利用新型基于频率的心肌标记定量方法评估小型猪人源心肌细胞移植后环向应变恢复

《Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance》：Circumferential Strain Recovery After Human Cardiomyocyte Transplantation in Minipigs Using a Novel Frequency-Based Method for Myocardial Tagging Quantification

　　

研究人员检验了人源多能干细胞衍生心肌细胞（hPSC-CMs）通过改善梗死区域局部收缩力而影响心脏功能的假设。研究人员描述了一种新颖的方法，用于快速且稳健地量化心肌收缩末期环向应变（CS）。该方法采用60度偏置角度放置线性标记，并通过基于局部傅里叶变换的标准化美国心脏协会（AHA）心肌节段分析进行优化后处理。此方法首次被用于评估小型猪心肌梗死模型中经心内膜hPSC-CMs移植的效果。新型基于频率的心肌应变计算方法的验证通过两种独立途径完成：（1）标记追踪法，和（2）特征追踪技术。在细胞治疗心脏（n=4）中，梗死节段（前壁与前间隔区域联合）中壁区域的平均收缩末期CS从心肌梗死（MI）前的-6.69 ± 1.56%下降至MI后2周（治疗前）的-1.13 ± 1.96%，随后在细胞移植后8周改善至-4.00 ± 0.76%。相反，载体对照组（n=5）梗死节段的CS从MI前的-5.18 ± 0.97%下降至MI后2周的-1.39 ± 1.23%，并在载体注射后8周进一步恶化至0.33 ± 1.93%。细胞治疗组与对照组相比，整体射血分数无改善。该心肌应变计算新方法与传统标记追踪法及特征追踪应变分析在各种实验条件下（正常心脏、梗死、细胞/载体治疗）均显示出高度相关性。这种新型基于频率的局部环向应变评估技术无需专门的采集协议、k空间数据访问、高度优化的重建算法或商业软件，能够快速精确地评估局部心肌损伤与恢复。研究人员的发现支持其假设，即hPSC-CMs移植可改善梗死小型猪 where 心脏的局部心肌应变。

再生医学为心肌梗死（MI）的治疗开辟了新前沿。尽管已有研究表明人源多能干细胞衍生心肌细胞（hPSC-CMs）移植可改善非人灵长类动物（NHP）心肌梗死后整体左心室（LV）射血分数并减少不良重构，但在猪等大动物模型中，整体和局部收缩力指标（射血分数和缩短分数）的改善并不一致，因此亟需对心脏细胞治疗更敏感的新型收缩力测量指标。心肌应变作为区域心肌形变的量化指标，能够识别亚临床心肌功能障碍并预测心血管事件，可能为评估这种新型治疗疗效提供优于整体射血分数的指标。心脏磁共振（CMR）标记技术是心肌应变量化的经典参考技术，但其专用采集要求和复杂的后处理限制了常规临床应用。谐波相位分析（HARP）需k空间数据和定制软件，位移编码刺激回波（DENSE）及应变编码（SENC）等技术同样存在操作繁琐、信噪比低等问题。为此，研究人员开发了基于局部频率变化测量环向应变的新方法，无需专用采集协议、k空间访问权限或商业软件，旨在为心肌损伤和再生治疗反应的快速评估提供简化途径。

研究人员开展了以下研究：首先，开发一种快速准确的区域心肌形变标记图像评估方法；其次，以标准标记追踪和特征追踪技术进行验证；最后，在心肌梗死小型猪模型中检验该技术评估经心内膜心脏细胞治疗疗效的稳健性。研究使用9只尤卡坦小型猪（雄性，30-40 kg），通过闭胸法建立心肌缺血再灌注模型（前降支中段球囊闭塞90分钟），2周后进行经心内膜hPSC-CMs移植（NOGA-MyoStar系统，15个位点，总计5×10⁸细胞）或载体对照。心脏磁共振成像于MI前、MI后2周及细胞/载体注射后4周和8周进行，采用3.0 T飞利浦Ingenia CX扫描仪，包括平衡式快速场回波（bTFE）电影序列、补码空间调制（CSPAMM）标记序列及延迟钆增强（PSIR）序列。标记线以60度偏移切向放置于心壁，与标准AHA节段对齐。新的频率分析方法在MATLAB中实现，通过垂直于标记方向的局部傅里叶变换测量空间频率峰值变化计算垂直应变，再根据左心室中心至像素点连线与标记方向夹角θ校正为环向应变：e_{circumferential} = e_{perpendicular} / cos(θ)。方法验证通过与标记追踪法（相关系数0.86785）及特征追踪法（Pearson相关系数0.66033）比较完成。统计分析采用t检验和配对t检验。

**健康小型猪心脏左心室应变模式**：正常心脏整体平均峰值CS为-5.95 ± 0.85%（n=9），各AHA节段区域平均收缩末期CS在-5.27%（下间隔）至-8.00%（下壁）之间。整体平均峰值应变率（SR）为-30.80 ± 3.25%/s。各节段CS动态变化相似，收缩期从舒张末期增加至收缩末期达峰，舒张期恢复。

**心肌梗死后的左心室应变**：MI导致显著左心室重构（腔室容积和质量增加）、射血分数下降，以及受累节段（前壁和前间隔）CS和SR显著降低。梗死后2周，梗死节段收缩末期CS从-5.83 ± 0.69%降至-1.28 ± 1.07%（p = 0.0007），而整体峰值CS无显著变化；SR从正常基线-30.80 ± 3.25%/s降至-21.13 ± 2.60%/s（p = 0.0105），梗死节段SR变化显著（p = 0.0004）。非梗死节段出现代偿性CS增加（30-45%）。新标记算法计算的左心室功能障碍区域与PSIR钆增强显示的梗死区吻合。特征追踪法同样检测到梗死后2周区域CS和SR的降低。

**hPSC-CM移植后的左心室应变与应变率**：除细胞治疗组4周时收缩末期容积较大外，两组整体收缩功能参数（射血分数、收缩/舒张末期容积、每搏量）在各时间点均无统计学差异。然而，区域心肌收缩末期应变和应变率成功检测到hPSC-CMs移植在梗死区的有益效应。细胞治疗组梗死节段平均收缩末期CS从MI前-6.69 ± 1.56%降至MI后2周-1.13 ± 1.96%（p = 0.0234，与MI前比较），移植后8周改善至-4.00 ± 0.76%（p = 0.0821，与MI前无显著差异）；而对照组同期进一步恶化至0.33 ± 1.93%。两组间在移植后4周（p = 0.0358）和8周（p = 0.0298）存在统计学显著差异。该改善与组织学证实该区域存活移植细胞一致。非梗死节段呈现代偿性CS增加趋势，仅前外侧节段8周时达显著性（p = 0.0249）。hPSC-CMs移植还导致梗死左室节段区域心肌应变率在移植后4周和8周显著增加，8周时恢复至接近梗死前水平，而载体对照组未恢复。

**方法验证**：新频率法与特征追踪法在绝对应变值上存在差异，但变化方向一致。特征追踪法结果变异度更大，4周时两组间差异未达显著性，而新频率法在4周及8周均能检测差异。新频率法重复测量变异系数（CV）较低（CS 3.6%，梗死节段3.0%；SR 4.8%，梗死节段7.5%），优于特征追踪法（CS CV 13.0-26.5%，SR CV 8.7 again this 8.7-19.1%）。

讨论部分指出，心肌组织标记技术自Zerhouni等首次引入以来已发展30余年，HARP、DENSE、SENC及特征追踪等方法或需复杂后处理，或需k空间操作能力，或依赖昂贵专利软件。本研究提出的简化方法基于CSPAMM快速采集、60度标记模式对准AHA节段、局部傅里叶变换优化后处理，可在MATLAB中快速（<1分钟/三个采集平面）生成环向应变图，无需专门协议或商业软件，易于整合至放射学PACS环境。研究测得正常小型猪整体峰值CS为-5.95 ± 0.85%，与文献报道的约克夏猪数据一致；但与人类研究相比数值偏低，可能与切片位置（中下至心尖短轴）、物种差异及处理方法有关。新方法空间分辨率更高（3 mm标记间距，6 mm层厚），时间分辨率优于HARP。

心肌梗死后整体峰值CS初始未显著变化，但区域梗死节段CS显著下降，与文献报道的猪心肌应变数据相符。hPSC-CMs移植改善了靶向梗死节段（前壁和前间隔）的峰值环向应变和应变率，而未经治疗动物的功能持续恶化，这与Amado等报道的骨髓间充质干细胞移植结果高度相似。组织学证实存活移植细胞的存在，支持功能性心肌再生导致区域应变改善的机制。然而，研究未观察到整体收缩功能改善，可能与细胞剂量相对不足（受猪致死的植入心律失常风险限制）及种间差异、随访时间不足（移植心肌成熟需3个月以上）有关。

该研究的局限性包括：样本量小、随访期短、细胞产品剂量不足；仅分析单一中短轴切片，可能无法代表整个心室；未明确整体收缩功能未显著改善的具体机制。未来研究可拓展至多切片采集和长轴成像以实现纵向和径向应变计算。

研究结论：研究人员开发并首次应用一种新型心肌标记分析方法评估小型猪梗死心脏的人源心脏细胞治疗。基于三种60度方向标记对准AHA心脏节段的方法，可对梗死小型猪心脏的环向应变和应变率进行稳健评估。该新型频率技术无需专门采集协议、k空间数据、高度优化重建算法或商业软件。该方法成功检测到心肌梗死后环向应变的下降以及人源心肌细胞移植后相对于未治疗对照的心肌应变恢复，并经标准标记追踪法和特征追踪应变分析验证，在各种实验条件下显示出相似的环向应变时间变化趋势。