Lezione 2 Studio ecografico dell aterosclerosi pre-clinica:spessore mio-intimale e funzione endoteliale

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1 CORSO DI CERTIFICAZIONE DI COMPETENZA in ECOGRAFIA VASCOLARE GENERALE Lezione 2 Studio ecografico dell aterosclerosi pre-clinica:spessore mio-intimale e funzione endoteliale Settore formazione : Direttore: Paolo G. Pino Marco Campana, Antonella Moreo, Fausto Rigo, Ketty Savino

2 DISFUNZIONE ENDOTELIALE ATEROSCLEROSI Recenti scoperte Condizioni morfofunzionali che precedono il restringimento del vaso e l inizio dei sintomi: INFIAMMAZIONE CALCIFICAZIONE Carattezzazione Placca Ossidazione lipoproteine Precoci modificazioni molecolari e cellulari del processo aterogenetico Adesione monociti Formazione Foam cells Ispessimento parietale

3 Ecografia vascolare A causa del remodeling della tunica media lo sviluppo iniziale della placca aterosclerotica non è accompagnato da una riduzione del lume vascolare. In questa fase non sono osservabili modificazioni angiografiche, mentre l Ecografia è in grado di visualizzare le alterazioni morfo-funzionali della parete arteriosa Dipartimento Cardio-Toracico Università di Pisa

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5 METODI DI VALUTAZIONE ANATOMICA ECOGRAFIA TRANSCUTANEA - ECOGRAFIA (arterie carotidi) - ULTRASONOGRAFIA INTRAVSCOLARE (arterie periferiche) VALUTAZIONE SMI SPESSORE INTIMALE monocita cell. schiumosa Danno e disfunzione endoteliale Espressione molecole di adesione, adesione migrazione monociti I macrofagi fagocitano ox-ldl attraverso scavenger receptor Migrazione e proliferazione miociti Placca ateromasica

6 SPESSORE MEDIO-INTIMALE INTIMALE CAROTIDEO DEFINIZIONE Spessore del complesso intima-media media della parete carotidea Misurabile come distanza tra l interfaccia sangue- intima e l interfaccia media-avventiziaavventizia Dip. Cardio-Toracico - Università di Pisa

7 IMPORTANZA CLINICA DELLO SPESSORE MEDIO-INTIMALE CAROTIDEO Marker di aterosclerosi periferica Marker di aterosclerosi coronarica Studio dell efficacia degli interventi terapeutici Dipartimento Cardio-Toracico - Università di Pisa

8 VALUTAZIONE DELL IMT ANATOMIA ECOGRAFIA PA Avventizia Media Intima Lume vascolare IMT misura non valida PP Intima Media Avventizia IMT misura valida Dipartimento Cardio-Toracico Università di Pisa

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10 INTIMA-MEDIA THICKNESS METHODS OF MEASUREMENT: MANUAL CURSOR PLACEMENT

11 INTIMA-MEDIA THICKNESS METHODS OF MEASUREMENT: AUTOMATED COMPUTERIZED EDGE-DETECTION

12 The three most frequently used measurements in clinical trials are as follows: Mean of the maximum IMT of the 4 far walls of the carotid bifurcations and distal common carotid arteries (CBM max) Mean maximum thickness (M max) of up to 12 different sites (right and left, near and far walls, distal common, bifurcation and proximal internal carotid) Overall single maximum IMT (T max) INTIMA-MEDIA THICKNESS METHODS OF MEASUREMENT Dipartimento Cardio-Toracico - Università di Pisa

13 Doppler TSA- IMT Misurare IMT sulla parete posteriore della carotide comune ad 1 cm dalla biforcazione in un segmento di carotide di circa 1 cm, prendendo almeno 2-3 proiezioni (valore medio o massimo) immagini zoomate misurazioni ripetute o operatori indipendenti segnare le misure IMT delle 2 CC separatamente segnalare se valore medio o massimo

14 SPESSORE MEDIO-INTIMALE CAROTIDEO METODI DI CALCOLO RIPRODUCIBILITA DATI variabilita intra ed interosservatore? Dipartimento Cardio-Toracico - Università di Pisa

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17 Complesso intima-media Correlazione con fattori di rischio CV Età, familiarità per malattie CV Fumo Diabete, sindrome metabolica & insulino-resistenza Ipertensione arteriosa, ipertrofia ventricolare sin Dislipidemie ( LDLc, trigliceridi, LP(a), HDLc) Fattori emocoagulativi ( PAI1, tpa e D-Dimero, Viscosità plasmatica, WWF, fibrinog., VIIIc) Omocisteina Nuovi FDR (CMV, Clamidia, parodontopatie, livelli di antiossidanti, D allele dell ACE, sideremia e ferritina)...

18 Complesso intima-media Correlazione con score riassuntivo dei fattori di rischio CV 12 R = 0,719 p < 0,0001 SMARTscore ,2 0,4 0,6 0,8 10 1,2 0 Common carotid IMT (mm) Lupi, ESC 2002 La diagnosi precoce di aterosclerosi coronarica - Torino 20/11/2004

19 Complesso intima-media Correlazione con AS coronarica Anderson, JACC 1995 La diagnosi precoce di aterosclerosi coronarica - Torino 20/11/2004

20 Complesso intima-media Correlazione con malattia AS vascolare (ARIC study) P<0.01 Burke, Stroke 1995

21 Complesso intima-media Correlazione con prognosi (CH Study) p<0.01 vs 1t Quintile O Leary, NEJM 1999

22 Complesso intima-media Correlazione con prognosi (CH Study) Crouse, Circulation 2003

23 Complesso intima-media End-point surrogati e studi di intervento farmacologico p<0.05 vs Pravastatina Taylor, Circulation 2002 (ARBITER study)

24 Lo Studio della Funzione Endoteliale

25 L ENDOTELIO NELLA PATOLOGIA CARDIOVASCOLARE ENDOTHELIAL CELLS (ARE) MORE THAN A SHEAT OF NUCLEATED CELLOPHANE LORD FLOREY, 1966 RUOLO CENTRALE NELLA REGOLAZIONE DELL OMEOSTASI CARDIOCIRCOLATORIA 1998 TONO VASCOLARE ADESIONE E AGGREGAZIONE PIASTRINICA COAGULAZIONE LOCALE CRESCITA VASCOLARE INFIAMMAZIONE

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27 Malattie Cardiovascolari e Disfunzione Endoteliale Aterosclerosi Vasospasmo Danno da riperfusione Riocclusione Scompenso cardiaco DISFUNZIONE ENDOTELIALE Trombosi Iperlipidemia Angiopatia diabetica Reazioni immuni Ipertensione Arteriopatie obliteranti periferiche Infiammazione Dipartimento Cardio Toracico Università di Pisa

28 How is endothelial function assessed?

29 FISIOLOGIA DELL ENDOTELIO SANGUE CELLULE PMN Monociti Piastrine FORZE ELASTICHE Shear stress Pressione SOSTANZE VASOATTIVE Acetilcolina Peptidi ( trombina, sostanza P, vasopressina) Chinine (bradichinina) Amine (serotonina) Nucleotidi (ATP; ADP) Metaboliti (leucotriene C4) ENDOTELIO FATTORI DI DERIVAZIONE ENDOTELIALI MUSCOLATURA LISCIA VASCOLARE rilasciamento contrazione proliferazione Dipartimento Cardio Toracico Università di Pisa

30 PRINCIPALI MECCANISMI INTRACELLULARI MEDIANTI L AZIONE DELL NO Ach BRADICHININA SHEAR STRESS CELLULA ENDOTELIALE M L-Arg R-NO CELLULA MUSCOLARE LISCIA? K + NO GTP cgmp? GC G-Kinasi Ca ++ /Mg ++ ATPasi Ca ++ Ca ++ VASODILATAZIONE

31 EFFETTI VASOPROTETTORI DELL NO Vasodilatazione (attraverso rilasciamento della cellule della muscolatura liscia) Inibizione della crescita (attraverso azioni sulla cellula della muscolatura liscia) Inibizione dell adesione/aggregazione piastrinica Inibizione delle interazioni endotelio/leucociti Controbilancia l effetti dell anione superossido? Dip. Cardio-Toracico - Università di Pisa

32 ASSESSMENT OF ENDOTHELIAL FUNCTION IN HUMANS STUDY OF VASCULAR REACTIVITY

33 STUDY OF VASCULAR REACTVITY MICROCIRCULATION: CORONARY CUTANEOUS MUSCLE MACROCIRCULATION: - EPICARDIAL ARTERIES - BRACHIAL, RADIAL, FEMORAL ARTERIES

34 VALUTAZIONE CLINICA DELL ENDOTELIO MACROCIRCOLO CORONARIE ART.PERIFERICHE (art.radiale,art.femorale ANGIOGRAFIA QUANTITATIVA + IVUS ULTRASONOGRAFIA NON INVASIVA (ECO-DOPPLER TRANSCUTANEO) Dipartimento Cardio Toracico Università di Pisa

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36 FLOW (Q) Endothelium SHEAR STRESS (τ) = 4µQ πr 2

37 ENDOTHELIUM-INDEPENDENT STIMULI NITRATES: SODIUM NITROPRUSSIDE, NITROGLYCERIN DIRECT VASODILATORS: PAPAVERINE, ADENOSINE (?)

38 NON INVASIVE EVALUATION OF ENDOTHELIAL FUNCTION IN THE BRACHIAL ARTERY Technique Subject preparation Equipment: high resolution ultrasound with broad-band ( 7 to 12 Mhz) linear array transducers Image acquisition : 2D gray-scale imaging, Stereotactic probeholding device

39 NON INVASIVE EVALUATION OF ENDOTHELIAL FUNCTION IN THE BRACHIAL ARTERY FMD endothelium-dependent TIMING OF FMD Sinoway et al. Circ Res 1989

40 STIMULUS: REACTIVE HYPEREMIA BASELINE AFTER ISCHEMIA Flow velocity (Doppler) Reactive hyperemia is calculated as maximal per cent flow increment above baseline after ischemia. Arterial flow: flow velocity x heart rate x vessel area (πr 2 ).

41 NO IS RESPONSIBLE FOR FMD OF HUMAN PERIPHERAL CONDUIT ARTERIES IN VIVO JOANNIDES R CIRCULATION 1995 LIEBERMAN Am J Cardiol 1996

42 FMD following wrist and upper arm occlusion in humans: the contribution of NO Doshi S Clinical Science 2001 Dilatation following upper arm occlusion is greater than that observed after wrist occlusion. L-NMMA infusion revealed that FMD following upper arm occlusion is substantial component not mediated by NO, most probably related to tissue ischaemia around the brachial artery.

43 NON INVASIVE EVALUATION OF ENDOTHELIAL FUNCTION IN THE BRACHIAL ARTERY FMD endothelium-independent: NTG

44 NON INVASIVE EVALUATION OF ENDOTHELIAL FUNCTION IN THE BRACHIAL ARTERY Analysis: Anatomic landmarks 1. Caliper measurement 2. Computerized measurement

45 CALIPER MEASUREMENT (manual) OF FMD BASELINE baseline: cm diameter (cm) s: cm FMD = 6.9% AFTER REACTIVE HYPEREMIA cuff inflation TIME (seconds) cuff deflation 40 HEALTHY SUBJECTS (21-51 YEARS) 4 MEASUREMENTS (BASELINE, 1-2 DAYS, 1-2 WEEKS, 2-4 MONTHS) FMD 7±1% (RANGE 0-17%) REPRODUCIBILITY (INTEROBSERVER VARIABILITY): 1.2±0.4 (17%) VARIATION COEFFICIENT AMONG DIFFERENT MEASUREMENTS: 1.8 (25%) SORENSEN KE ET AL. BR HEART J 1995

46 COMPUTERIZED MEASUREMENT edge-detection software system

47 ENDOTHELIUM-DEPENDENT RESPONSE flow velocity by * doppler % of diameter FMD max FMD 60 s FMD AUC ISCHEMIA seconds * *

48 NON INVASIVE EVALUATION OF ENDOTHELIAL FUNCTION IN THE BRACHIAL ARTERY Validation and Relevance of The Method CALIPER MEASUREMENT (manual) OF FMD 40 healthy subjects (21-51 years) 4 measurements (baseline, 1-2 days, 1-2 weeks, 2-4 months) fmd 7±1% (range 0-17%) reproducibility (interobserver variability): 1.2±0.4 (17%) var. coeff. : 1.8 (25%) Sorensen ke et al. br heart j 1995 COMPUTERIZED MEASUREMENT 40 healthy subjects (26-56 years) 2 measurements in the same day max FMD (56 sec) 6.5±2.9% Var. Coeff: 10% FMD (60 sec) 4.2±2.5% Var. Coeff: 18 % FMD AUC (56 sec) 525±260% Var. Coeff: 21 % max FMD, FMD 60 sec e FMD AUC are significantly related (r= ) Beux F Ultrasound Med Biol 2001

49 CLINICAL EVALUATION OF ENDOTHELIUM Flow- mediated vasodilation in patients with CAD Brachial artery diameter (% change) * Normal CAD * p < * Reactive hyperemia Nitroglycerin E. H. Lieberman Am. J. of Cardiol.1996

50 NON INVASIVE EVALUATION OF ENDOTHELIAL FUNCTION IN THE BRACHIAL ARTERY Validation and Relevance of The Method BRACHIAL ARTERY DIAMETER ( % change) REACTIVE HYPEREMIA * P = 0.08 * * P < CLOSE RELATION OF ENDOTHELIAL FUNCTION IN THE HUMAN CORONARY AND PERIPHERAL CIRCULATIONS * * CAD (angio) and Coronary Endothelial Dysfunction * (n= 26) (n=11) (n=7) No CAD(angio) and Coronary Endothelial Dysfunction No CAD (angio) and Normal Coronary Endothelial function (n= 26) (n=11) (n=7) T. Anderson et al. JACC 1995

51 Ultrasound Study Early Disease Asymptomatic Children and young adults with RF for ATS- Lancet 1992 Hypercolesterolemia in Children-J Clin Invest 1994 Active Smoking- Circul Passive Smoking-EHJ Diabete Mellitus JACC 1996 Hyperhomocisteinemia- Circul 1997 Studies of Reversibility Antioxidant Vit.C in CAD- Circul.1996 L-arginina in Hypercholest.-J Clin Invest Estrogen Therapy- Clin Endocr.

52 EVALUATION OF ENDOTHELIAL FUNCTION IN THE BRACHIAL ARTERY ADVANTAGES non invasive procedure large repeatibility over the time correlation with coronary circulation correlation with clinical end-points DISADVANTAGES reproducibility low degree of response large number of subjects to study limited possibility to assess mechanisms

53 European Heart Journal (2005) 26,

54 GUIDELINES FOR THE ULTRASOUND ASSESEMENT OF ENDOTHELIAL DEPENDENT FMD OF BRACHIAL ARTERY JACC 2002

55 Ruolo della disfunzione endoteliale nella stratificazione del rischio cardiovascolare

56 Long-Term Follow-Up of Patients With Mild Coronary Artery Disease and Endothelial Dysfunction Suwaidi J, Circulation. 2000;101:948 Follow-up (average 28 month; 11 to 52 months) was obtained in 157 patients with mildly diseased coronary arteries (angiographically coronary artery lesions <40 40% lumen diameter stenosis without evidence of coronary spasm) Coronary vascular reactivity evaluation: graded administration of intracoronary acetylcholine, adenosine, and nitroglycerin and intracoronary ultrasound at the time of diagnostic study Patients were divided on the basis of their response to acetylcholine into 3 groups: group 1 (n=83 83), patients with normal endothelial function; group 2 (n=32 32), patients with mild endothelial dysfunction; and group 3 (n=42 42), patients with severe endothelial dysfunction. % Change CBF (Ach) * 24 P< Group 1 Group 2 Group 3 CBF: Volumetric coronary blood flow; Normal coronary endothelium: CBF of >50%; mild: CBF between 0% to 50%; severe: percent change in CBF <0%. * % Cardiac events P< Group 1 Group 2 Group 3

57 Long-Term Follow-Up of Patients With Mild Coronary Artery Disease and Endothelial Dysfunction Suwaidi J, Circulation. 2000;101:948 September 1995 ECG of 58-year year-old patient at time of endothelial function evaluation (September 7, 1995). Mean percent change in CBF in response to acetylcholine was -35%. July, 1997 B, ECG when patient presented with 3 hours of typical anginal pain and elevated creatine kinase to 800 U (July 6,1997), revealing new T-wave inversion in anterolateral leads.

58 Long-Term Follow-Up of Patients With Mild Coronary Artery Disease and Endothelial Dysfunction A, Coronary angiogram (left coronary artery in left cranial view) of 51-year year- old patient at time of endothelial function evaluation (January 11, 1996), demonstrating 20% diameter stenosis in mid-lad (arrow). Mean percent change in CBF in response to acetylcholine was %. Suwaidi J, Circulation. 2000;101:948 50%. January B, Patient who presented on August 1, 1997, with progressive exertional angina and dyspnea. Exercise sestamibi revealed large, reversible anterolateral perfusion defect, and repeated coronary angiography revealed 95% diameter stenosis in mid-lad (arrow). Patient successfully underwent percutaneous coronary angioplasty and stent placement with resolution of symptoms Aug. 1997

59 Peripheral vascular endothelial function testing as a noninvasive indicator of coronary artery disease Subjects with CAD by ExMPI (n = 23) had a lower FMD (6.3 ± 0.7%) than those without CAD by ExMPI (n = 71) ( ± 0.6%; P = ). Flow-mediated dilation was highly predictive for CAD with an odds ratio of 1.32 for each percent decrease in FMD (p = ). Twenty-one of 23 subjects who were positive for ExMPI had an FMD <10 10% (sensitivity 91%), whereas only two of 40 subjects with an FMD 10% were ExMPI- positive (negative predictive value: 95%). Individuals with an FMD <10 10% exercised for a shorter duration than those with an FMD 10% (456 ± 24 vs. 544 ± 31 s, respectively; P = ). (ExMPI) Kuvin JT, JACC Vol.38,7 2001:1843

60 Impaired Flow-Mediated Dilation and Risk of Restenosis in Patients Undergoing Coronary Stent Implantation Was studied 136 patients with single-vessel CAD undergoing percutaneous coronary intervention (PCI) with stenting and at least 6 months of follow-up. All patients underwent ultrasound detection of brachial artery reactivity 30 days after PCI

61 Risk Stratification for Postoperative Cardiovascular Events via Noninvasive Assessment of Endothelial Function Gokce N, Circulation. 2002;105: Was preoperatively examined brachial artery vasodilation using ultrasound in 187 patients undergoing vascular surgery. Patients were prospectively followed for 30 days and 1.2 years after surgery High (>8.1%) High (>8.1%) Forty-five patients had a postoperative event, including cardiac death (3), myocardial infarction (12 12), unstable angina/ischemic ventricular fibrillation (2), stroke (3), or elevated troponin I, reflecting myocardial necrosis (25 25). Preoperative endothelium-dependent dependent FMD was significantly lower in patients with an event (4.9±3.1%) than in those without an event (7.3±5%; P< ), whereas endothelium-independent independent vasodilation to nitroglycerin was similar in both groups. When a flow-mediated dilation cutpoint of 8.1% was used, endothelial function had a sensitivity of 95%, specificity of 37%, and negative predictive value of 98% for events. Middle ( %) Low tertile (<4.2%) Middle ( %) Low tertile (<4.2%)

62 Endothelial Dysfunction and Cardiovascular Risk Prediction in Peripheral Arterial Disease Additive Value of FMD to Ankle-BrachialPressure Index FMD > median FMD < median 131 patients monitored for a mean of 23 ±10 months. 18 had a coronary cerebrovascular event, peripheral event. event, 12 a and 9 a The median FMD was lower in patients with an event than in those without (5.8% versus 7.6%, P ) The cardiovascular event rate was higher in patients with FMD below the median versus those with FMD above the median (P ). Below-median ABPI and FMD combined was more accurate in predicting risk Brevetti G, Circulation. 2003; 108:2093

63 Prognostic Role of Reversible Endothelial Dysfunction in Hypertensive Postmenopausal Women A total of 400 consecutive postmenopausal women with mild-to to-moderate hypertension and impaired FMD underwent ultrasonography of the brachial artery at baseline and after six months, while optimal control of blood pressure was achieved using antihypertensive therapy. They were then followed up for a mean period of 67 months (range 57 to 78). Modena M.G. J Am Coll Cardiol 2002;40:505

64 CONCLUSIONI Lo funzione endoteliale rappresenta un marker della salute salute vascolare e gioca un ruolo importante nella patogenesi e nella prognosi delle malattie cardiovascolari. Lo studio della funzione endoteliale rappresenta un valido strumento clinico. La mancanza di una procedura standardizzata dello studio della funzione endoteliale ne limitano a tutt oggi l impiego nella pratica clinica quotidiana. Dipartimento Cardio Toracico Università di Pisa

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