Imaging biomarkers using creatine chemical exchange saturation transfer cardiovascular magnetic resonance in rat models with diabetic cardiomyopathy

Abstract

실험 목적 당뇨병성 심근 병증 (diabetic cardiomyopathy, DCM) 쥐 모델을 사용하여 심장 기능 및 구조의 변화 전에 일어나는 DCM 초기의 물질대사 변화를 감지하는 데 있어 크레아틴 화학적 교환 포화 천이 (creatine-chemical exchange saturation transfer, CrCEST) 심혈관 자기 공명 (cardiovascular magnetic resonance, CMR) 영상의 효율성을 평가한다. 실험 배경 당뇨병의 유병률은 전 세계적으로 증가하고 있으며 이는 심부전의 주요 원인 중 하나이다. 현재 DCM의 임상 진단은 심초음파 또는 기존의 CMR 기법을 사용하여 구조적 또는 기능적 심근 이상을 감지하는 것에 기반한다. 그러나 구조적 또는 기능적 심근 변화는 DCM이 매우 진행된 단계에서나 관찰된다. DCM의 조기 진단과 심부전 예방을 위한 치료를 위해서는 DCM 초기의 심근 물질대사 변화를 감지할 수 있어야 한다. 실험 방법 9주령 수컷 Sprague-Dawley 쥐를 무작위로 배정하여 당뇨병 유발 전 (n = 12)과 당뇨병 유발 후 4, 8, 12, 16주차 (각각 n = 8, n = 7, n = 7, n = 6) 에 CMR을 촬영했다. 쥐에게 당뇨병을 유도하기 위해 스트렙토조토신 (Streptozotocin, STZ)이라는 약물을 복강 내로 65mg/kg 용량으로 주사했다. 쥐의 체중과 혈당 수치는 매주 측정했다. Cine, T1 지도화 영상 및 CrCEST 영상을 9.4 T 자기공명영상 스캐너를 사용하여 촬영했다. 심장 기능 및 심근 strain은 cine 이미지에서 상업적으로 이용 가능한 소프트웨어를 사용하여 반자동으로 측정했다. 심근 T1값, 세포외 부피 분율 (extracellular volume fraction, ECV) 및 CrCEST 신호 분석을 시행할 영역은 심실 중격으로, 손으로 영역을 그려주면 역시 소트프웨어가 값을 측정했다. 모든 데이터는 선형 혼합 모델을 사용하여 통계 분석했다. CrCEST 신호에 대한 관찰자 내 및 관찰자 간 일치도는 Intraclass correlation coefficient (ICC)로 평가했다. 심근의 조직학적 평가는 각 그룹에서 최소 3 마리의 쥐에 대해 수행했다. 심장 기능 및 심근 strain, T1 지도화 영상, CrCEST 영상 및 조직학적 검사를 5개 그룹에서 비교했다. 실험 결과 STZ 주사 후 모든 쥐에서 1주일 내에 혈당 수치가 급격히 상승 및 유지되어 당뇨병은 성공적으로 유도되었다. CrCEST 신호 (magnetization transfer ratio asymmetry, MTRasym)는 당뇨 4주, 8주, 12주, 16주차 군에서 (각각 평균 6.04 %, 3.76 %, 2.80 %, 3.34 %)에서 당뇨 유발 전 그룹 (10.86 %)보다 유의미하게 낮았다 (p<0.001). 군간 대응 비교 분석에서는 당뇨 유발 전 그룹과 당뇨 그룹 각각 사이에 유의미한 차이를 보였다 (p<0.001). MTRasym에 대한 관찰자 내 및 관찰자 간 일치도 평가에서 ICC는 각각 0.953 및 0.927이었다. 좌심실 박출율은 군간 유의미한 차이가 있었고 (p<0.001), 군간 대응 비교 분석에서 당뇨 유발 전 그룹과 당뇨 16주차 그룹간에 유의미한 차이를 보였다 (p<0.001). 일회 박출량, 심박출량 및 좌심실 심근량은 5개 그룹간에 유의미한 차이가 없었다. Global radial, longitudinal peak strain은 당뇨 유발 전 그룹과 비교했을 때 당뇨 12주차 (각각 p=0.049, p=0.004) 및 16주차 (각각 p=0.003, p<0.001) 그룹에서 유의미하게 감소했고, Global circumferential peak strain은 당뇨 16주차 그룹 (p=0.005) 그룹에서 유의미하게 감소했다. 심근의 native T1 값과 ECV는 당뇨 유발 전 그룹에 비해 당뇨 12주차 및 16주차 그룹에서 증가했다 (p<0.001). 조직학적 소견상 당뇨 12주차 및 16주차 쥐에서 subendocardial fibrosis, inflammation이 관찰되었다. 투과전자현미경에서 미토콘드리아 내 paracrystalline inclusion body는 당뇨 4주차 쥐에서부터 발견되었고, 미토콘드리아의 평균 면적은 다른 쥐들에 비해서 당뇨 16주차 쥐에서 증가되는 것을 확인했다 (p<0.001). 결론 우리의 연구는 CrCEST CMR이 심장 기능 및 구조의 변화 전에 초기 DCM에서의 물질대사 변화를 감지하여 DCM의 조기 진단에 유용하다는 것을 보여주었다.

Purpose: To evaluate the potential effectiveness of creatine (Cr) chemical exchange saturation transfer (CrCEST) cardiovascular magnetic resonance (CMR) imaging in detecting early metabolic changes before cardiac function and structural changes occur in a diabetic cardiomyopathy (DCM) rat model. Background: The clinical diagnosis of DCM is based on detecting structural or functional myocardial abnormalities with echocardiography or conventional CMR at the advanced stage of DCM. Detecting metabolic changes in the myocardium is necessary for the early diagnosis and management of DCM. Materials and methods: Nine-week-old male Sprague-Dawley rats were randomly assigned to undergo CMR scans before and at 4, 8, 12, and 16 weeks after being intraperitoneally injected with streptozotocin to induce diabetes. Cine, T1 mapping, and CrCEST MR images were obtained. Cardiac function and myocardial strain were semiautomatically assessed on the cine MR images. The regions of interest for myocardial T1 values, extracellular volume fraction, and CrCEST signals were located in the interventricular septum. Data were analyzed using the linear mixed model. The intra- and interobserver agreements on the CrCEST signal were assessed with the intraclass correlation coefficient (ICC). Shortly after the CMR scan, the myocardium of sacrificed rats in each group was histologically evaluated. Cardiac function, T1 mapping images, CrCEST images, and histological examination of myocardium of the five groups were compared. Results: The blood glucose levels of the rats increased rapidly 1 week after the streptozotocin injections. The CrCEST signals (magnetization transfer ratio asymmetry) were significantly lower in the diabetic groups than in the prediabetic group (P<0.001). The pairwise comparisons showed significant differences between the prediabetic group and each of the four diabetic groups (P<0.001). The ICCs for intra- and interobserver agreements on the CrCEST signal were 0.953 and 0.927, respectively. The left ventricular ejection fraction was significantly different between the groups (P<0.001). The pairwise comparison showed a significant difference between the prediabetic and 16-week diabetic groups (P<0.001). Stroke volumes, cardiac output, and left ventricular myocardial mass were not significantly different between the five groups. The global radial peak strain and longitudinal peak strain were decreased significantly in the 12-week (P=0.049 and P=0.004, respectively) and 16-week diabetic groups (P=0.003 and P<0.001, respectively). The global circumferential peak strain was lower in the 16-week diabetic group (P=0.005) than in the prediabetic group. The myocardial native T1 values and extracellular volume fractions were higher in the 12- and 16-week diabetic groups than in the prediabetic group (P<0.001). Myocardial histology revealed subendocardial fibrosis in the 12- and 16-week diabetic rats. Transmission electron microscopy revealed mitochondrial paracrystalline inclusion bodies since 4 weeks after the onset of diabetes. The mean area of the mitochondria was significantly increased in the 16-week diabetic rats, compared to that of the other rat groups (P<0.001). Conclusions: CrCEST CMR revealed metabolic changes in early diabetic cardiomyopathy before cardiac function and structural changes occurred.