Modelado ventricular en 3 dimensiones basado en imagen de resonancia magnética cardíaca e incorporación de propiedades funcionales para la caracterización precisa de la taquicardia ventricular relacionada con el sustrato estructural post-infarto de miocardio: modelo animal de cerdo

Abstract

La arquitectura 3D de fibras cardíacas tras sufrir un infarto de miocardio (MI) presenta alteraciones en su distribución y organización, contribuyendo a la aparición de consecuencias desconocidas en potenciales arritmias ventriculares. El objetivo principal de este trabajo fue evaluar parámetros derivados de imágenes de tensores de difusión (DTI) en mapas 3D de fibras cardíacas y regiones de cicatriz para identificar aquellos con mejores capacidades que contribuyen a la inducción de arritmias ventriculares y a las características de la taquicardia ventricular (VT) postinfarto. En la metodología experimental se incluyeron 12 cerdos con MI previo localizado en el territorio de la arteria coronaria descendiente anterior izquierda, y 3 controles con pesos similares. Tras 10 hasta 12 semanas de recuperación postinfarto, se realizó una evaluación in-vivo de la función cardíaca y una posterior caracterización electrofisiológica. Así, por animal se analizó su inducibilidad de arritmias ventriculares y características adicionales de la VT. Además, se obtuvo la distribución 3D de la cicatriz y de fibras cardíacas desde secuencias ex-vivo de mapeo de T1 de alta resolución realzadas por contraste y DTI, respectivamente. Los parámetros derivados de DTI con mejores capacidades para distinguir entre zonas sanas y de cicatriz, acompañados de los establecidos volúmenes de cicatriz y la fracción de eyección del ventrículo izquierdo (LVEF), se incluyeron en los análisis de correlación con la inducibilidad de arritmias ventriculares y características de las VT evaluadas. Los resultados presentan 8 de 12 cerdos postinfarto con VT inducible, siendo la fibrilación ventricular (VF) la única arritmia inducible en el resto de casos. Una mediana de 2.5 morfologías de VT sostenida se cuantificaron por animal tras estimulación ventricular programada (PVS) (longitud de ciclo (CL) de la VT: 212 ms, con rango intercuartil (IQR): 205-266 ms). Ni la LVEF ni los volúmenes de cicatriz (heterogéneos, densos o de cicatriz global) fueron relevantes en las comparativas con la inducibilidad de arritmias ventriculares y características de la VT. La desorganización 3D de fibras, cuantificada por el índice de desorganización de fibras (FDI) derivado de DTI, presentó niveles altos de desorganización dentro de la cicatriz densa en casos en los que sólo fue posible la inducción de VF. De manera opuesta, se observaron niveles de desorganización dentro de la cicatriz densa más bajos en aquellos casos en los que las VT resultaron inducibles (p=0.0485. FDI: 0.36, con IQR: 0.36-0.37 vs. 0.32, con IQR: 0.26-0.33, respectivamente). Curiosamente, la sensibilidad de inducción de VF tras PVS era alta para animales en los que sólo fue posible la inducción de VF (FDI elevado en zona densa), mientras que los casos en los que pudo inducirse VT (FDI disminuido en zona densa) y los controles requirieron maniobras de PVS más agresivas para alcanzar la inducción de VF. Además, el FDI en cicatriz heterogénea correlacionó significativamente con la mediana de la CL de la VT por cerdo (p=0.04, R2 = 0.5320). Por tanto, los niveles altos de FDI en región heterogénea contribuyeron a episodios de VT más lentos, mientras que niveles bajos de FDI en la misma región promovieron CLs de la VT más rápidas. De manera adicional, se incluyó el análisis de regiones 3D de interés (ROI) de la VT a partir de cartografía de activación durante VT. Los análisis estructurales desde esta región presentaron alteraciones similares a las de la cicatriz en sus niveles de FDI, comparando con regiones sanas (p=0.0038. FDI: 0.38, con IQR: 0.34-0.44 vs. 0.24, con IQR: 0.20-0.27, respectivamente). A su vez, la distribución de tejido dentro de la ROI 3D de VT encerraba tractos viables sanos, sugiriendo una potencial contribución en los mecanismos de la VT. De manera general, la desorganización de fibras cardíacas promovió la inducibilidad de arritmias ventriculares y la modulación de características de la VT postinfarto. Esta información podría mejorar la estratificación de riesgo en pacientes postinfarto antes de la aparición de posibles arritmias ventriculares.

Cardiac fiber 3D architecture presents altered distribution and organization after myocardial infarction (MI), leading to unknown consequences in potential ventricular arrhythmia. The main aim of this work was to evaluate diffusion tensor imaging (DTI) parameters in 3D cardiac fiber maps and scar regions to identify outperforming structural parameters associating to ventricular arrhythmia inducibility and ventricular tachycardia (VT) features after MI. Experimental methodology included 12 swine with prior MI at the left anterior descending coronary artery, and 3 controls in similar weights. These underwent in-vivo cardiac functional assessment and further electrophysiological characterization after 10-to-12 weeks of infarct recovery. Both ventricular arrhythmia inducibility and VT features were characterized per swine. Further 3D scar delineation and fiber distribution were retrieved from ex-vivo high-resolution contrast-enhanced T1 mapping and DTI sequences, respectively. Diffusion-derived parameters outperforming when distinguishing between healthy and scar regions, along with established scar volumes and left ventricular ejection fraction (LVEF), were included for comparisons to assess ventricular arrhythmia inducibility and VT features. The results showed that VT was inducible in 8 out of 12 post-MI swine, being ventricular fibrillation (VF) the only inducible arrhythmia in remaining cases. A median of 2.5 sustained VT morphologies per animal was present after programmed ventricular stimulation (PVS) (VT cycle length (CL): 212 ms, with an interquartile range (IQR): 205-266 ms). Neither LVEF nor scar volumes (heterogeneous, dense or full scar volumes) were relevant in ventricular arrhythmia inducibility and VT features comparisons. 3D fiber disorganization, as quantified from the DTI-derived fiber disorganization index (FDI), presented high dense scar disorganization levels in only VF inducible cases. Conversely, lower FDI in dense scar for VT inducible cases was observed (p=0.0485. FDI: 0.36, with IQR: 0.36-0.37 vs. 0.32, with IQR: 0.26-0.33, respectively). Of interest, VF induction sensitivity after PVS was high for only VF swine (high dense FDI), whereas VT inducible cases (lower dense FDI) and controls required more aggressive PVS maneuvers to reach VF induction. Besides, heterogeneous scar FDI significantly correlated to median VT CL per swine (p=0.04, R2 = 0.5320). Thus, increased FDI in heterogeneous region contributed to slower VT episodes, while lower disorganization in same region promoted faster VT CLs. Additional 3D VT region of interest (ROI) analysis (n=6) were generated from VT activation maps characterization. Structural insights from this region presented similar-to-scar altered FDI levels, as compared to healthy regions (p=0.0038. FDI: 0.38, with IQR: 0.34-0.44 vs. 0.24, with IQR: 0.20-0.27, respectively). Furthermore, tissue distribution within 3D VT ROI enclosed healthy viable tracts, suggesting their possible contribution to VT mechanisms. Overall, cardiac fiber disorganization promoted ventricular arrhythmia inducibility and VT features modulation after MI. This information could better stratify risk in post-MI patients before probable ventricular arrhythmia episodes arise.