Uso da tomografia de coerência ótica intracoronariana para caracterização precisa da aterosclerose

Resumos

Optical coherence tomography (OCT) is a novel imaging technology based on low-coherence interferometry that uses scattering of near-infrared light as a signal source to provide vascular cross-sectional imaging with definition far superior to any other available modality. With spatial resolution of up to 10μm, OCT provides 20-fold higher resolution than intravascular ultrasound (IVUS), currently the most used modality for intra-coronary imaging. OCT has the capacity to provide invaluable insight into the various phases of atherosclerotic disease and vascular response to therapeutics. Studies have shown the ability of OCT to detect arterial structures and assist in the determination of different histological constituents. Its capacity to distinguish different grades of atherosclerotic changes and the various types of plaques, as compared to histology, has recently been demonstrated with acceptable intra-observer and inter-observer correlations for these findings. OCT provides unrivaled real-time in vivo endovascular resolution, which has been exploited to assess the vascular structures and response to device deployment. While depth remains a limitation for OCT plaque characterization beyond 2-mm, near-histological resolution can be achieved within the first millimeter of the vessel wall allowing unique assessment of fibrous cap characteristics and thickness. In addition, assessment of neointimal coverage, para-strut tissue patterns and stent apposition can now be scrutinized for individual struts on the micron scale, the so-called strut-level analysis. OCT has propelled intravascular imaging into micron-level in vivo vascular analysis and is expected to soon become a valuable and indispensable tool for the cardiologists on both clinical and research applications.

Optical coherence tomography; atherosclerosis; intravascular imaging

La Tomografía de Coherencia Óptica (TCO) es una nueva tecnología de imagen basada en interferometría de baja coherencia que utiliza la dispersión de luz casi infrarroja como una fuente de señal para suministrar imágenes transversales vasculares con definición muy superior a la de cualquier otra modalidad disponible. Con una resolución espacial de hasta 10 μm, la TCO ofrece una resolución 20 veces mayor que la ecografía intravascular (EIV), la modalidad actualmente más utilizada para obtener imágenes intracoronarias. La TCO tiene capacidad de suministrar comprensión de las varias fases de la enfermedad aterosclerótica y la respuesta vascular al tratamiento. Estudios han mostrado la capacidad de la TCO para detectar estructuras arteriales y ayudar en la determinación de diferentes constituyentes histológicos. Su capacidad para distinguir diferentes grados de alteraciones ateroscleróticas y los varios tipos de placas, cuando se la compara con la histología, ha sido demostrada recientemente con correlaciones inter e intra observador aceptables para esos hallazgos. La TCO ofrece una resolución endovascular excepcional en tiempo real in vivo, que se ha explorado para evaluar las estructuras vasculares y la respuesta al auso del equipamiento. Aunque la profundida continúe siendo una limitación para la caracterización de placa más allá de 2 mm a través de la TCO, una resolución próxima a la histológica puede obtenerse dentro del primer milímetro de la pared del vaso, permitiendo una evaluación extraordnaria de las característica y espesor de la capa fibrosa. Además de ello, la evaluación de la cobertura de neoíntima, patrones de tejido para vástago y aposición de stent pueden ahora ser escrutados para vástagos individuales en la escala de micrones, el llamado análisis a nivel de vástago.

Tomografía de coherencia óptica; aterosclerosis; vasos coronarios

ARTIGO DE REVISÃO

Uso da tomografia de coerência ótica intracoronariana para caracterização precisa da aterosclerose

Use of optical coherence tomography for accurate characterization of atherosclerosis

John Coletta^I; Nobuaki Suzuki^I; Bruno R. Nascimento^II; Hiram G. Bezerra^I; Noah Rosenthal^I; Giulio Guagliumi^III; Andrew M. Rollins^IV; Marco A. Costa^I

^IHarrington McLaughlin Heart and Vascular Institute, University Hospitals Case Medical Center, and Case Western Reserve University, Cleveland, OH, USA

^IIHospital das Clínicas da Universidade Federal de Minas Gerais, Belo Horizonte, MG, Brazil

^IIIAzienda Ospedaliera Ospedali Riuniti di Bergamo, Bergamo, ItalyCase Western Reserve University, Cleveland, OH, USA

^IVBiomedical Engineering Department, Case Western Reserve University, Cleveland, USA

^{Correspondência}

RESUMO

A Tomografia de Coerência Ótica (TCO) é uma nova tecnologia de imagem baseada em interferometria de baixa coerência que utiliza a dispersão de luz quase-infravermelha como uma fonte de sinal para fornecer imagens transversais vasculares com definição muito superior à de qualquer outra modalidade disponível. Com uma resolução espacial de até 10μm, a TCO fornece uma resolução 20 vezes maior do que o ultrassom intravascular (USIV), a modalidade atualmente mais utilizada para obter imagens intra-coronárias. A TCO tem uma capacidade de fornecer um entendimento das várias fases da doença aterosclerótica e a resposta vascular ao tratamento. Estudos tem mostrado a capacidade da TCO em detectar estruturas arteriais e ajudar na determinação de diferentes constituintes histológicos. Sua capacidade de distinguir diferentes graus de alterações ateroscleróticas e os vários tipos de placas, quando comparada à histologia, tem sido recentemente demonstrada com correlações inter e intra-observador aceitáveis para esses achados. A TCO fornece uma resolução endovascular excepcional em tempo real in vivo, que tem sido explorada para avaliar as estruturas vasculares e a resposta ao uso do equipamento. Embora a profundidade permaneça uma limitação para a caracterização de placa além de 2 mm através da TCO, uma resolução próxima à histológica pode ser obtida dentro do primeiro milímetro da parede do vaso, permitindo uma avaliação extraordinária das características e espessura da capa fibrosa. Além disso, a avaliação da cobertura de neoíntima, padrões de tecido para-haste e aposição de stent podem agora ser escrutinizados para hastes individuais na escala de mícrons, a assim chamada análise em nível de haste.

A TCO levou a imagem intravascular ao nível de mícron na análise vascular in vivo e espera-se que breve se torne uma ferramenta valiosa e indispensável para cardiologistas em aplicações clínicas e de pesquisa.

Palavras-chave: Tomografia de coerência ótica, aterosclerose, vasos coronários.

Introdução

A Tomografia de Coerência Ótica (TCO) é uma nova tecnologia de imagem que fornece imagens transversais tomográficas para estruturas biomédicas com definição muito maior do que qualquer outra atualmente disponível¹. A capacidade de resolução da TCO é devido ao uso de luz quase infravermelha como sua fonte de sinal. Os tecidos biológicos tem limitada absorção dessa frequência de luz e reflete ou retrodispersa essa energia. Usando essas propriedades, a TCO é capaz de obter resolução espacial de até 10μm, pelo menos 10 vezes aquela obtida com o ultrassom intravascular (USIV)^2-5. Esse aumento da resolução, entretanto, acontece a expensas da penetração no tecido. A absorção e dispersão da luz pelos tecidos biológicos limita a TCO a uma profundidade < 2mm no tecido endovascular⁶. Entretanto, o aumento da resolução permite uma exibição precisa dos componentes vasculares menores do que a capacidade de resolução do USIV, como por exemplo, de ateromas de capa fina. Estudos tem validado a capacidade da TCO em identificar e diferenciar de forma precisa componentes ateroscleróticos. Além das aplicações em pesquisa, a TCO certamente terá um papel importante na prática intervencionista de rotina, já que fornece uma clara distinção entre lúmen e interface de parede de vaso, o que não é sempre alcançado com o USIV. A imagem endovascular, na prática clínica diária, é essencialmente baseada nas dimensões transversais do lúmen para guiar tanto a indicação quanto os resultados da intervenção percutânea.

O objetivo desse estudo é descrever de forma concisa os aspectos técnicos da aquisição de imagem por TCO, resumir dados sobre o uso da TCO em avaliação por imagem de aterosclerose e artérias coronárias e apresentar novos usos da TCO em modalidades terapêuticas.

Aquisição da Imagem por TCO

O cateter atualmente comercialmente disponível consiste em uma fibra ótica de modo único em um cabo oco com movimento de rotação ou translação que emite e escaneia o raio da TCO radialmente a partir do eixo do cateter (TCO de domínio de tempo)⁶. O diâmetro do fio com transdutor tem um tamanho de 0,014 polegadas. A sonda termina em uma fibra ótica, a qual é recoberta por uma estrutura de plástico transparente. A luz é emitida radialmente ao tecido endovascular. Uma parte da luz é refletida das estruturas vasculares e retorna ao fio, o qual também recebe esse sinal. O sinal retrodissipado é analisado em relação à intensidade do sinal de retorno, bem como o "time-of-flight" (tempo de vôo), quando ele retorna da amostra. À medida que o fio é rotado, ele adquire um fluxo contínuo de informações. Um computador acoplado processa as informações obtidas e fornece uma estrutura transversal, ou biópsia ótica do vaso. A remoção do fio é feita de forma mecânica, o que permite a avaliação longitudinal do vaso-alvo. As velocidades atuais de remoção de 1mm/s fornecem aproximadamente 15 a 30 quadros por mm. Uma grande limitação do procedimento na TCO intravascular é a necessidade de deslocar o sangue durante a aquisição de imagens, devido à atenuação do sinal causada pelas células vermelhas do sangue. Atualmente, este deslocamento é obtido através de uma pressão baixa "over-the-wire", oclusão proximal do balão e infusão de solução de Ringer lactato ou solução salina normal durante a remoção. O sistema atual da TCO consiste de uma fibra ótica, um cateter balão de oclusão de baixa pressão (Helios^TMGoodman, Advantec Vascular Corp™ Sunnyvale, CA, EUA) em um carro móvel do sistema TCO contendo o equipamento de imagem ótica e um computador para aquisição de sinal, análise e reconstrução da imagem (M2CV OCT Imaging System, LightLab, Westford, MA, EUA). Resultados de estudos demonstraram a segurança desse sistema, com taxas de sucesso do procedimento maiores do que as obtidas com o USIV². Entretanto, uma cuidadosa seleção de pacientes é crítica para uma aquisição de imagens segura e adequada. Os vasos adequados para o escaneamento por TCO normalmente tem entre 2,5 e 3,75 mm de diâmetro, sem tortuosidade excessiva (< 90° curvatura), sem colaterais visíveis e com comprimento suficiente de segmentos proximais livres de doença para que o balão seja insuflado.

A próxima geração dos sistemas TCO é baseada em ótica do domínio das frequências (OFDI). Os componentes espectrais individuais da luz de baixa coerência são detectados separadamente, o que melhora de forma significante a razão sinal/ruído, comparado à TCO atualmente disponível de "domínio de tempo". Utilizando-se cateteres flexíveis, de diâmetro estreito, imagens com 500 linhas A radiais por quadro são adquiridas a uma taxa de aproximadamente 100 quadros por segundo, o que permite a aquisição de imagens em tempo real a uma velocidade de remoção de 15 mm/s durante o breve deslocamento de sangue através de uma única infusão de solução salina, sem a necessidade de oclusão do vaso. Esses novos sistemas TCO estarão disponíveis brevemente, embora sua validação clínica ainda precise ser demonstrada. O sistema OFDI M4 da LightLab brevemente iniciará um estudo de viabilidade da FDA. Volcano e Terumo também tem protótipos do sistema OFDI-TCO que foram usados em seres humanos durante demonstrações de casos ao vivo em encontros internacionais e espera-se que se tornem disponíveis no futuro.

Avaliação da Aterosclerose Vascular

A aquisição de imagem pela TCO utiliza luz com um comprimento de onda central de cerca de 1.300nm, que produz, baseado em interferometria de baixa coerência, imagens com uma resolução axial de até 10 μm e resolução lateral de até 20μm. Similar ao USIV, estudos in vitro e in vivo sugerem que a alta definição da TCO possa permitir a distinção de estruturas arteriais microscópicas e ajudar na determinação de diferentes constituintes histológicos, incluindo lipídios, cálcio e tecido fibroso² (Figuras 1, 2 e 3). Em um estudo de aterosclerose em coelhos, Zimarino e cols.⁷ demonstraram em artérias carótidas danificadas, que a TCO era capaz de detectar mudanças histológicas ateroscleróticas classificadas além do grau III ("pools" de lipídios extracelulares), mas não mudanças sutis (Graus I e II)⁷. A TCO tem se mostrado altamente sensível e específica para caracterizar diferentes tipos de placas ateroscleróticas em artérias coronárias humanas, com variabilidade inter- e intra-observador muito aceitáveis. Yabushita e cols⁸, examinando 357 segmentos arteriais de 90 cadáveres, demonstraram uma sensibilidade de 79%, 95% e 90% e especificidade de 97%, 97% e 92% para TCO na detecção de placas fibrosas, fibrocalcificadas e ricas em lipídios, respectivamente, comparada à análise histológica². Estudos adicionais de TCO realizados em 76 pacientes demonstraram que os coeficientes de correlação intra-observador para diâmetro luminal mínimo e área luminal mínima eram de 0,999 e 0,999, com porcentagem de erro de 2,0 ± 1,1% e 2,5 ± 2,4%, respectivamente. Os coeficientes de correlação inter-observador eram de 0,997 e 0,998, com porcentagem de erro de 2.7 ± 2,1% e 4,6 ± 6,8%, respectivamente⁸.

Com esses dados, os investigadores analisaram a capacidade da TCO de detectar componentes adicionais da aterosclerose. Investigações anteriores mostraram que a ruptura de placas na síndrome coronária aguda é frequentemente encontrada no chamado "ombro" das placas ateromatosas, com um grande centro lipídico e uma capa fibrosa fina, chamada de "fibroateroma de capa fina" (TCFA)⁹. Foi determinado que a espessura da capa da TCFA associada com a ruptura da placa era menor que 65 mícrons¹⁰, bem abaixo da capacidade de resolução do USIV. Kume e cols.¹¹ demonstraram a capacidade da TCO de medir de forma precisa a espessura da capa fibrosa, quando comparada à análise histológica. Estudos de necrópsia adicionais mostraram uma sensibilidade de 92% e uma especificidade de 75% para a detecção de TCFA por TCO, quando comparada à histologia¹².

O objetivo da imagem intravascular não é apenas expor uma doença estabelecida, mas também detectar os estágios iniciais da doença a fim de que tais áreas sejam submetidas à intervenção terapêutica. Estudos anteriores identificaram o papel da infiltração de macrófagos de placas ateroscleróticas e eventos clínicos^9,13. Ao identificar a variância de sinal na TCO, MacNeill e cols.¹⁴ demonstraram uma maior densidade de macrófagos em placas fibrosas e ricas em lipídios, em pacientes com doença arterial coronariana instável versus estável. Estudos adicionais estabeleceram uma correlação muito significante entre a TCO e as medidas histológicas da densidade de macrófagos em capas fibrosas¹⁵.

Aterosclerose intensa pode levar à ruptura de placa e introdução de constituintes da parede vascular na circulação sanguínea. A capacidade de uma modalidade de aquisição de imagens intravasculares em identificar mesmo pequenas áreas de trombos pode identificar áreas de injúria tecidual e mais uma vez destacar áreas para intervenção terapêutica. A capacidade da TCO em detectar trombose intravascular (Figura 4) foi estudada em modelos animais com coelhos e mostrou boa correlação com os achados histológicos¹⁶. Investigação seminal pós-morte determinando a acurácia da TCO em detectar trombos mostrou a capacidade da TCO em identificar a diferenciar trombos vermelhos de brancos¹⁷. Nos estágios iniciais da formação do trombo, constituintes das células sanguíneas são aprisionados dentro do trombo que está se organizando rapidamente. À medida que o trombo amadurece, e se torna mais fibroso e menos celular, ele muda de "vermelho" para "branco". Essa importante distinção pode ajudar a determinar a melhor estratégia terapêutica. Esses impressionantes resultados in vitro não podem ser esperados na aquisição de imagens in vivo, devido ao sangue, tortuosidade do vaso, posição do fio e artefatos induzidos por movimento. Entretanto, esses estudos de validação fornecem forte apoio cientifico às propriedades especiais da tecnologia da TCO, que representam um grande avanço no estudo de imagens endovasculares.

Avaliação por TCO para intervenções coronárias percutâneas

O impacto do diâmetro luminal mínimo (DLM) nos desfechos clínicos em pacientes com intervenção coronária percutânea (ICP) atual tem sido relatado de forma extensa¹⁸. Entretanto, a medida da área luminal através do USIV ainda necessita de considerável interpolação manual e pode não ser realista em algumas situações clínicas. Por outro lado, o algoritmo de detecção de contorno automatizado online (colaboração entre o University Hospitals Case Medical Center Core Laboratory, Cleveland, OH e LightLab Imaging Inc., Westford, MA) permite o delineamento instantâneo e a medidas da área luminal virtualmente sem interferência do observador devido à clara diferença em intensidade entre o lúmen e a parede do vaso mostrados pela TCO. A capacidade da TCO em delinear tais interfaces permite uma menor interpolação do que com outras modalidades de imagens disponíveis clinicamente. Dessa forma, a reprodutibilidade das medidas do DLM pela TCO tem sido muito boa¹⁹.

Embora a maior parte das medidas de artérias coronárias mostrem correlações aceitáveis entre a TCO e o USIV, algumas variáveis (diâmetro luminal mínimo e área luminal mínima) parecem ser subestimados pela TCO. Tem sido proposto que isto pode ser o resultado de pressão intravascular mais baixa durante a aquisição da imagem². Alternativamente, o maior diâmetro da sonda do USIV pode artificialmente dilatar o lúmen, enquanto o fio menor da TCO pode mostrar um contorno luminal real sem distorção.

Avaliação da cobertura neointimal e aposição de stent

A capacidade da TCO em fornecer resolução endovascular sem igual tem sido utilizada para avaliar a resposta vascular à instalação de dispositivos. Agora é possível realizar análise no nível de haste de stents, a avaliação da resposta vascular em hastes individuais de stents. Variáveis tais como crescimento neointimal e aposição de stents agora podem escrutinizadas para hastes individuais na escala de mícrons. A correlação entre essa avaliação detalhada e o desfecho clínico permanece incerta.

Devido ao fato de a fonte de luz da TCO não poder penetrar metais, aconselha-se cautela na interpretação de hastes individuais de stents, já que o sinal de alta intensidade da imagem da TCO não representa a morfologia da verdadeira haste (Figure 5). Usando o software mencionado anteriormente, a espessura da sombra de alta intensidade representando a haste do stent foi determinada. As medidas da espessura de 2,250 hastes em 471 imagens transversais de TCO foram obtidas 6 meses após a implantação do stent Taxus Liberte. As medidas foram determinadas ao longo do vetor, cujo ponto inicial estava localizado no centróide do vaso. É interessante observar que a espessura média medida era de 37±8 μm (20-70 μm) (Suzuki N, Costa MA; dados não publicados), o que é definitivamente menor do que a real espessura da haste (97 μm). Esta inadequada espessura de haste foi observada por outros²⁰. Sendo assim, a estrutura de alta intensidade não pode representar a espessura da haste, mas ao invés disso, é um reflexo da superfície da haste. Isto mostra a necessidade de padronização da interpretação de dados e relato de estratégias.

Dados recentes sugerem que as taxas de aposição incompleta e hastes não-cobertas são de até 6% (Figura 5) e 15%, respectivamente, após a implantação de stents eluidores de fármacos (SEF), mais altas do que stents de metal não revestidos (SMNR): 0,1% e 1%, respectivamente, em um acompanhamento de 3 meses, na sua maioria em segmentos em bifurcação e sobrepostos^21,22. Além disso, dois anos após a implantação dos stents, a frequência de hastes que permaneceram sem endotelização foi mais alta do que no grupo SEF. A crença de que a cobertura das hastes pela TCO é um marcador de endotelização é uma extrapolação grosseira; o endotélio é uma camada única de células microscópicas, que é clinicamente "invisível" mesmo para a melhor modalidade de exame de imagem, isto é, a TCO. Além disso, os segmentos coronários doentes, mesmo antes da intervenção, são desnudos de ou apresentam endotélio disfuncional. Independente da presença ou ausência de um endotélio funcional, tem sido proposto que uma razão de hastes não-cobertas para o total de hastes por imagem transversal da TCO pode predizer aqueles pacientes em risco de trombose tardia de stent^21,23-25. Isto, e muitas outras hipóteses interessantes, ilustram a abundância potencial de informações que podem agora ser obtidas utilizando-se a TCO para adquirir imagens intravasculares.

Agradecimentos

Agradecimentos especiais ao LightLab Imaging, a LLC por fornecer imagens para este artigo e, por seu contínuo apoio e colaboração, agradecemos ao Harrington McLaughlin Heart and Vascular Institute, University Hospitals Case Medical Center, Cleveland, Ohio.

Potencial Conflito de Interesses

Declaro não haver conflito de interesses pertinentes.

Fontes de Financiamento

O presente estudo não teve fontes de financiamento externas.

Vinculação Acadêmica

Não há vinculação deste estudo a programas de pós-graduação.

Artigo recebido em 20/10/08; revisado recebido em 31/10/08; aceito em 31/10/08.

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Datas de Publicação

• Publicação nesta coleção
  05 Maio 2010
• Data do Fascículo
  Fev 2010

Histórico

• Aceito
  31 Out 2008
• Revisado
  31 Out 2008
• Recebido
  20 Out 2008