijk het mondiale effecten van CVD ontcijferen.
Het belang van de microvasculatuur in gezondheid en ziekte krijgt steeds meer aandacht in de medische literatuur. De haarvaten vormen een veel groter oppervlak dan grote schepen waardoor ze belangrijke doelstellingen voor schade als gevolg van schadelijke stimuli 43. Er is verondersteld dat microvaatjes de primaire bron van ontstekingsmediatoren die het endotheel van de grotere schepen leidt tot letselvorming 43 infiltreren kunnen zijn. Bij type II diabetes, microvasculaire ziekte vooraf meestal grote schipziekte 44, en in andere populaties met een verhoogd risico voor CVD zoals reumatoïde Arthritis, ingrepen die de CVD risico te verminderen verbeteren microvasculaire, maar niet groot schip, endotheelfunctie 45,46. Tezamen suggereren deze bevindingen dat het onderzoek van microvasculaire functie kunnen helpen bij de complexe mechanismen atherosclerose initiëren.
In het huidige werk, de beoordeling van microvasculaire endotheliale functie werd uitgevoerd met behulp van LDI met iontoforese van vasoactieve middelen. Verschillende andere evaluaties kunnen worden gebruikt om microvasculaire functie zoals nailfold capillaroscopy en veneuze occlusie plethysmografie beoordelen. De eerstgenoemde beoordeling geeft informatie slechts microvasculaire morfologie, terwijl de laatste is tijdrovend en in sommige protocollen invasieve door toediening intra- brachialis vasoactieve middelen 1. Daarentegen LDI biedt een eenvoudige, tijd-efficiënte aanpak microvasculaire perfusie huid bloedvaten te meten in reactie op vasoactieve agentia die toegediend non-invastend. De meting van de doorbloeding van de huid heeft opgedaan brede acceptatie in de literatuur te gebruiken omwille van de toegankelijkheid en de sterke correlatie met gevestigde CVD 12. Bovendien is het voordeel van LDI boven andere Doppler technieken zoals laser Doppler flowmetry, is dat het gelijktijdig scannen meerdere punten in een bepaald gebied en derhalve vertegenwoordigen cellulaire bewegingsartefacten en plaatselijke verschillen huid bloedstroom, die beide kunnen beïnvloeden de perfusie van het schip 47,48.
Ondanks de duidelijke voordelen van iontoforese is belangrijk op te merken dat de huidige geïnduceerde vasodilatatie (CIV) van iontoforese kan de effecten van de vasoactieve middelen vooral bij de kathode verwarren. De keuze van het voertuig voor geneesmiddelafgifte kan helpen om dit effect te verminderen, met 0,5% natriumchloride (zoals in het huidige protocol) doeltreffend beperken CIV 18. Verder gebruik van de grotere kamers diameter en lage elektrische curhuur (zoals gebruikt in de onderhavige protocol) Alle helpen CIV 18 verminderen. Toepassing van een controleplaats wordt ook aanbevolen 12. Biologische en gedragsmatige factoren kunnen invloed hebben op de betrouwbaarheid en reproduceerbaarheid van de techniek. Zo hebben circadiane variatie en roken aangetoond microvasculaire endotheel 49,50 beïnvloeden. Strikte opname-omstandigheden moeten worden nageleefd om nauwkeurige resultaten te verkrijgen en gevestigde richtsnoeren moeten worden gevolgd bij het ontwerpen van protocollen 12.
Meting van MKZ en GTN-gemedieerde dilatatie geeft informatie over endotheliale dysfunctie in de grote bloedvaten, en wordt veel gebruikt in de niet-invasieve vasculaire onderzoek. De MKZ-techniek zorgt surrogaat informatie over NO biobeschikbaarheid en is een nuttige prognostische marker van cardiale gebeurtenissen in verschillende klinische populaties 7-9. In het huidige werk, het protocol gepresenteerd rekeningen voor veel van de factoren diezijn noodzakelijk voor een adequate stimulering van NO-gemedieerde vasodilatatie 25. Zo werd de afsluitende manchet distaal geplaatst om de ultrasone sonde en om de pols 27 wordt de duur van ischemie was 5 min en 26 voldoende tijd liet het "echte" piek diameter opnemen volgende reactieve hyperemie 28. Helaas heeft het protocol niet onder karakterisering van de shear stress profiel als de automatische rand detectie software gelijktijdig opnemen van het schip diameter en polsgolfsnelheid signaal niet toe te staan. De berekening van afschuifspanning integraal nauwkeurige meting MKZ 26 en we aanbevolen waar mogelijk, vasculaire groepen combineren software waarmee dergelijke metingen te verrichten.
Evaluaties van MKZ en-GTN gemedieerde dilatatie zijn ook gevoelig voor het milieu en biologische variaties 24, zoals kleine veranderingen in de vasculaire diameterontlokken grote MKZ / GTN reacties. Bijvoorbeeld, typisch MKZ waarden voor gezonde vrijwilligers variëren 5-10% 51, wat overeenkomt met een 0,25 – 0.5mm arteriële diameter voor een slagader met een diameter van 5 mm. Gezien deze kleine veranderingen in de arteriële diameter, moet aandacht worden besteed aan de technische en biologische factoren die de meting kunnen beïnvloeden. Inderdaad kan MKZ worden beïnvloed door diverse biologische en gedragsmatige factoren zoals sympathische 52, slaapgebrek 53, cafeïne consumptie 54, rokende 55, antioxidanttherapie 56 en tijd 57. Daarom is het belangrijk om te controleren voor deze factoren gebruik van de informatie van gevestigde richtlijnen 24,25.
Evaluatie van geavanceerde maar subklinische atherosclerose werd gedaan met behulp van cIMT. De techniek is gebruikt in verschillende klinische populaties en geeft gedetailleerd arteriële structure vergelijking met meer geavanceerde technieken zoals magnetische resonantie 34. Zoals bij de andere vasculaire technieken gemeten cIMT vereist een zorgvuldige afweging van technische factoren die de meting beïnvloeden. Algemeen moeten cIMT worden uitgevoerd gebieden vrij van plaque in de muur van de halsslagader. Vergelijkbaar met MKZ, meting van cIMT wordt uitgevoerd met behulp van hoge-resolutie echografie en dus is zeer gebruiksvriendelijk afhankelijk. Gemeld variatiecoëfficiënt (CofV) range 2,4-18,3% 58, terwijl het voor MKZ is 1-84% 59. Zelfs wanneer beide technieken worden uitgevoerd door bevoegde ultrasonographers externe factoren goed gecontroleerde, blijft er een grote CofV 58,60,61. Een reden hiervoor kan zijn dat analyse van vasculaire grenzen worden uitgevoerd met handmatige methoden 60,61. Een dergelijke analyse kan de betrouwbaarheid verminderen als beeldvorming artefacten zoals valse grenzen, het geluid van de ultrasound sein, en verstoring van schepen kan invloed hebben op de interpretatie van het beeld 22.
Recente ontwikkelingen in continue geautomatiseerde edge-detectie software zijn sterk verbeterd de detectie van vaatwand grenzen 21,22. In de onderhavige studie werd VIA software waarmee de slagader diameter meten, terwijl AMS werd gebruikt voor het detecteren cIMT. Het gebruik van deze software vermindert operator afhankelijkheid, maar bij AMS, zekere exploitantcontrole nog beschikbaar in situaties waarin de beeldkwaliteit slecht 62 zijn. Laboratoria die gebruik maken van geautomatiseerde edge detectie software in het algemeen de neiging om laag CofV 58,63,64 hebben, dus moet het doel van alle vasculaire onderzoekslaboratoria om geautomatiseerde meting van vasculaire grenzen op te nemen met het oog op de nauwkeurigheid van de resultaten te waarborgen. Het is ook een goede gewoonte om de resultaten van de reproduceerbaarheid studies voor specifieke protocollen te melden bij het publiceren studie resultaten.
<p class = "jove_content"> Hoewel de evaluaties van de vaatfunctie routinematig worden gebruikt in klinisch onderzoek, een beperking van de technieken is dat normatieve waarden voor LDI met iontoforese en MKZ niet bestaan. Het is daarom belangrijk dat gezonde leeftijd en geslacht gematchte controlegroepen worden onderzocht om gegevens vergelijken met de experimentele groep. Hoewel deze technieken geassocieerd met slechte prognose in verschillende populaties met tekenen van CVD 09/06, nog steeds een gebrek aan studies naar het verband tussen armen endotheelfunctie en cardiovasculaire resultaten onderzocht zoals myocardiaal infarct en beroerte. Verdere prospectieve studies zijn nodig om deze problemen aan te pakken. Een andere beperking is het gebruik van menselijke operators om de evaluaties uit te voeren en het verrichten van de analyse. Dit introduceert een potentiële bron van vooringenomenheid; dit kan echter worden beperkt door verblinden de exploitant de resultaten of zodat de lezer verschilt van de operator. Hetis eveneens belangrijk dat de lezer volgens een gestandaardiseerd protocol voor gegevensanalyse, zodat alle gegevens consistent geanalyseerd.Samengevat, de huidige manuscript geeft gedetailleerde informatie over de methodologische stappen die nodig zijn om met succes evaluaties van microvessel en groot schip endotheelfunctie evenals vasculaire morfologie van de perifere circulatie te voeren. Indien samen gebruikt, de evaluaties verschaffen globale informatie over de verschillende stadia van atherosclerose. Verdere prospectieve studies naar het potentieel diagnostische rol van deze technieken worden gerechtvaardigd.
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to thank Dr George Balanos for his assistance in the flow-mediated dilatation technique.
Name of Reagent/ Equipment | Company | Catalog Number | Comments/Description |
Laser Doppler Imager | Moor Instruments, Devon, UK | moorLDI2 | |
Iontophoresis Controller | Moor Instruments, Devon, UK | MIC2 | |
Miochol-E 20mg | Novartis UK | Prescribed by physician | Acetylcholine for endothelium-dependent function |
Nitroprussiat Fides 50mg | Rottapharm Spain | Prescribed by physician | Sodium nitroprusside for endothelium-independent function |
Doppler Ultrasound | Siemens PLC, Camberley UK | Accuson Antares | |
Glyceryl Trinitrate 500 mcg | Alpharma, Barnstaple, UK | Prescribed by physician |