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ScienceTM:一種全新精準的冠心病檢測工具

導 讀

心肌缺血會導致中風,心梗乃至死亡。缺血性心肌病是世界上致死率最高的疾病之一,由缺血性心臟病導致的死亡人數在1990 到2015年這26年間上升了73.3%。截止2018年,據估計世界上大約有1億1千萬人患有各式缺血性心肌病,及時診斷缺血性心肌病以及評估其嚴重程度對後續的治療十分重要。

近日,一支由來自勞森衛生研究院和西達賽奈醫學中心的科學家隊伍在《科學》雜誌上發表文章,闡述了一種綜合了核磁共振的新式方法,在不用抽血的情況下檢測心肌氧合指標,相比於傳統的血檢/心電圖等手段,這種方法更安全,簡便,結果更詳細的並且可以和人工智慧相結合,潛力巨大。

心肌的供血不是一成不變的,而是始終處於一種波動的狀態。這種波動經過人體自身的調節作用能達到一個相對穩定的供需平衡,保證心臟能正常工作。因此,當心臟的動脈發生病變不能向心臟輸送足夠的富氧血液時,導致心肌缺血,就會引發缺血性心臟病,又被稱為冠狀心血管病或者冠心病,是最常見多發的後天性心臟病。

在美國每年因心血管疾病死亡的人群裡,大約43.8%患有冠心病。據估計,到2035年,美國將有約1,3億的成年人(佔成年人口的45.1%)將患有心血管疾病。在我國,僅2014年,城市人口冠心病死亡率就高達107.5/10萬,農村人口冠心病死亡率為105.37/10萬,更令人心痛的是,這兩個數據是逐年上升的。

據WHO 統計,冠心病目前仍然是全球最常見的致死疾病。一般來講冠心病好發於35歲以上人群,更偏愛男性,但是近年來,由於生活壓力的增長和不健康的生活方式,年輕人群因缺血性心臟病發致死的案例也在不斷增多。

缺血性心臟病有三種主要病理型分類:阻塞性冠狀動脈病,非阻塞性冠狀動脈病和冠狀動脈微血管病。前兩種影響心臟表面的大動脈,第三種影響心肌中的微小動脈,需要注意的是這三種心臟病可能同時發生。

我們平時在生活中經常會聽到這個詞「動脈粥樣硬化」—血液中過高的膽固醇,低密度脂蛋白等脂質會不斷網血管壁內遷移,破壞血管壁的正常機構,最終脂質和壞死的組織聚集在一起形成像米粥一樣粘稠的斑塊。

當動脈粥樣硬化發生在心臟動脈中時,聚集在一起的斑塊會使動脈變窄,變硬,從而減少血液的流量,這就是冠狀動脈病。

除此以外,慢性炎症,高血壓,高血脂,小片斑塊或者血塊乃至於正常的衰老過程,都有可能引起心臟裡的微小血管產生分子層面的變化,最終導致冠狀動脈微血管病。

根據臨床的不同表現,冠心病也經常被分為五類:隱匿型(癥狀不太明顯),心肌梗死型,猝死型,心力衰竭型以及心絞痛型。

▲阻塞性冠狀動脈病 (4)

吸煙,不健康的飲食習慣,壓力大,加班,空氣汙染,家族心臟病史,腎病等很多因素會增加我們患病的風險,而這些因素在現代社會是如此的常見。

為了及時挽救病人的生命,科學家和工程師發明了很多技術來診斷冠心病。

驗血:檢查膽固醇,甘油三酯,血糖,水準脂蛋白和其他的一些炎症標誌物。

回聲超聲心動圖:檢查心臟的泵送能力並觀察其瓣膜和腔室的功能。這種成像可以顯示出可能由冠狀動脈狹窄或阻塞引起的血流不暢的區域。一種稱為經胸多普勒超聲的技術可以監測心臟小動脈對增加血流量藥物的反應。回聲超聲心動圖通常用來幫助診斷冠狀動脈微血管疾病。

心電圖(EKG或ECG):如果心臟某系地方出現問題,電信號也會個陣變化。確定心臟的節律是否穩定和規律對冠心病的診斷具有重要意義。

壓力測試:檢查心臟的抗壓能力。在壓力測試期間,病人被要求在跑步機上行走或跑步,或者其他的有氧運動。在運動的時候,病變的心臟不能正常的快速收縮,醫生會根據病人的表現來打分。

心臟CT(計算機斷層掃描):用來評估冠狀動脈疾病的嚴重程度。

心臟MRI(磁共振成像):檢測心臟的組織損傷和動脈血流問題。

心臟正電子發射斷層掃描(PET):病人體內注射入放射性示蹤劑,讓血流更直觀的顯示在圖片上,醫生通過評估流經小動脈血流中的放射性示蹤劑的參數來診斷冠狀動脈微血管病。

冠狀動脈造影:直觀的顯示病人的冠狀動脈內部病變的部位和程度,是現行的金標準。醫生將一根兩毫米左右粗細的導管插入病人體內,深入到冠狀動脈之中。通過導管往冠狀動脈中注入造影劑。在X光片裡, 冠狀動脈堵塞或者狹窄的部分因為沒有造影劑流過,會與周圍正常組織形成顯著的對比,對疾病評估和指導治療有重要意義。

冠狀動脈導絲感測器技術:該技術通常用於評估心臟中的微血管功能。通過心臟導管插入將配備有感測器的導絲插入心臟動脈,感測器可以檢測冠狀動脈血壓和溫度,以測量血液流過小動脈的容易程度。通常在測量之前醫生會給病人施用增加血流量的藥物,如果小動脈對藥物沒有反應,就表明了病人冠狀微血管發生病變。

▲導絲 (7)

因為缺少最直接的評估病人心臟內部的氧氣使用狀況,醫生們只能通過收集心肌內的血液流量,心電圖,乃至評估身體運動機能來側面的診斷冠心病。但是,最近的一項技術突破可能給全世界的冠心病患者帶來福音。

日前,一隻由勞森衛生研究所和西達賽奈醫學中心的科學家領導的國際團隊首次證明磁共振成像(MRI)可用於測量心臟的氧氣使用情況,研究成果發表在《science translational medicine》上。該團隊的研究人員來自世界各地的多個研究機構; 勞森衛生研究院(西安大略大學),西達賽奈醫學中心,加州大學,英國國王學院,愛丁堡大學,多倫多大學以及西門子醫療研發部。

他們開發出了一套安全可靠的無創心臟功能磁共振成像(cfMRI)技術,該技術無需電離異塵餘生,無需針頭,無需注射造影劑便可以檢測心肌的氧合狀況,在患者無需運動的狀態下進行高效的全心臟成像,用以診斷缺血性心臟病。

目前,撇除動脈造影技術在病理學層面的局限性不談,可用於測量到心臟內血流狀況的手段仍然靠需要注射放射性化學物質,造影劑乃至病人高強度壓力測試來增強MRI信號從而檢測動脈病變程度。雖然經過無數次的測試這些技術被證明對大多數病人的風險相當小,但是對某些患有慢性腎病和身體虛弱的患者來說,使用現有的技術,仍然會對他們的身體產生很大的負擔。

「這種新方法,心臟功能磁共振成像(cfMRI),不需要將針頭或化學物質注入體內」 勞森中心成像部門助理總監Frank Prato博士說。

▲該系統用電腦控制二氧化碳投放量,實時監測二氧化碳分壓

「我們的發現表明,可以使用MRI來研究心肌活動,」 Prato博士解釋說, 「我們已成功使用臨床前動物模型,現在我們正準備證明這技術可以用來準確地檢測患者的心臟病。」

研究人員採用一種不斷重複的對組織投放二氧化碳的方法來測試心臟血管向肌肉輸送氧氣的效率。呼吸機改變血液中二氧化碳的濃度,在健康的心臟裡,這種變化會改變心臟血流量。也就是說當血管病變以後心臟血流量不會很明顯的變化。

▲系統檢測到的 狗心臟內的血氧濃度相依對比信號

早在2008年,其他院校的研究人員已經開發了監測心肌氧合敏感度的磁共振技術,但是他們只得到了一些模糊的圖像和很多的噪音。項目負責人和合作夥伴西達賽奈醫療中心生物醫學影像研究所副所長Rohan Dharmakumar博士認為,雜訊實際上是心臟氧合作用時的產生的變化,據此他設計了一種平均這種變化以擺脫噪音的演算法。

Dharmakumar博士還說:「我們發現了一種全新的識別缺血性心臟病的方法, 這種方法克服了目前所有方法的局限性和風險 , 病人再也不需要注射藥物和在跑步機上跑步了。」 此外,該技術安全性較高,可以在患者身上反覆使用,相對於現存的手段,這也是一個顯著的優勢。

當然,這項技術也不是全無劣勢。第一,這一套系統要求介入二氧化碳,所以需要一名額外的氣體操作員。第二,因為病人會被投放二氧化碳,某些哮喘或者肺病患者使用這項技術會有風險。第三,目前這項系統對硬體的要求很高,採購成本在目前不可避免的居高不下;但是隨著技術的改進和市場擴大,成本一定會降下來。

筆者認為,統合了演算法的cfMR技術比現存的手段更快速,更高效,提供的信息也更全面更直觀。一旦FDA審核通過,這項技術就會在幾年之內跟患者見面。

可喜的是除了用於研究冠狀動脈疾病之外,cfMRI還可用研究於其他心臟血流受影響的疾病,比如心臟病發作和化療。

可以預見cfMR還會在病理學研究領域發揮更大的作用,深度的探索氧氣在人體內扮演的角色。

參考資料:

1.「New Imaging Tool for Diagnosing Heart Disease.」 ScienceDaily, ScienceDaily, 30 May 2019, www.sciencedaily.com/releases/2019/05/190530101200.htm.

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3.Melvyn Rubenfire. 「Heart Disease and Stroke Statistics-2018 Update.」 American College of Cardiology, www.acc.org/latest-in-cardiology/ten-points-to-remember/2018/02/09/11/59/heart-disease-and-stroke-statistics-2018-update.

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7.導絲3. Digital Image. Tyco Electronics Ltd (TE Connectivity). //www.te.com.cn/chn-zh/industries/medical-healthcare/our-focus/interventional/guidewire-manufacturing.html

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