МедУнивер - MedUniver.com Все разделы сайта Видео по медицине Книги по медицине Форум врачей  
Рекомендуем:
Кардиология:
Кардиология
Основы кардиологии
Аритмии сердца
Артериальная гипертензия - гипертония
ВСД. Нейроциркуляторная дистония
Детская кардиология
Сердечная недостаточность
Инфаркт миокарда
Ишемическая болезнь сердца
Инфекционные болезни сердца
Кардиомиопатии
Болезни перикарда
Фонокардиография - ФКГ
Электрокардиография - ЭКГ
ЭхоКС (ЭхоКГ, УЗИ сердца)
Бесплатно книги по кардиологии
Пороки сердца:
Врожденные пороки сердца
Приобретенные пороки сердца
Форум
 

Перспективы применения контрастной эхокардиографии

а) Физические основы. Доступность современных ультразвуковых контрастных средств привела к целому ряду фармакологических и технических усовершенствований, открывших эхокардиографии совершенно новые перспективы в диагностике и терапии. Контрастспецифические визуализирующие методики позволяют селективно отображать сигналы от контрастного средства и могут надежно подавлять тканевые сигналы, даже от подвижных структур, таких как сердце. Новые алгоритмы используются как для эмиссии ультразвуковых волн, так и для регистрации и обработки сигналов, отраженных от тканей и контрастного средства. Описанные в отдельных статьях визуализирующие методики основаны на различных волновых свойствах микросфер контрастного средства в зависимости от энергии ультразвука.

Рисунок ниже поясняет эти характерные волновые свойства микросфер контрастного средства при различном уровне ультразвуковой энергии. Дополнительно на рисунке показано, что довольно высокий процент микросфер контрастного средства может быть изменен и даже разрушен уже при низких уровнях ультразвуковой энергии. Как раз эти свойства контрастных микросфер принципиально отличаются от отражающих свойств тканей и являются основой для новых стратегий визуализации и терапии, описываемых в статьях на сайте.

Перспективы применения контрастной эхокардиографии
Влияние ультразвуковой энергии на контрастное средство:
а - Влияние энергии ультразвука (механический индекс, MI) на отражательные свойства контрастного средства.
б - Процент разрушения контрастного средства Дефинити в зависимости от MI.

б) Молекулярное построение изображения:

1. Принцип. Благодаря стабилизации оболочки и газового ядра ультразвуковые контрастные средства 2-го поколения можно рассматривать как строго внутрисосудистые усилители сигнала, чье поведение в потоке сходно с поведением эритроцитов. Это позволяет визуализировать сосуды вплоть до микроциркуляторного русла. Многочисленные коллективы занимались вопросом, возможно ли наряду с качественным и количественным анализом макро- и микроциркуляции при помощи модификации микросфер контрастного средства прийти к «таргетному» или даже молекулярному построению изображений. Рисунки ниже демонстрируют примеры таких возможных модификаций, превращающих нормальный микропузырек контрастного средства в так называемый «нацеленный» или «таргетный» («targeted-microbubble»). Основной принцип этих изменений заключен в варьировании оболочки микросферы.

Для этого в оболочку контрастного средства вводятся, например, носители заряда (положительный или отрицательный заряд), биотиновые или стрептовидинбиотиновые комплексы или даже целые комплексы антител.

Перспективы применения контрастной эхокардиографии
При помощи соединения с биотином (В) ультразвуковые контрастные средства могут специфически связываться с помеченным антителами эпитопом (цель - target) (см. текст).
Перспективы применения контрастной эхокардиографии
Перенос медикаментов или генов через модифицированные микропузырьки. Изображенные синим цветом вещества переносятся на оболочке, в оболочке или внутри оболочки, а в нужном месте высвобождаются при разрушении пузырьков. «Пузырек» дополнительно имеет антитела на своей поверхности, позволяющие целенаправленно связываться с антигеном (targeting) перед высвобождением содержимого.

2. Диагностика атеросклероза. В одной из более ранних работ коллектив исследователя Villanueva показал, что возможно присоединение к микропузырькам моноклональных антител к молекуле внутриклеточной адгезии (ICAM-1) (44). ICAM-1 является представителем группы лейкоцитарных молекул адгезии (LAM). Увеличенная экспрессия LAM является специфическим показателем начинающейся эндотелиальной дисфункции. При целенаправленном обнаружении IСАМ-1 на эндотелиальных клетках при помощи микропузырьков, покрытых антителами анти-ICAM-1, впервые был создан ультразвуковой инструмент для ранней диагностики атеросклероза. В модели на животных была изучена и другая важная область применения этой визуализирующей стратегии (также с позитивными результатами): диагностика острой реакции отторжения после трансплантации сердца.

3. Диагностика воспаления. В области диагностики воспалительных реакций Linder и соавт. впервые показали, что микропузырьки задерживаются в месте воспаления. Это происходит из-за связывания микропузырьков с лейкоцитами и из-за их фагоцитоза лейкоцитами. При этом микропузырьки сохраняют свои акустические свойства. При включении фосфатидилсерина в липидную оболочку микропузырьков этот эффект можно усилить. Тем самым создается интересная область применения в сфере сердечно-сосудистых заболеваний, особенно в диагностике постишемических воспалительных реакций миокарда, но, возможно, и в диагностике миокардита. Та же группа при помощи ЭхоКГ с лейкоцит-таргетным контрастным средством впервые продемонстрировала возможность неинвазивной визуализации реперфузионного повреждения миокарда. Schumann и соавт. показали улучшение детекции тромбов при использовании GP-IIb/IIIа-специфических лигандов в оболочке микропузырьков.

Перспективы применения контрастной эхокардиографии
Маркировка статичных лейкоцитов в сердце свиньи через 20 мин после инъекции. Контрастное средство обнаруживается только в миокарде (стрелки: очаг постишемического воспаления).

4. Маркировка целевых областей и отдельных клеток. Рисунок ниже демонстрирует наиболее интересную для исследований возможность маркировки целей при помощи комплексов биотина с антителами. При этом сначала комплекс биотин-антитело связывается с эпитопом целевой области. Последующее добавление биотина (шаг 2) позволяет биотинилированным микросферам контрастного средства связываться с целевой областью. Из-за большого количества доступных антител, особенно для моделей на морских свинках, здесь имеется интересная возможность для применения исследовательских результатов; первые подобные контрастные средства уже находятся в стадии клинического тестирования.

Наряду с маркировкой фиксированных целевых областей можно помечать и отдельные клетки. Здесь принципиально возможным является маркировка клеток ex vivo. Это особенно справедливо для фагоцитирующих клеток, которые можно будет обнаруживать в организме при периферическом внутривенном введении. Точно так же при помощи лигандов создается возможность для специфической маркировки клеток в кровотоке. В научных публикациях эти методики обозначаются как «cell tracking» (отслеживание клеток) и «cell trafficing» (изучение движения клеток) и важны для исследования воспалительных реакций, а также в большой области заместительно-клеточной терапии (исследование стволовых клеток). При этом становится возможным (особенно в модели на животных) неинвазивное отслеживание отдельных клеток в организме с высоким пространственным разрешением. Это удается потому, что высокая чувствительность и специфичность сигналов от контрастного средства позволяет визуализировать даже отдельные микросферы контраста.

в) Использование тканевых эффектов микропузырьков:

1. Кавитация. Дискуссия о потенциальных биологических эффектах ультразвука так же стара, как и сам метод. Кроме нагревания тканей ультразвуковыми волнами, особенную роль в этом играют эффекты кавитации. Термин «кавитация» обозначает образование в жидкости при пониженном давлении пузырьков газа. Такая область пониженного давления может возникнуть при ультразвуковом облучении в отрицательную фазу волны, когда локальное давление ультразвука становится достаточно низким, чтобы растворенный в крови газ переходил в газообразное состояние. Подобно тому, как это бывает в технике (например, при использовании гребных винтов кораблей), при схлопывании этих газовых пузырьков может повреждаться ткань. При диагностическом использовании ультразвука его энергия удерживается на таком низком уровне, что повреждения клеток не возникают.

Но этот биологический эффект может быть более выраженным при введении микросфер ультразвукового контрастного средства в случае достаточно высокого акустического давления и при использовании соответствующим образом построенных ультразвуковых импульсов. Skyba и соавт. показали in vivo (в экспериментах на животных), что при внутривенном введении контрастного средства и облучении ультразвуком можно вызвать повреждение капилляров. Другие группы в опытах на морских свинках при использовании ультразвука с нефизиологически высокой энергией наблюдали повреждения капилляров миокарда при инфузии контрастного средства.

2. Индукция артериогенеза. Однако этот нежелательный биологический эффект, не возникающий при диагностическом использовании ультразвуковых контрастных средств с обычными в клинической практике дозами контраста, может быть использован в терапевтических целях. Song и соавт. показали, что индуцированная ультразвуком деструкция контрастных микросфер в скелетной мышце крысы может вызвать артериогенез. При этом сознательно повреждались сосуды скелетной мышцы при помощи облучения ультразвуком после введения контрастного средства. Одну и две недели спустя после вмешательства у обработанных животных была обнаружена значительно повышенная плотность капилляров. Для объяснений механизма этого артериогенеза Yoshida и соавт. обнаружили повышенное количество воспалительных клеток после таргетной ультразвуковой терапии пузырьками и повышенную продукцию ФРЭС (фактора роста эндотелия сосудов). Индукция этих воспалительных реакций была объяснена как следствие опосредованного ультразвуком повреждения капилляров и повышения оксидативного стресса в окружающих тканях.

В хронической модели ишемии на задней лапе животного был обнаружен неоангиогенез, что привело к значительно более высокой толерантности к нагрузке, так что авторы постулировали возможное применение этой методики в области рефрактерного к лечению терминального артериосклероза.

Imada и соавт., кроме того, показали, что индуцированная ультразвуком деструкция контрастного средства в комбинации с трансплантацией стволовых клеток костного мозга может индуцировать усиление регионального ангиогенеза и артериогенеза. Еще одну возможную область применения прямого действия ультразвука предложили Fitzgerald и соавт. Они показали, что облучение сосудистых стентов приводит к уменьшению неоинтимальной гиперплазии. Эта методика также еще находится на ранней экспериментальной стадии.

г) Сонотромболизис. Уже в 1995 г. Tachibana и соавт. показали, что в экспериментальной модели тромбоза при введении ультразвукового контрастного средства и одновременном облучении ультразвуком разрушение тромба в рамках урокиназного лизиса происходит гораздо быстрее. Mizushige и соавт. на той же модели показали, что для этой терапии особенно подходят новые контрастные средства (2-го поколения). Culp и соавт. в 2003 г. сообщили, что в экспериментах на животных при тромбозированных артериовенозных диализных шунтах после введения ультразвукового контрастного средства и применения нового терапевтического ультразвукового датчика можно было произвести сонотромболизис в шунте и реканализацию во всех случаях острого тромбоза шунта.

1. Инфаркт головного мозга. В первом небольшом клиническом исследовании Eggers и соавт. показали, что у пациентов в острой стадии инсульта, которым был противопоказан тромболизис RTPA (рекомбинантным тканевым активатором плазминогена), одночасовое прерывистое облучение ультразвуком привело к значительно лучшей реперфузии, чем в контрольной группе без лечения. Отсюда авторы сделали заключение, что наряду с улучшением тромболизиса (например, RTPA) от этой методики могут выиграть пациенты с противопоказаниями к традиционному тромболизису. Daffertshofer и соавт. также подтвердили эти результаты в экспериментах на животных и показали лучшую эффективность RTPA-лизиса, что выразилось в меньшем объеме инфаркта. При этом индукция ультразвуком кровотечений не отмечалась.

2. Инфаркт миокарда. Cohen и соавт. при исследовании ретеплазного и тенектеплазного лизиса у пациентов с инфарктом миокарда показали преимущество его сочетания с одновременным чрескожным облучением ультразвуком. В этом исследовании использовался аппарат с низкочастотными ультразвуковыми импульсами, наносившимися через укрепленный на коже грудной клетки датчик. В этом исследовании не было описано никаких побочных явлений. Разработанный прибор в настоящее время находится на стадии клинического тестирования. С точки зрения авторов именно такая методика имеет перспективу на быстрый успех, поскольку без проблем может быть встроена в рутинную схему лечения.

д) Сонопорация:

1. Принцип. Таргетная и локально-региональная доставка веществ и, тем самым, локально-региональная терапия является предметом многочисленных научных усилий с использованием самых различных таргетных носителей. Хотя липосомы, церамиды и другие вещества могут в принципе проникать через эндотелий сосудов, но их нацеленное применение возможно лишь в ограниченной степени. Ультразвуковые контрастные средства впервые дают возможность преодолеть эти ограничения. При так называемой сонопорации фармакологически действенные молекулы или медикаменты при помощи опосредуемых ультразвуком эффектов могут проникать через клеточную мембрану и высвобождаться в заданной целевой области. Точный механизм сонопорации до сих пор не ясен. Однако в записях с высокой частотой кадров было показано, что при взрывах микросфер контрастного средства из газовых пузырьков выходят так называемые «микроструи» («microjets») или «микропар» («micro-streamings»). Фотографии на растровом электронном микроскопе сонопорированных клеток показали наличие в клеточной мембране временных микропор, через которые активно или пассивно медикаменты переходят в цитозоль.

Price с соавт. показал принципиальную применимость этой методики с использованием флуоресцирующих полимерных микросфер с диаметром в 205 и 503 нм.

2. Повышенное локально-региональное усвоение веществ. При одновременном введении микросфер ультразвукового контрастного средства и «фактора роста эндотелия сосудов» («vascular endothelial growth factor», VEGF) было показано более чем 10-кратное повышение усвоения VEGF при одновременном облучении ультразвуком и введении контрастных микросфер. Bekerdjan и соавт. показали органоспецифический локально-региональный перенос флуоресцирующих протеинов в кардиальные структуры. Mehier-Humbert и соавт. постулировали, что сонопорация вызывает появление временных микропор, нанося клетке сублетальное повреждение. Авторы показали, что индуцированные микропоры обнаруживаются лишь в течение очень короткого времени (от миллисекунд до нескольких секунд). В области терапии опухолей в опытах на животных уже были изучены первые применения локальнорегиональной химиотерапии. В одной из новых работ при помощи сонопорации после внутривенного введения доксорубицина была обнаружена значимо повышенная концентрация препарата в сосудистой стенке венозных шунтов в бассейне сонной артерии. Тем самым была уменьшена гиперплазия интимы.

Перспективы применения контрастной эхокардиографии
Доказательство экспрессии генов после опосредованной ультразвуком трансфекции (сонопорации) плазмидной ДНК, кодированной на флуоресцирующий белок (eGFP), в клеточной культуре.
Через 36-48 ч после облучения ультразвуком белок (флуоресценция) обнаруживается во флуоресцентном микроскопе как специфическое доказательство трансфекции.
Эта методика имеет значительный потенциал в рамках невиральной генной терапии.

д) Генная терапия:

1. Локальная невиральная генная терапия. Teupe и соавт. и наша собственная рабочая группа показали в первых исследованиях in vitro, что при помощи сонопорации можно переносить не только медикаменты или даже протеины, но и производить трансфекцию плазмидной ДНК при помощи разрушения в клетках микропузырьков, содержащих плазмиды. В эксперименте была произведена трансфекция LacZ-кодирующей плазмидной ДНК, а также плазмиды, кодированной eNOS. Была доказана как успешная экспрессия, так и эффективность генного продукта. Эту новую терапевтическую стратегию можно обобщить термином «локальная невиральная генная терапия», и она представляет собой новую интересную форму применения генных конструктов. Важными преимуществами по сравнению с виральной генной трансфекцией являются отсутствие иммуногенности и локально-региональное применение. Рабочая группа под руководством Grayburn показала высокую эффективность миокардиальной трансфекции. На данный момент, кроме трансфера плазмидной ДНК, уже был продемонстрирован трансфер «малой интерферентной РНК» («small interference RNA», siRNA). Тем самым становится возможным не только стимулировать экспрессию генов, но и целенаправленно подавлять экспрессию определенного белка в заданной целевой области.

2. Применение фокусированного ультразвука. Современные ультразвуковые методики, например такие, как высокоинтенсивный фокусированный ультразвук (High Intensity Focused Ultrasound, HIFU), могли бы играть особенную роль в клинических условиях. В настоящее время проводится интенсивная работа над новыми конструкциями, при помощи которых можно было бы успешно стимулировать поступление препаратов, белков, трансфицировать плазмидные ДНК/siRNA или даже вирусные частицы. Ценность этих новых методик, особенно на фоне возможных повреждений тканей, еще следует определить. Но поскольку при помощи фокусированного ультразвука биологические эффекты, возникающие при сонопорации, можно ограничит ь очень малыми целевыми объемами, в конечном итоге успех этих новых методических разработок зависит от развития эффективных конструкций.

- Также рекомендуем "Трехмерная эхокардиография: технические аспекты"

Редактор: Искандер Милевски. Дата публикации: 24.12.2019

Медунивер - поиск Мы в Telegram Мы в YouTube Мы в Вконтакте Мы в Instagram Форум консультаций наших врачей Контакты и реклама
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.