Prediksjon av aortadilatasjon og ruptur (DilAo)

1. Formålet med studien Hensikten med denne studien er å utforske prognostiske parametere for aortadilasjon. Mer spesifikt er det å identifisere prognostiske avbildningsparametere som kan brukes til å identifisere pasienter med høy risiko for rask aortadilasjon og bør følges intensivt av avbildningsmetoder.

2. Delprøver

1. Klinisk studie 1 Målet med den første fasen av studien er å identifisere 4D MR-strømningsparametere som er karakteristiske for dilatert aorta og kan brukes til å evaluere fremtidig prognose hos pasienter med aortadilatasjon eller disponerende faktorer.
2. Klinisk studie 2 Den andre fasen av studien tar sikte på å bruke identifiserte flowparametere i klinisk avbildningsoppfølging for å finne ut hvilke parametere som predikerer aortadilasjon i det virkelige liv og dermed kan brukes til å velge ut pasienter for mer intensiv avbildning i fremtiden.
3. Studie 3 - Molekylær patologi, histologi og genetikk av aorta Målet med denne delen av studien er å finne ut forskjeller i molekylærbiologi, histologi, elastisitet og genetikk av aorta hos pasienter som har disponerende faktorer for aortadilasjon. Spesielt vil cellulære faktorer som påvirker dannelsen av bindevev og vaskulært glatt muskellag bli studert.

3. Metoder

1. Pasientpopulasjon Alle pasienter og friske frivillige vil gi sitt skriftlige informerte samtykke til studien. Den etiske komiteen i Nord-Savo sykehusdistrikt har gitt godkjenning for rettssaken.

Studie 1 Den første fasen av studien vil inkludere tjue pasienter med anatomisk eller funksjonell BAV eller annen sykdom som disponerer for utvidelse av aorta planlagt for rutinemessig aorta MR i Kuopio Universitetssykehus (KUH) avdeling for radiologi. 4D flow MR vil bli utført rett etter den rutinemessige 2D MR og det vil forlenge avbildningstiden med ca. 20 minutter. Tjue friske frivillige kontroller vil bli rekruttert fra forskningsgruppen og personell ved avdelingen, og de vil bli planlagt for lignende bildebehandlingsprosedyre. Hovedparametrene som er analysert fra disse engangsbildedataene er toppstrømningshastighet og eksentrisitet av strømmen, strømningsvirvel og veggskjærspenning. Parametere knyttet til aortastivhet og geometri vil også bli bestemt i denne studien. Sammenligning av 4D flow MR parametere mellom pasientene og friske kontroller vil bli gjort, 4D flow parametere vil også bli sammenlignet med konvensjonelle 2D flow parametere både hos studiepasientene og hos friske kontroller.

Studie 2 Til oppfølgingsstudien vil 100 pasienter rekrutteres på samme måte som for de første studiepasientene. Inklusjonskriteriene vil være: voksen (alder > 18 år), tidligere dokumentert aortadilasjon, dokumentert anatomisk eller funksjonell BAV eller annen arvelig lidelse, som gir økt risiko for aortadilasjon, ingen kontraindikasjon for MR. Tilsvarende aorta MR vil bli utført som under den kliniske studien 1. Imidlertid vil oppfølgingsavbildningen utføres etter 6 måneder fra første MR og årlig i 5 år. Samme 4D og 2D flow parametere vil bli analysert som i den første studien. Den spesielle interessen vil bli utpekt til graden av aortadilasjon og korrelasjon mellom 4D (og 2D) strømningsparametere til aortadimensjonene.

Kliniske parametere Alle pasienter som besøker poliklinikk vil ha klinisk undersøkelse (auskultasjon, kliniske tegn på hjertesvikt, hepatomegali, perifert ødem, arteriell bilyd). 12-leds elektrokardiografi og grunnleggende laboratorieanalyser (hemoglobin, hematokrit, natrium, kalium, kreatinin, natriuretisk hjernepeptid) vil bli utført. Med pasientens skriftlige tillatelse vil et ekstra rør med blod bli lagret for fremtidig analyse og pasienten vil bli informert om formålet med denne prøven.

Ekkokardiografi Transtorakal ekkokardiografi vil bli utført ved bruk av rutinemessige kliniske metoder. Spesiell interesse vil bli utnevnt til aortaklaffens anatomi og aortadimensjoner. Andre tegn på hjertemanifestasjoner vil også bli registrert. Ventrikulære dimensjoner og volumetriske parametere samt ventrikulær systolisk og diastolisk funksjon vil bli evaluert.

Aorta MR Magnetisk resonansangiografi og 2D flowmålinger Statisk avbildning av aorta gjøres med en EKG- og respiratorisk-gated 3D SSFP (steady state free percession) sekvens [Kawel et al 2012]. Bildestabel oppnås i sagittalt plan og behandles på MPR-arbeidsstasjonen for å få bilder vinkelrett på blodstrømaksen. Diameteren på aorta måles fra yttervegg til yttervegg. Den bredeste diameteren til aorta bestemmes, og som en rutine måles diameteren til aorta ved 8 forhåndsbestemte nivåer.

4D fasekontrast MR Blodstrømmen i aorta vil bli målt basert på MR fasekontrast. Målingen vil gjøres ved å gjenta bildepulssekvensen uten og med flytvektingsgradienter for tre dimensjoner med interleaved måte og målingen. Bildeparameterne vil bli satt i henhold til 4D MR strømningsmåling konsensuserklæring [Dyverfelt 2015] om kort tid: oppløsning på < 2,5x2,5x2,5 mm3, tidsoppløsning på 30 ms (tidsoppløsning i flow i forskjellige hjertefaser), retrospektiv EKG-synkronisering og respirasjonsbevegelseskompensasjon, snu vinkelen nær Ernst-vinkelen og strømningsvektingsgradientamplituden slik at maksimal strømning på 10 % høyere enn forventet maksimal strømningshastighet i aorta. Bildevolumet vil dekke aortaklaffen, aortabuen og synkende aorta på nivået av myokardets apex. Dataene vil bli forhåndsbehandlet for å minimere bidrag fra bakgrunnsfaseforskyvninger, gradientufullkommenhet og faseomvikling.

Flytparametere Fra 4D-flytbildene vil flere kvantitative parametere trekkes ut. Hovedparametrene er de som beskriver strømningsfordelingen i aorta, dvs. toppstrømningshastighet og eksentrisitet, strømningsvirvel og skjærspenning på karveggene. Videre vil flere parametere knyttet til aortastivhet og geometri og funksjon av aortaklaffen bli registrert. Under oppfølging vil endringer og prognostisk verdi av de kvantifiserte parameterne bli evaluert.

I hensikten med validering vil 4D strømningsparametere bli sammenlignet med parametere hentet fra konvensjonelle 2D strømningssekvenser.

Klinisk oppfølgingsprotokoll Pasienter som rekrutteres til oppfølgingsstudien (studie 2) vil bli re-screenet med aorta MR etter et halvt år fra rekrutteringen og årlig etter det første oppfølgingsbesøket i opptil fem år eller i henhold til klinisk oppfølging rute. Hvis tilstanden til aortadilasjonen tilsier, vil mer intensiv oppfølging bli brukt.

Statistiske analyser Prognostiske faktorer vil bli testet for statistisk signifikans ved å sammenligne strømningsparametere og assosierte faktorer med graden av aortadilasjon ved å bruke passende multivariat analyse. Statistisk signifikans vil settes til p<0,05 og høy statistisk signifikans til p < 0,01. Dataene vil bli analysert ved å bruke SPSS for Windows-programmet.

Studie 3

Den tredje delstudien vil inkludere 20+100 pasienter med alvorlig aortadilatasjon planlagt for aortaoperasjon. Humane aortaprøver samles under rutinemessig aorta-erstatningskirurgi fra det fjernede vaskulære vevet. I tillegg til vevsprøver vil det bli tatt en blodprøve for genetisk og molekylær analyse. Pasienter har gitt skriftlig tillatelse til histologiske og blodprøver før operasjonen. Etter reseksjon overføres prøver umiddelbart til flytende nitrogen (frosne prøver), PFA-PBS (histologiske prøver) eller til cellekulturmedium for celleisolering (endotelceller, vaskulære glatte muskelceller, fibroblaster). Frosne prøver lagres i -70 °C og isolerte celler i flytende nitrogen. Histologiske prøver vil bli behandlet til parafinen og lagret som parafinblokker. Prøver vil bli lagret i opptil 10 år, og deretter destrueres de som biofarlig avfall. Rådata vil bli lagret i elektrisk arkiv som European Genome-phenome Archive (EGA).

Analyser Molekylærbiologi og histologi til aortaprøvene undersøkes ved RT-qPCR, immunhistokjemi og multifotonmikroskopi. Uttrykk av relevante gener f.eks. TGF-β, VEGF-familien, COX-1 og 2, eNOS/Akt og pro-inflammatoriske cytokiner studeres, og også RNA-sekvensering, som identifiserer alle uttrykte mRNAer samtidig, kan brukes for å finne forskjeller i uttrykk for alle aorta-gener mellom ulike pasientgrupper. FBN1-genet sekvenseres og letes etter mutasjoner eller delesjoner.

Aorta karveggarkitektur og uttrykk for relevante gener visualiseres ved multifotonmikroskopi og immunhistokjemi. Isolerte celler brukes til enkeltcelleanalyse, som gjør det mulig å studere en levende celle og dens molekylære hendelser om gangen, og gir helt ny informasjon om funksjonene til forskjellige celler i karveggen. Innhentede data er delt inn i sykdoms- og aldersmatchende grupper, og det vil bli sett etter korrelasjoner mellom hjertesykdomsstatus, aorta-genekspresjon og aorta-histologi. Data vil også bli koblet sammen og sammenlignet med den prekliniske musestudien beskrevet i vedlegg 1, og human aorta MR 4D flow imaging studie beskrevet i avsnitt 3.4.

Biomekanikk av histologiske aortaprøver Biomekaniske parametere som stivhet og bruddstyrke vil bli målt fra aortaprøvene. Målingene og analysen vil bli gjort i samarbeid med BBC-gruppen ved University of Eastern Finland. De biomekaniske parameterne i de studerte pasientgruppene vil bli sammenlignet og brukt som parameter i multivariante statistiske analyser. Resultatene vil også bli sammenlignet og knyttet til funn innen histologisk og molekylærbiologi.

Kontroller Prøver for sammenligning med normalt vev vil bli samlet inn fra 10 organdonorer operert ved Kuopio universitetssykehus. Prøvene vil bli håndtert som beskrevet hos aortapasienter.

Matematisk modellering av aorta Bildedata fra 20 pasienter vil bli sendt anonymt til JAMK University of Applied Sciences for matematisk simuleringsmodellering av aortastrømning og veggspenning.

4. Samarbeid Den kliniske studien gjennomføres multiprofesjonelt i Kuopio Universitetssykehus sammen med avdelinger for klinisk kardiologi, hjerte- og thoraxkirurgi (Hjertesenter) og radiologi (Clinical Imaging Center). De histopatologiske, molekylære og genetiske studiene utføres ved Institutt for molekylærvitenskap ved A I Virtanen Institute, Universitetet i Øst-Finland (UEF). Biomekaniske tester vil bli utført ved Institutt for anvendt fysikk i UEF. Den matematiske modelleringen av aortabildene vil bli utført ved JAMK University of Applied Sciences. De innhentede 4D MR-strømningsresultatene vil bli analysert og validert i henhold til standarder fra Kuopio Universitetssykehus.