Voorspelling van aortadilatatie en ruptuur (DilAo)

1. Doel van het onderzoek Het doel van dit onderzoek is het onderzoeken van prognostische parameters voor aortadilatatie. Meer specifiek is het om prognostische beeldvormingsparameters te identificeren die kunnen worden gebruikt om patiënten met een hoog risico op snelle aortadilatatie te identificeren en die intensief moeten worden gevolgd door beeldvormingsmethoden.

2. Subproeven

1. Klinische studie 1 Het doel van de eerste fase van de studie is gericht op het identificeren van 4D MRI-flowparameters die kenmerkend zijn voor een verwijde aorta en die kunnen worden gebruikt om de toekomstige prognose te evalueren bij patiënten met aortadilatatie of predisponerende factoren.
2. Klinische studie 2 De tweede fase van de studie is gericht op het gebruik van geïdentificeerde flowparameters in de follow-up van klinische beeldvorming om erachter te komen welke parameters aortadilatatie in het echte leven voorspellen en dus kunnen worden gebruikt om patiënten te selecteren voor intensievere beeldvorming in de toekomst.
3. Studie 3 - Moleculaire pathologie, histologie en genetica van de aorta Het doel van dit deel van de studie is het vinden van verschillen in moleculaire biologie, histologie, elasticiteit en genetica van de aorta bij patiënten met predisponerende factoren voor aortadilatatie. In het bijzonder zullen cellulaire factoren die de vorming van bindweefsel en vasculaire gladde spierlaag beïnvloeden bestudeerd worden.

3. Methoden

1. Patiëntenpopulatie Alle patiënten en gezonde vrijwilligers zullen hun schriftelijke geïnformeerde toestemming geven voor het onderzoek. De ethische commissie van het ziekenhuisdistrict Noord-Savo heeft de proef goedgekeurd.

Studie 1 De eerste fase van de studie omvat twintig patiënten met anatomische of functionele BAV of een andere ziekte die predisponeert voor dilatatie van de aorta en die gepland zijn voor routinematige MRI van de aorta in de afdeling Radiologie van het Universitair Ziekenhuis van Kuopio (KUH). 4D flow MRI wordt direct na de routinematige 2D MRI uitgevoerd en verlengt de beeldvormingstijd met ongeveer 20 minuten. Twintig gezonde vrijwillige controles zullen worden gerekruteerd uit de onderzoeksgroep en het personeel van de afdeling en zij zullen worden ingepland voor de vergelijkbare beeldvormingsprocedure. De belangrijkste parameters die op basis van deze eenmalige beeldgegevens worden geanalyseerd, zijn piekstroomsnelheid en excentriciteit van de stroming, stromingsvorticiteit en wandschuifspanning. Ook zullen in deze studie parameters met betrekking tot de stijfheid en geometrie van de aorta worden bepaald. Vergelijking van de 4D-flow MRI-parameters tussen de patiënten en gezonde controles zal worden gedaan, 4D-flowparameters zullen ook worden vergeleken met conventionele 2D-flowparameters, zowel bij de studiepatiënten als bij gezonde controles.

Studie 2 Voor de vervolgstudie zullen 100 patiënten geworven worden op dezelfde manier als bij de eerste studiepatiënten. De inclusiecriteria zijn: volwassene (leeftijd > 18 jaar), eerder gedocumenteerde aortadilatatie, gedocumenteerde anatomische of functionele BAV of andere erfelijke aandoening die een verhoogd risico op aortadilatatie veroorzaakt, geen contra-indicatie voor MRI. Er zal een soortgelijke aorta-MRI worden uitgevoerd als tijdens de klinische studie 1. De follow-up beeldvorming zal echter worden uitgevoerd na 6 maanden vanaf de eerste MRI en jaarlijks gedurende 5 jaar. Dezelfde 4D- en 2D-stroomparameters zullen worden geanalyseerd als in de eerste studie. De speciale interesse gaat uit naar de mate van aorta-dilatatie en de correlatie tussen 4D (en 2D) flowparameters en de aorta-afmetingen.

Klinische parameters Alle patiënten die de polikliniek bezoeken, zullen klinisch worden onderzocht (auscultatie, klinische tekenen van hartfalen, hepatomegalie, perifeer oedeem, arterieel geruis). 12-afleidingen elektrocardiografie en elementaire laboratoriumanalyses (hemoglobine, hematocriet, natrium, kalium, creatinine, natriuretisch peptide van de hersenen) zullen worden uitgevoerd. Met schriftelijke toestemming van de patiënt wordt een extra buisje bloed bewaard voor toekomstige analyse en wordt de patiënt geïnformeerd over het doel van dit monster.

Echocardiografie Transthoracale echocardiografie zal worden uitgevoerd met behulp van routinematige klinische methoden. Speciale aandacht zal worden besteed aan de anatomie van de aortaklep en de afmetingen van de aorta. Ook andere tekenen van cardiale manifestaties zullen worden geregistreerd. Ventriculaire afmetingen en volumetrische parameters, evenals ventriculaire systolische en diastolische functie zullen worden geëvalueerd.

Aorta-MRI Magnetische resonantie-angiografie en 2D-flowmetingen Statische beeldvorming van de aorta wordt gedaan met een ECG- en respiratoire-gated 3D SSFP-sequentie (steady state free percession) [Kawel et al 2012]. De beeldstapel wordt verkregen in het sagittale vlak en verwerkt op het MPR-werkstation om beelden loodrecht op de as van de bloedstroom te krijgen. De diameter van de aorta wordt gemeten van buitenwand tot buitenwand. De breedste diameter van de aorta wordt bepaald en routinematig wordt de diameter van de aorta gemeten op 8 vooraf bepaalde niveaus.

4D fasecontrast MRI De bloedstroom in de aorta wordt gemeten op basis van MRI fasecontrast. De meting zal worden gedaan door de beeldvormingspulssequentie te herhalen zonder en met stroomwegingsgradiënten voor drie dimensies met verweven wijze en de meting. De beeldvormingsparameters worden binnenkort ingesteld volgens consensusverklaring 4D MRI flowmeting [Dyverfelt 2015]: resolutie van < 2,5x2,5x2,5 mm3, temporele resolutie van 30 ms (tijdresolutie in flow in verschillende hartfasen), retrospectieve ECG-synchronisatie en ademhalingsbewegingscompensatie, draaihoek dicht bij de Ernst-hoek en de stroomwegingsgradiëntamplitude zodat de maximale stroom 10% hoger is dan de verwachte maximale stroomsnelheid in de aorta. Het beeldvormingsvolume zal de aortaklep, de aortaboog en de dalende aorta ter hoogte van de apex van het myocardium bedekken. De gegevens worden voorbewerkt om de bijdrage van achtergrondfaseverschuivingen, gradiëntimperfecties en faseomslagen te minimaliseren.

Stroomparameters Uit de 4D-stroombeelden worden verschillende kwantitatieve parameters geëxtraheerd. De belangrijkste parameters zijn degene die de stroomverdeling in de aorta beschrijven, d.w.z. piekstroomsnelheid en excentriciteit, stroomvorticiteit en schuifspanning op de vaatwanden. Verder zullen verschillende parameters met betrekking tot aorta-stijfheid en geometrie en functie van de aortaklep worden geregistreerd. Tijdens de follow-up zullen veranderingen en prognostische waarde van de gekwantificeerde parameters worden geëvalueerd.

Ter validatie zullen 4D-stroomparameters worden vergeleken met parameters die zijn geëxtraheerd uit conventionele 2D-stroomreeksen.

Protocol voor klinische follow-up Patiënten die worden geworven voor de follow-upstudie (studie 2) zullen een half jaar na de rekrutering opnieuw worden gescreend door middel van aorta-MRI en jaarlijks na het eerste follow-upbezoek tot vijf jaar of volgens klinische follow-up schema. Als de toestand van de aortadilatatie aangeeft, zal intensievere follow-up worden gebruikt.

Statistische analyses Prognostische factoren zullen worden getest op statistische significantie door flowparameters en bijbehorende factoren te vergelijken met de mate van aortadilatatie door gebruik te maken van geschikte multivariate analyse. Statistische significantie wordt vastgesteld op p<0,05 en hoge statistische significantie op p<0,01. De gegevens worden geanalyseerd met behulp van het programma SPSS voor Windows.

Studie 3

De derde subtrial zal 20+100 patiënten inschrijven met ernstige aorta dilatatie gepland voor aorta operatie. Menselijke aortamonsters worden verzameld tijdens routinematige aortavervangende operaties uit het verwijderde vaatweefsel. Naast weefselmonsters wordt er ook een bloedmonster afgenomen voor genetische en moleculaire analyse. Patiënten hebben voor de operatie schriftelijk toestemming gegeven voor de histologische en bloedafnames. Na resectie worden de monsters onmiddellijk overgebracht naar vloeibare stikstof (bevroren monsters), PFA-PBS (histologische monsters) of naar celkweekmedium voor celisolatie (endotheelcellen, vasculaire gladde spiercellen, fibroblasten). Bevroren monsters worden bewaard bij -70 °C en geïsoleerde cellen in vloeibare stikstof. Histologische monsters worden verwerkt tot de paraffine en opgeslagen als paraffineblokken. Monsters worden maximaal 10 jaar bewaard, waarna ze worden vernietigd als biologisch gevaarlijk afval. Ruwe gegevens zullen worden opgeslagen in een elektrisch archief zoals European Genome-phenome Archive (EGA).

Analyses Moleculaire biologie en histologie van de aortamonsters worden onderzocht met RT-qPCR, immunohistochemie en beeldvorming met multifotonenmicroscopie. Expressie van relevante genen b.v. TGF-β, VEGF-familie, COX-1 en 2, eNOS/Akt en pro-inflammatoire cytokines worden bestudeerd, en ook RNA-sequencing, waarbij alle tot expressie gebrachte mRNA's gelijktijdig worden geïdentificeerd, kan worden gebruikt voor het vinden van verschillen in expressie van alle aorta-genen tussen verschillende patiëntengroepen. Het FBN1-gen wordt gesequenced en gezocht naar mutaties of deleties.

De architectuur van de vaatwand van de aorta en de expressie van relevante genen wordt gevisualiseerd door middel van multifotonenmicroscopie en immunohistochemie. Geïsoleerde cellen worden gebruikt voor Single Cell Analysis, waarmee één levende cel en zijn moleculaire gebeurtenissen tegelijk kunnen worden bestudeerd, en totaal nieuwe informatie wordt verkregen over de functies van verschillende cellen in de vaatwand. De verkregen gegevens worden verdeeld in groepen die overeenkomen met de ziekte en de leeftijd, en er zal gezocht worden naar correlaties tussen de status van de hartziekte, de genexpressie van de aorta en de histologie van de aorta. De gegevens zullen ook worden gekoppeld aan en vergeleken met het preklinische muizenonderzoek beschreven in bijlage 1, en het MRI 4D-flowbeeldvormingsonderzoek van de menselijke aorta beschreven in paragraaf 3.4.

Biomechanica van histologische aortamonsters Biomechanische parameters zoals de stijfheid en bezwijksterkte zullen worden gemeten van de aortamonsters. De metingen en analyse zullen worden uitgevoerd in samenwerking met de BBC-groep aan de Universiteit van Oost-Finland. De biomechanische parameters in de bestudeerde patiëntengroepen zullen worden vergeleken en gebruikt als parameter in multivariante statistische analyses. De resultaten zullen ook worden vergeleken en gekoppeld aan bevindingen uit de histologische en moleculaire biologie.

Controles Monsters voor vergelijking met normaal weefsel zullen worden verzameld van 10 orgaandonoren die in het Kuopio Universitair Ziekenhuis worden geopereerd. De monsters worden behandeld zoals beschreven bij aortapatiënten.

Wiskundige modellering van aorta Beeldgegevens van 20 patiënten zullen anoniem naar JAMK University of Applied Sciences worden gestuurd voor wiskundige simulatiemodellering van aortastroom en wandspanning.

4. Samenwerking De klinische studie wordt multiprofessioneel uitgevoerd in het Kuopio Universitair Ziekenhuis samen met de afdelingen klinische cardiologie, cardiothoracale chirurgie (Heart Center) en radiologie (Clinical Imaging Center). De histopathologische, moleculaire en genetische studies worden uitgevoerd in de afdeling Moleculaire Wetenschappen van het AI Virtanen Instituut, Universiteit van Oost-Finland (UEF). Biomechanische tests zullen worden uitgevoerd in de afdeling Technische Natuurkunde in UEF. De wiskundige modellering van de aortabeelden zal worden uitgevoerd in JAMK University of Applied Sciences. De verkregen 4D MRI-stroomresultaten zullen worden geanalyseerd en gevalideerd volgens de normen van Kuopio University Hospital.