Marcatori microvascolari precoci delle malattie cardiache rilevati da una nuova tecnologia di imaging / Early Microvascular Markers of Heart Disease Detected by New Imaging Technology

Marcatori microvascolari precoci delle malattie cardiache rilevati da una nuova tecnologia di imaging. Il procedimento del brevetto ENEA RM2012A000637 è molto utile in questo tipo di applicazione / Early Microvascular Markers of Heart Disease Detected by New Imaging Technology. The procedure of the ENEA patent RM2012A000637 is very useful in this type of application

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

I ricercatori dell'Helmholtz di Monaco e della Technical University di Monaco (TUM) hanno sviluppato una nuova tecnologia di imaging in grado di catturare in modo non invasivo informazioni tridimensionali dai capillari per rilevare i primi segni di malattie cardiache. Il sistema è chiamato mesoscopia optoacustica a scansione raster rapida (fast-RSOM) ed è progettato per visualizzare e quantificare attraverso la pelle la disfunzione endoteliale microvascolare (MiVED), un biomarcatore che spesso precede la disfunzione nelle arterie più grandi. Lo sviluppo di questa nuova tecnologia è pubblicato sulla rivista Light Science & Applications.

"Con la tecnica fast-RSOM, possiamo, per la prima volta, valutare in modo non invasivo la disfunzione endoteliale a livello di singolo capillare e di strato cutaneo nell'uomo", ha affermato il primo autore dell'articolo, Hailong He, PhD, responsabile del gruppo di ricerca presso il TUM. Il suo co-primo autore, Angelos Karlas, MD, chirurgo vascolare presso il TUM University Hospital, ha aggiunto: "Il nostro nuovo approccio offre una visione senza precedenti di come le malattie cardiovascolari si manifestano a livello microvascolare".

Secondo i ricercatori, si stanno accumulando prove che la MiVED preceda lo sviluppo della disfunzione endoteliale macrovascolare (DE) e potrebbe essere un importante biomarcatore dello sviluppo precoce della malattia. Attualmente, tuttavia, la maggior parte delle valutazioni del rischio si concentra sui vasi sanguigni più grandi, poiché le opzioni per valutare la funzione microvascolare in vivo sono limitate. Le tecnologie ottiche esistenti ed i metodi basati su Doppler sono in grado di misurare il flusso sanguigno e l'ossigenazione, ma non sono in grado di fornire dati sui singoli capillari.

Fast-RSOM è stato sviluppato per superare queste limitazioni e consentire la visualizzazione dei capillari. È basato sulla mesoscopia optoacustica raster-scan (RSOM), un metodo di imaging che utilizza brevi impulsi di luce per generare segnali ultrasonici dai tessuti. L'assorbimento della luce da parte del sangue produce onde acustiche che vengono rilevate e quindi ricostruite in immagini ad alta risoluzione delle strutture vascolari. Ricerche precedenti avevano già dimostrato che la RSOM poteva visualizzare la morfologia microvascolare in dermatologia e nelle malattie metaboliche.

Per consentire l'imaging funzionale a livello capillare, il gruppo ha modificato l'RSOM includendo l'illuminazione ed il rilevamento coassiali, che consentono frequenze di ripetizione laser più elevate, ed introducendo protocolli di scansione che alternano scansioni volumetriche e scansioni lineari rapide. Questi progressi hanno consentito l'imaging con risoluzioni temporali di almeno 2 Hz, sufficienti per catturare risposte vascolari rapide.

Il sistema è stato progettato per osservare il comportamento vascolare durante l'iperemia reattiva post-occlusiva (PORH), che viene regolarmente indotta nei pazienti per osservare le variazioni del flusso sanguigno e valutare la funzionalità dell'endotelio vascolare e della microcircolazione. Utilizzando la tecnica fast-RSOM, i ricercatori hanno scoperto tre biomarcatori MiVED, ovvero la variazione di volume massimo, il rapporto iperemia ed il tempo al picco, che quantificano la risposta dei singoli capillari e di specifici strati cutanei durante l'iperemia. "La definizione di tali biomarcatori non era possibile prima, poiché nessun altro metodo è in grado di recuperare tali parametri capillari", hanno scritto i ricercatori.

Per testare la fast-RSOM, il gruppo ha esaminato volontari sani, fumatori e pazienti con malattie cardiovascolari aterosclerotiche. "I nostri risultati mostrano che l'uso della fast-RSOM sulla pelle ha misurato chiaramente gli effetti del fumo (N = 20) e delle malattie cardiovascolari aterosclerotiche (N = 20) sulla funzione endoteliale cutanea", hanno scritto i ricercatori. Questi dati hanno mostrato alterazioni specifiche per strato, con fumo e malattie cardiovascolari che colpiscono il derma sottopapillare in modo diverso dal derma reticolare. È importante sottolineare che i ricercatori non hanno osservato "alcuni cambiamenti strutturali sostanziali nella microvascolatura", il che indica che la MiVED potrebbe essere utilizzata come indicatore precoce del rischio di malattia.

Se ulteriormente sviluppata, fastRSOM potrebbe trovare applicazione clinica, dove potrebbe rilevare quantitativamente i cambiamenti funzionali che si manifestano in seguito a fumo od ipertensione, per orientare interventi precoci e fornire un mezzo per monitorare le risposte ai cambiamenti dello stile di vita od alle terapie. Secondo il gruppo del TUM, la portabilità ed il costo della tecnologia ne favorirebbero un'ampia adozione clinica.

Sulla base di questi risultati, i ricercatori convalideranno ora i biomarcatori fast-RSOM in una coorte di pazienti più ampia e diversificata ed avvieranno studi longitudinali per valutare l'efficacia dei nuovi biomarcatori nel predire l'insorgenza e la progressione della malattia rispetto alle valutazioni macrovascolari standard. Continueranno inoltre a perfezionare la tecnologia per includere la fast-RSOM multispettrale per valutare le variazioni della saturazione di ossigeno, nonché la scansione estesa per coprire aree cutanee più estese.

ENGLISH

Researchers at Helmholtz Munich and the Technical University of Munich (TUM) have developed a new imaging technology that can noninvasively capture three-dimensional information from capillaries to detect early signs of heart disease. The system is called fast raster-scan optoacoustic mesoscopy (fast-RSOM) and is designed to visualize and quantify through the skin microvascular endothelial dysfunction (MiVED), a biomarker that often precedes dysfunction in larger arteries. The development of this new technology is published in the journal Light Science & Applications.

“With fast-RSOM, we can, for the first time, noninvasively assess endothelial dysfunction at single-capillary and skin-layer resolution in humans,” said the paper’s first author Hailong He, PhD, a group leader at TUM. His co-first author Angelos Karlas, MD, a vascular surgeon at TUM University Hospital added: “Our novel approach offers an unprecedented view of how cardiovascular disease manifests at the microvascular level.”

According to the researchers, evidence is building that MiVED precedes the development macrovascular endothelial dysfunction (ED) and could be an important biomarker of early disease development. Currently, however, most risk assessments focus on larger blood vessels since there are limited options for assessing microvascular function in vivo. Existing optical technologies and Doppler-based methods are capable of measuring blood flow and oxygenation but are not able to provide data on individual capillaries.

Fast-RSOM was developed to overcome these limitations and enable visualization of capillaries. It was built on existing raster-scan optoacoustic mesoscopy (RSOM), an imaging method that uses short pulses of light to generate ultrasound signals from tissue. Absorption of light by blood produces acoustic waves that are detected and then reconstructed into high-resolution images of vascular structures. Previous research had already shown that RSOM could visualize microvascular morphology in dermatology and metabolic disease.

To enable functional imaging at the capillary level, the team modified RSOM to include coaxial illumination and detection, which allows higher laser repetition rates, and by introducing scanning protocols that switch between volumetric scans and rapid line scans. These advances enabled imaging at temporal resolutions of at least 2 Hz, sufficient to capture fast vascular responses.

The system was designed to observe vascular behavior during post-occlusive reactive hyperemia (PORH), which is regularly induced in patients to observe blood flow changes to assess function of the vascular endothelium and microcirculation. Using fast-RSOM, the researchers discovered three MiVED biomarkers, maximum volume change, hyperemia ratio, and time-to-peak, that quantify how individual capillaries and specific skin layers respond during hyperemia. “The definition of such biomarkers was not possible before since no other method is able to retrieve such capillary metrics,” the researchers wrote.

To test fast-RSOM, the team examined healthy volunteers, smokers, and patients with atherosclerotic cardiovascular disease. “Our results show that using fast-RSOM on skin clearly measured the effects of smoking (N = 20) and atherosclerotic CVD (N = 20) on cutaneous endothelial function,” the researchers wrote. These data showed layer-specific impairments, with smoking and cardiovascular disease affecting the sub-papillary dermis differently from the reticular dermis. Importantly, the researchers observed “no substantial structural changes in the microvasculature,” indication that MiVED could be used as an early indicator of disease risk.

If further developed, fastRSOM could find its way to the clinic where it would quantitatively capture functional changes that manifest from smoking or hypertension to guide earlier interventions and provide a means to monitor responses to lifestyle or therapeutic changes. According to the TUM team, the portability and cost of the technology would lend itself to broad clinical adoption.

Building on these findings, the researchers will now validate fast-RSOM biomarkers in larger and more diverse population patient cohort and begin longitudinal studies to assess how well the new biomarkers predict disease onset and progression compared with standard macrovascular assessments. They will also continue to refine the technology to include multi-spectral fast-RSOM to assess oxygen saturation changes as well as expanded scanning to cover larger skin areas.

Da:

https://www.insideprecisionmedicine.com/topics/patient-care/early-microvascular-markers-of-heart-disease-detected-by-new-imaging-technology/?_hsenc=p2ANqtz-9bs1fh25LwH6npf6KHY1T2LgrA1rB7Tml-NVgeLW62jr6nABYnIFfAu20d4DZumFaSyD0arn7-85gSdQFx3dss6va00LcpTW9qkfs4pqdt5-EIMMY&_hsmi=400067477