心血管成纖維細胞顯像的現狀和展望

李麗娜 楊敏福

(首都醫科大學附屬北京朝陽醫院核醫學科,北京 100020)

《中國心血管健康與疾病報告2021》[1]指出,我國心血管病的發病率與致死率仍然高居榜首,心血管病分別占我國農村與城市疾病死因的46.7%和44.3%。心血管纖維化是各類心臟疾患共同的病理學組織特征[2-3],也是心臟和血管重構的重要表現之一,主要表現為成纖維細胞活化為肌成纖維細胞,并分泌膠原蛋白,導致膠原蛋白的過度沉積[4],常發生于多種原發性疾病,比如高血壓、心肌梗死(以下簡稱心梗)、冠狀動脈粥樣硬化性心臟病(以下簡稱冠心病)等。在損傷早期,適應性替代性纖維化對維持心血管的結構完整性和功能至關重要,而持續或過度的病理性失代償纖維化則會導致慢性瘢痕形成和不良重構[5-6]。心肌纖維化是評估疾病活動性、提供風險分層的關鍵成像靶點,也是阻止不利重構和維持心肌健康的治療靶點[7]。因此,精準檢測和定量心血管疾病纖維化對心血管疾病的治療和預后評估有重要價值。

現有的各種成像技術,包括心臟磁共振(cardiac magnetic resonance,CMR)、冠狀動脈計算機斷層掃描血管造影(computed tomography angiography,CTA)及超聲心動圖等可以用來評估心血管疾病的結構和功能。

CMR能準確顯示心臟結構與功能的變化,是目前臨床上評估心肌纖維化最常用的無創影像方法[8-10],多種磁共振序列可用于評價心肌纖維化,最常用的是延遲強化(late gadolinium enhancement,LGE)和基于CMR高分辨率縱向弛豫時間定量成像技術(T1 mapping)獲得的細胞外容積分數(extracellular volume fraction,ECV)。LGE技術是目前在體定量評估心肌纖維化最有效的方法,但LGE所示心肌纖維化提示心肌瘢痕形成,即終末期纖維化,此時已無法進行有效的干預[11]。T1 mapping技術通過定量評估ECV的變化反映心肌纖維化,但除膠原蛋白沉積外,其他原因導致的心肌水腫、炎癥和壞死等病理改變也會導致細胞外空間的擴大,ECV升高。因此,ECV僅作為判斷彌漫性心肌纖維化的間接替代指標。

CTA在檢測冠狀動脈狹窄方面的獨特優勢,使其成為篩查冠狀動脈疾病患者替代侵入性冠狀動脈造影的常規檢查;對斑塊負荷和形態的顯示,使其逐步成為血管內成像的重要檢查手段[12]。雖然CTA為臨床疾病診斷、風險管理提供重要的解剖學信息,但并不能反應血管的纖維化情況。CTA 檢查過程中的碘造影劑過敏反應和腎毒性亦是不可忽視的嚴重問題。

常規超聲心動圖以及斑點追蹤成像等新技術可以檢測心肌纖維化導致的心臟形態、結構和功能異常[13],但無法直接顯示纖維化成分,因此也是非特異性顯像。而且,當超聲提示異常時,往往提示纖維化已經比較顯著或已有不可逆的損傷,因此,無法用于早期診斷。

因此,目前迫切需要能夠在心血管纖維化早期、可逆階段進行檢測的無創影像技術。這一技術瓶頸的突破,將為疾病治療提供客觀依據,并可能以此為指導依據,逆轉心肌纖維化,改善不良預后。

1 心肌成纖維細胞

心臟成纖維細胞在心臟疾病和愈合中起著至關重要的作用,這些細胞負責產生細胞外基質蛋白,其中I型膠原蛋白為主要成分,約占85%,可以維持心臟結構的強度,Ⅲ型膠原蛋白約占11%,可維持心臟的彈性和張力[14]。成纖維細胞在細胞因子和神經調節因子的作用下,分化為活化的成纖維細胞和平滑肌樣肌成纖維細胞,這些細胞通過調節基質金屬蛋白酶和纖維連接蛋白對細胞外基質發揮作用,對病變或損傷心肌的愈合反應至關重要。雖然纖維化過程對于心臟的損傷修復和重塑等方面很重要,但隨著纖維化進一步發展,可引起心臟結構和功能的不良改變,導致進行性心腔擴大、心肌細胞肥大、心肌壁張力增加,最終導致充血性心力衰竭。

2 成纖維細胞活化蛋白抑制劑

心臟成纖維細胞活化是纖維化過程的關鍵環節,成纖維細胞活化蛋白(fibroblast activation protein,FAP)是活化成纖維細胞表達的一種細胞膜表面抗原,在未活化的成纖維細胞和機體的其他細胞很少或幾乎不表達[15],而在機體的多種纖維化進程中普遍存在。針對FAP,目前已開發出放射性核素標記的FAP抑制劑(FAP inhibitor,FAPI)靶向探針,可以通過檢測活化成纖維細胞來評估纖維化過程,包括間質性肺疾病、腎纖維化、肝纖維化和IgG4相關疾病[16-19]。研究[20-23]表明,在心梗、肺動脈高壓所致的右心疾病、化學治療(以下簡稱化療)藥物導致的心臟毒性和肥厚型心肌病等患者中均發現,FAPI顯像可以在磁共振異常之前識別出活化的成纖維細胞,這表明FAPI核素顯像是一種可行的檢測早期心肌纖維化的無創影像學手段。

3 FAPI顯像在心血管疾病中的應用

3.1 急性心肌損傷

心臟成纖維細胞在急性心梗后心室重構中發揮關鍵作用。心梗后迅速產生的炎癥反應能招募并激活心臟成纖維細胞合成膠原等物質以修復壞死心肌,從而維持心臟結構的完整性。然而,心梗后持續或過度的成纖維細胞活化會導致心臟硬度增加,順應性減低,促進不良心室重構,并誘發心力衰竭。因此,早期檢測心肌纖維化所致的心室不良重構,是預防心力衰竭發展的關鍵。

在一項基礎研究[24]中,Varasteh等首次將68Ga-FAPI顯像用于心梗大鼠模型。在結扎冠狀動脈后,連續進行68Ga-FAPI顯像,結果顯示梗死區及其鄰近邊緣區有顯著的放射性示蹤劑攝取,在6 d左右達到峰值。此后,心肌攝取逐漸減少,2周時恢復到接近基線水平。進一步觀察放射自顯影結果顯示,與梗死區相比,在梗死邊緣區68Ga-FAPI攝取更顯著,而在偏遠區沒有檢測到活化成纖維細胞。該研究的創新在于68Ga-FAPI顯像再現了心梗后成纖維細胞的激活和心肌纖維化活動隨時間的變化情況,并對該信號進行組織學水平的驗證。上述研究結果被后續的基礎研究[25]證實。由此可見,FAPI 顯像可無創監測急性心梗后早期活化的成纖維細胞,可能有助于評估纖維化的修復情況。

在后續的多項臨床研究[26-29]中,均發現急性心梗引起的心肌損傷能夠導致FAPI 攝取增加。此外,還發現FAPI攝取不止局限于梗死區,通過與CMR的結果比較,發現FAPI 攝取的范圍明顯大于CMR所示的梗死范圍,甚至超過了水腫范圍[20,26]。Diekmann等[29]還將心肌灌注顯像、FAPI顯像與CMR的組織特征和功能學參數進行相關性研究,結果發現心肌FAP高表達范圍顯著大于由心肌灌注顯像和CMR確定的梗死和損傷范圍,并且心肌FAP的高表達與隨訪的左室射血分數呈負相關,提示其可作為心梗后不良預后的預測因子。

此外,FAPI 顯像能夠預測急性ST段抬高型心梗患者左心功能恢復。Xie等[20]的研究發現,對于急性ST段抬高型心梗患者,急性期FAPI 攝取的強度與三個月隨訪時的左室射血分數呈負相關。該研究首次證實FAPI 顯像對心梗后的心臟功能恢復具有預測價值,提示心梗后過度的成纖維細胞激活可能與不良心室重構有關。同樣,Zhang等[28]對接受經皮冠狀動脈介入治療的心梗患者術后12個月后進行了隨訪,結果顯示與左心室不良重構組的患者相比,無重構組在基線時表現出更高的心肌68Ga-FAPI攝取。與基線臨床信息、CMR序列和心臟功能參數相比,基線FAPI攝取容積具有更好地預測遠期左心室不良重構的能力。

迄今為止,相關報道表明[20,27]FAPI攝取與急性炎癥或心肌損傷相關標志物的水平之間沒有相關性。此外,FAPI攝取與轉化生長因子-β1、腫瘤壞死因子-α、interleukin-6、高敏C反應蛋白、肌酸激酶和乳酸脫氫酶峰值水平沒有相關性。筆者猜測原因可能是血清標志物在血液中的峰值時間與心肌攝取FAPI的峰值時間不一致,或者其他亞型成纖維細胞和/或巨噬細胞之間的相互作用也會對其產生影響。

因此,FAPI顯像是一種非常有潛力的、可定量監測心梗后活化心肌成纖維細胞的影像學工具。相比傳統的影像指標,心梗后基線的心肌FAPI攝取可能更好地預測遠期左心室不良重構。但心肌FAPI攝取與血清標志物之間的具體聯系仍需進一步探索。

3.2 慢性心肌損傷

3.2.1 腫瘤治療導致的心肌損傷

既往研究[30-31]表明,某些化療藥物具有一定的心臟毒性,在接受化療的腫瘤患者中使用FAPI顯像可能為評估心臟毒性提供重要信息。Heckmann等[22]對229例惡性腫瘤患者行心肌68Ga-FAPI顯像并進行多因素回歸分析,發現左心室68Ga-FAPI攝取增加與心血管危險因素(體質量指數升高、II型糖尿病)、既往使用鉑類化療藥和胸部放療史相關。

免疫檢查點抑制劑相關心肌炎是腫瘤治療嚴重的并發癥,其診斷具有一定的挑戰性。Finke等[32]對3例發生免疫檢查點抑制劑相關心肌炎的患者的68Ga-FAPI顯像發現每位受試者均有局灶、顯著的心肌68Ga-FAPI攝取,而另外23例接受免疫檢查點抑制劑治療而沒有發生心肌炎的患者中,沒有觀察到心肌FAPI攝取。

對于放射性治療(以下簡稱放療)誘導的心肌損傷,一項回顧性研究[33]評估了13例接受同步放化療的食管鱗癌患者放療前和放療期間心肌FAPI攝取情況,發現同步放化療后患者心肌FAPI攝取增加,FAPI顯像可以在射血分數減低之前檢測到放療導致的心肌損傷,提示FAPI顯像具有早期監測輻射所致的心肌損傷的潛力。此項結果表明,68Ga-FAPI顯像對于診斷腫瘤治療相關的心臟毒性可能具有潛在的價值。

3.2.2 肥厚型心肌病

心肌纖維化是肥厚型心肌病的重要的病理學特征,也是患者發生心源性猝死和不良心室重構的重要病理學基礎。Wang等[23]首次應用FAPI顯像評估了肥厚型心肌病心肌纖維化,結果表明,與健康受試者相比,所有肥厚型心肌病患者的左心室心肌均顯著攝取FAPI,且具有明顯的異質性,并且FAPI攝取顯著大于CMR所示心肌肥厚區域。肥厚型心肌病患者左心室心肌FAPI的攝取強度與5年心臟性猝死風險評分顯著正相關。Zhang等[34]的研究表明,在肥厚型心肌病患者中,FAPI顯像比與CMR能檢測到更大范圍的受累心肌,并且額外識別的心肌已經存在順應性的減低。FAPI顯像作為一種有臨床前景的評估心肌損傷的影像學方法,可用于肥厚型心肌病的風險分層及預后評估,未來有望將FAPI核素治療用于無創性解除肥厚型心肌病患者的流出道梗阻。

3.2.3 肺動脈高壓所致的右心疾病

肺動脈高壓可導致右心功能及結構受損,而右心纖維化的精準評估在臨床上具有很大的挑戰性。Chen等[21]在13例慢性血栓栓塞性肺動脈高血壓的患者中發現,77%的患者存在右心室FAPI異常攝取,主要位于游離壁,并且FAPI攝取與室壁厚度及右心收縮功能相關,與CMR T1 mapping序列參數(native-T1 times,enhanced-T1 times及ECV)無明確相關性。這表明FAPI顯像反映了心肌纖維化的早期階段,而 T1 mapping改變可能提示了心肌纖維化的中晚期,這兩種成像方式可能是互補的。

3.2.4 其他心臟疾病

除上述的心臟病外,FAPI 顯像也應用于其他類型的心臟疾病。Song等[35]分別通過心力衰竭的動物模型和臨床患者進行研究,發現隨著心力衰竭進展,FAPI在早期攝取較高,隨后逐漸降低,表明FAPI可顯示活動性心肌纖維化,早期檢測到活化的成纖維細胞表達可能有助于指導心力衰竭患者的治療。Xie等[36]首次使用99mTc-HFAPi顯像識別高血壓所致的早期的心肌纖維化,未來有望用于指導臨床降壓治療。輕鏈型淀粉樣變性可導致心肌細胞壞死和間質纖維化,最近的研究[37]表明,FAPI顯像可同時顯示心肌淀粉樣變的纖維化區域和炎癥區域。目前關于FAPI顯像在心臟結節病中的應用,有一例個案[38]報道,患者FAPI顯像結果提示心臟有明顯攝取。Treutlein等[39]首次證明FAPI顯像可以顯示系統性硬化癥的心臟成纖維細胞活性,并且觀察到FAPI攝取的范圍和CMR空間分布相似,但不完全相同。關于FAPI顯像在評估心肌纖維化中的應用,這些基于臨床前和臨床的初步數據[20,24,29,35,36]表明了其應用的可行性。對心肌纖維化不同病程的預后價值的評估,仍需要通過更大規模多中心研究和更長隨訪時間來驗證。

3.3 FAPI顯像在血管病變中的應用

隨著FAPI顯像應用的逐步增多,部分研究關注并評價了其在血管病變中的價值,但目前相關研究仍相對較少。

Takayasu動脈炎因其臨床信息、生物學指標和影像學數據并不總是一致,對于其活動度的評估具有挑戰。一篇關于Takayasu動脈炎的個案報道[40],對一名19歲女性患者行18F-氟脫氧葡萄糖正電子發射斷層顯像(18F-fluoro-2-deoxy-d-glucose positron emission tomography,18F-FDG PET) 顯像檢查評估疾病活動性,未見異常18F-FDG攝取。隨后行FAPI顯像,發現雙側頸動脈、鎖骨下動脈、胸腹主動脈管壁輕度增厚并且FAPI攝取顯著增加。此報道的結果表明FAPI顯像在檢測Takayasu動脈炎活動性炎癥方面優于18F-FDG,可用于監測大動脈炎患者的疾病活動度,為大動脈炎患者選擇最佳治療方案提供依據。

關于FAPI顯像在肺動脈中的應用,Gong等[41]評估了13例慢性血栓栓塞性肺動脈高壓的患者和13例對照組的肺動脈FAPI攝取情況,發現FAPI顯像具有評估肺動脈壁成纖維細胞活化的潛能,并且肺動脈中FAPI攝取與肺動脈舒張壓呈正相關。這提示FAPI顯像在預測慢性血栓栓塞性肺動脈高壓患者的疾病嚴重程度和右心功能方面具有潛在價值。

關于FAPI顯像在肺靜脈中的應用,Kupusovic等[42]評估了冷凍球囊肺靜脈分離術和射頻消融術后左心房肺靜脈區域的FAPI 攝取情況。83.3%的患者肺靜脈分離術后中觀察到肺靜脈周圍有FAPI 攝取。結果表明FAPI顯像在體顯示肺靜脈分離術后術區成纖維細胞活化,能夠可視化評估導管消融后損傷。未來的研究有必要評估FAPI顯像是否有助于更好地闡明肺靜脈分離術后心房顫動復發的機制。

Wu等[43]回顧性分析了 41 例非血管疾病患者的FAPI顯像結果,評估了大動脈管壁的FAPI攝取與鈣化程度及心血管危險因素之間的相關性,結果表明FAPI顯像具有顯示動脈管壁成纖維細胞活化的潛能,這一發現可能推進在動脈粥樣硬化領域開展進一步的隊列研究提供新思路。

盡管FAPI顯像在評估血管纖維化的相關研究樣本量較少,缺乏隨訪,但隨著病例的逐步積累和對FAPI顯像定量、半定量測定與其他影像學、臨床資料進行深入解析,相信可以得到更多對臨床有價值的信息。

4 總結與展望

迄今為止,關于FAPI顯像在心血管疾病中的作用的證據仍然較少,還處于起步階段,缺乏大樣本、多中心的隨機對照研究。但以上羅列的相關研究結果表明,FAPI顯像在心血管疾病患者的診斷和預后評估方面很有潛力,應用最多的領域是冠心病,特別是在評價急性心梗后心肌損傷修復改變方面。在其他原因所致的心肌病中,FAPI顯像作為檢測早期纖維化改變的非侵入性手段,在未來臨床監測療效和預后評估中應用前景深遠。針對血管疾病評估,目前仍沒有系統性研究分析FAPI顯像在其診療中的應用,未來將有更大的空間等待我們去探索。

越來越多的證據表明成纖維細胞具有多種的功能和表型,這些功能和表型很可能在纖維化的不同階段不斷演變,目前不同心血管疾病、不同進展階段進行的FAPI顯像結果與其他影像學和臨床指標所反映的結果存在錯綜復雜的關系,未來還有很多問題值得探索。比如,不同的成纖維細胞亞型在不同心血管疾病狀態下的表達遵循的時間進程有差異,在存在個體間差異的情況下,后續研究可聚焦于將FAPI顯像應用于臨床實踐;以及在病程的不同時間點進行FAPI成像,推測疾病后續的進程。此外,不同亞型成纖維細胞之間的相互作用與只存在活化成纖維細胞的情況對于FAPI顯像所提示的信息是否一致,值得進一步探索。

FAPI顯像與現有成像方式,如超聲心動圖和CMR相比,其作用究竟如何還未可知。目前FAPI顯像在評估心血管疾病纖維化中具有重要價值,未來需要核藥學、核醫學及臨床領域的研究者合作,最大程度發揮FAPI 顯像的效能,助力心血管疾病的精準診療。

利益沖突所有作者均聲明不存在利益沖突。

作者貢獻聲明李麗娜:論文撰寫,審定論文;楊敏福:提出研究思路,總體把關,審定論文。