Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 ·...

49
Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση στην καρδιολογία Constantinos Anagnostopoulos M.D, Ph.D, FRCP, FRCR, FESC Constantinos Anagnostopoulos M.D, Ph.D, FRCP, FRCR, FESC Investigator level B/ Associate Professor Head, Nuclear Medicine Division Head, Nuclear Medicine Division Clinical Research Centre Clinical Research Centre BIOMEDICAL RESEARCH FOUNDATION BIOMEDICAL RESEARCH FOUNDATION ACADEMY OF ATHENS ACADEMY OF ATHENS

Transcript of Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 ·...

Page 1: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Ποζιτρονιακή

Τομογραφία

και

μοριακή απεικόνιση

στην

καρδιολογία

Constantinos Anagnostopoulos M.D, Ph.D, FRCP, FRCR, FESCConstantinos Anagnostopoulos M.D, Ph.D, FRCP, FRCR, FESCInvestigator level B/ Associate Professor

Head, Nuclear Medicine DivisionHead, Nuclear Medicine Division

Clinical Research CentreClinical Research CentreBIOMEDICAL RESEARCH FOUNDATIONBIOMEDICAL RESEARCH FOUNDATION

ACADEMY OF ATHENSACADEMY OF ATHENS

Page 2: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Molecular Imaging Targets for Noninvasive Cardiac ImagingMolecular Imaging Targets for Noninvasive Cardiac Imaging

Angiogenesis

Metabolism

Autonomic Innervation

Microcirculation

Apoptosis

Extracell. Matrix

Atherosclerosis / Plaque Vulnerability

Stem Cell Migration

Transgene Expression

Page 3: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Why Molecular Cardiac Imaging?Why Molecular Cardiac Imaging?

••

Understand mechanisms Understand mechanisms

••

Early diagnosisEarly diagnosis

••

PrognosisPrognosis

••

Sophisticated treatment/personalisedSophisticated treatment/personalised

••

MonitoringMonitoring

Page 4: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Tools for molecular imaging with PET Tools for molecular imaging with PET

METABOLISM & PERFUSIONGlucose uptake 18F-FDG, 11C-glucose

Perfusion/blood flow

15O-H2

O, 13N-NH3/

Rubidium-82Oxygen consumption 15O-O2

,

11C-acetateFFA uptake & oxidation 18F-FTHA, 11C-palmitate

Amino acid uptake & protein synthesis 11C-MeAIB, 1111CC--methioninemethionineHypoxia

18F-fluoromiso, 18F-FETNIM

RECEPTOR FUNCTION/APUDDopamine system

1111CC--DOPA, DOPA, 1818FF--DOPA; DOPA; 1111CC--HTPHTPSomatostatin receptor

1818FF--fluorofluoro--octreotideoctreotideOTHER

Cortisol synthesis

1111CC--metomidatemetomidateThyroxin synthesis

124124IITT½½

1818F 109 minF 109 min1111C 20 minC 20 min1515O 2 minO 2 min

Page 5: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Thrombus

Rupture

vulnerable rupturednormal

Lipid core

Lipid core

Fibrouscap

Page 6: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

FDG PET imaging of the coronary arteriesFDG PET imaging of the coronary arteries

Rogers IS et al. JACC Cardiovascular Imaging 2010

25 pts, mean age 57.9±

9y (72% male)10 ACS treated with PCI

15 with stable angina (5 underwent PCI and 10 ICA only )

Page 7: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Integrated Imaging of coronary anatomy and functionIntegrated Imaging of coronary anatomy and function

Brigham and Women’s Hospital-Harvard Medical School

CCS: 186

47 y old male, smoker, overweight, with borderline Hypertension and osteoarthritis

ml/min/gr

Page 8: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Interrelation between calcium score and MBFInterrelation between calcium score and MBF

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

1

MB

F (m

l/min

/g)

reststress

*

P <0.05 on pair-wise comparison

0 1-100 101-400 >400 vessel CAC score

136 consecutive patients without CAD (age 62 12 years, 68 % females) with normal myocardial perfusion using Rb-82 PET

Eur J Nucl Med MI 2009

CAD likelihood: 0.31±0.25

Page 9: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Assessment of endothelial functionAssessment of endothelial function

Cold pressor test

Page 10: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Prognostic value of CPT perfusion measurements

Group 1: patients with >/=40% increase in MBF Group 2, patients with >0 and <40% increases in MBFGroup 3, patients with decrease in MBF (</=0%)

72 patients risk factors for CAD but normal coronary angiography

Scindler TH et al J Am Coll Cardiol 2004

*CPT:cold pressor test

Page 11: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Prognostic Role of Myocardial Blood Flow Impairment in Prognostic Role of Myocardial Blood Flow Impairment in Idiopathic Left Ventricular Dysfunction Idiopathic Left Ventricular Dysfunction

D Neglia et al. Circulation. 2002

•67 pts (52 male, mean

age 52±12 years) with different degrees of idiopathic

LV systolic dysfunction: average LVEF 0.34±0.10;

range, 0.07 to 0.49)

•34 pts (51%) had no history of heart failure symptoms at enrollment

(NYHA class I)

Page 12: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

CADCAD--LV dysfunction and LV dysfunction and heart failureheart failure

Prevalence of CAD in 13 randomized multicenter heart failure trials

Page 13: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Myocardial Perfusion and metabolism in the ischaemic Myocardial Perfusion and metabolism in the ischaemic myocardiummyocardium

Mild- moderate

ischaemia

Severe ischaemia

Recovery

Metabolism anaerobic oxidative

both anaerobic oxidative

Preferred substrate

glucose neither - necrosis

free fatty acid

Page 14: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

After bypass

MRI

Pre-

bypass82Rb:Rubidium18F-FDG:Fluro-Deoxy-

Glucose

SOB, LVEF <35%

Page 15: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση
Page 16: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Altered myocardial fatty acid and glucose Altered myocardial fatty acid and glucose metabolism in idiopathic dilated cardiomyopathymetabolism in idiopathic dilated cardiomyopathy

17 patients with IDCM (mean LVEF 27 ±

8%) and 12 normal controls underwent dynamic PET to assess myocardial glucose utilization (MGU) with 11C-Glucose and

myocardial fatty acid utilization (MFAU) + myocardial fatty acid

oxidation (MFAO) using 11C-Palmitate

VG Davila-Roman et al. J Am Coll Cardiol 2002

Page 17: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

uptake 1 mechanism

NA concentration at the myocyte membrane

Myocyte hyperstimulation

Hypertrophy, remodellingDisturbed intracellular Ca2+ handling ApoptosisArrhythmias

Neuronal function and chronic Heart FailureNeuronal function and chronic Heart FailureReduced noradrenaline clearance because of

a) low cardiac output+

b) Sympathetic nerves of the

failing myocardium release more NA and remove it less efficiently

by reuptake

Page 18: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

1111C hydroxyephedrine (HED) PET in combination with flow and C hydroxyephedrine (HED) PET in combination with flow and metabolsim imagingmetabolsim imaging

Prediction of ARrhythmic Events with Positron Emission Tomography

Aim: to investigate the clinical utility of assessing regional sympathetic nerve function and its role as a risk factor for sudden cardiac death

200 patients with ischemic LV dysfunction

Page 19: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Monitoring the effect of Stem cell therapy

Before 6 months 18 months

Page 20: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Angiogenesis in REGENERATE-IHD Study Flow

6-M FU 12-M FUBone marrowAspiration

1d 5d 6d-5d 0 6M 12M

CT/MRINOGA mapping

Time line for Angiogenesis study

2d 3d 4d

G-CSF

LV angio/

PECT/CT angiogenesis

PET/CT

7d

ECHOIM/IC injection

ECHOLV angio /

NOGA mapping

PET/CT angiogenesis

CT/MRI

PET/CT

-1d

PET/CT Angiogenesis study

PET/CT Perfusion study

IM Intramyocardial; IC Intracoronary

Page 21: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Imaging angiogenesis with FImaging angiogenesis with F--1818--galacto RGDgalacto RGD

Arginine-glycine-aspartate (RGD)-binding

αv

β3

-integrin

Page 22: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

THANK YOU

Page 23: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Hibernation and Hibernation and heart failureheart failure

Cell death

CVR

CVR

MyocardialIschaemia(Daily life and silent)

Repetitive Ischaemia andStunning

Functional hibernation Revascularisation Early recovery offunction

Structural hibernationRevascularisation Slow recovery of

function

TIME

Cell death

CVR

Cell de-differentiation(Glycogen increase with loss of

contractile proteins etc)

Enzyme induction

Perfusion intact

Perfusion FDG+

Metabolic adaptations

Protein Abnormalities

Altered geneexpression/transcription

FDG -

TIME

Page 24: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Imaging Fatty Acid MetabolismImaging Fatty Acid Metabolism

Page 25: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

PET with 13NPET with 13N--ammonia and 18Fammonia and 18F--FDG in the assessment of myocardial FDG in the assessment of myocardial perfusion and metabolism in patients with recent AMI and perfusion and metabolism in patients with recent AMI and

intracoronary stem cell injectionintracoronary stem cell injection

15 patients were randomly assigned to 3 groups based on different treatments Group A: bone marrow-derived stem cells; Group B: peripheral blood-derived stem

cells; group C: standard therapy alone

Castellani M et al. J Nucl Med 2010

Page 26: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Imaging appoptosis with PET tarcersImaging appoptosis with PET tarcers

Page 27: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Adrenoreceptor density assessed by PETAdrenoreceptor density assessed by PET

CGP 12177: Non-selective adrenoreceptor antagonist

Choudhury L

Heart 1996; 75:50-54

Page 28: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

•Lower Myocardial Perfusion Reserve Is Associated With Decreased Regional Left Ventricular Function in Asymptomatic Participants of the Multi-Ethnic Study of Atherosclerosis (MESA) B D Rosen et al Circulation 2006

•Among an asymptomatic multiethnic American cohort (MESA), Decreased Regional Left Ventricular Function is an

independent

predictor beyond traditional risk factors and global

LV assessment for incident heart failure and atherosclerotic

cardiovascular

events

(R T Yan et al J Am. Coll Cardiol 2011)

Page 29: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Assessment of total integrated Vasodilator capacityAssessment of total integrated Vasodilator capacity

Vascular Smooth muscles+

endothelium

Page 30: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Coronary Vasodilator Reserve vs. coronary stenosis

C. Anagnostopoulos et al Eur J Nucl Med MI 2008

Di Carli et al Circulation 1995

Page 31: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Hybrid imaging in Stem cell therapy post MI

Courtesy F. BengelFrom C.Anagnostopoulos et al. Non Invasive Imaging of myocardial

ischaemia-Springer Verlag

Page 32: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

51 patients with HCM and normal coronary arteries

f/u8.1±2.1 years (range, 2.2 to 11.1)

35 patients were stable (NYHA class I or II),16 patients had an unfavorable outcome: 9 died from cardiovascular causes, 1 developed recurrent sustained VT implantation of a cardioverter–

defibrillator and 6 had progression to NYHA functional class III

or IV

Coronary Microvascular Dysfunction and Prognosis in Coronary Microvascular Dysfunction and Prognosis in Hypertrophic CardiomyopathyHypertrophic Cardiomyopathy

Camici PG et al N Eng J Med 2003

Page 33: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση
Page 34: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση
Page 35: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

PET/CT for imaging of atherosclerosisPET/CT for imaging of atherosclerosis

Rudd et al Circulation. 2002;105:2708-2711

Same views as above depicting an asymptomatic carotid stenosis

PET, contrast CT, and PET/CT images in the sagittal plane, from a 63-year-old man who had experienced 2 episodes of left-sided hemiparesis

Page 36: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Hybrid imaging in Stem cell therapy post MI

Courtesy F. BengelFrom C

Anagnostopoulos et al

Non Invasive Imaging of myocardial

ischaemia-Springer Verlag

Page 37: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση
Page 38: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Relationship between perfusion and metabolismRelationship between perfusion and metabolism

Myocardial infarct

Page 39: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Comparison of non invasive imaging techniques for assessment of myocadial viability/hibernation

Schinkel et al Curr Probl Cardiol 2007

Page 40: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Coronary Vasodilator Reserve vs. coronary stenosis

C. Anagnostopoulos et al Eur J Nucl Med MI 2008

Di Carli et al Circulation 1995

Page 41: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

HK

Fatty AcidsC11-Palmitate

F18-FTHA (heptadecanoid acid)

Mitochondria

Glycogen Glucose-6-phosphate Pyruvate Lactate

F-18 FDG, C-11 GlucoseGlucose

PFK IIII G3PDH

ATP

ADP

TC A

CO2

Acyl-CoA Acetyl-CoA

-oxidation

PET tracers of myocardial metabolism

AcetateC-11 Acetate

PDH

Fatty Acyl CoA

Fatty Acyl CoA

+Carnitine

C-11 Lactate

Courtesy of P Camici, Hammersmith, Hospital, ICSM Courtesy of P Camici, Hammersmith, Hospital, ICSM

Page 42: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

-3

-2

-1

0

1

2

3

Mean+2 SD

-2 SD

0 1 2 3 4 5Diff

in M

BF (M

icro

sphe

res-

PET)

(mL.g-

1.min

-1)

Average MBF by Microspheres and PET (mL.g-1.min-1)

Agreement between PET and microspheresAgreement between PET and microspheres

Mean Difference -0.11±0.36 mL·g-1·min-1

J Nucl Med 2002; 43: 1031-1040

Page 43: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

PET: Molecular imaging of metabolic pathwaysPET: Molecular imaging of metabolic pathways

F-18 FTHAO-15 oxygen

C-11 LactateF-18

TCA=tricarbocyclic acid

Page 44: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Similarities of [Similarities of [1111C]epinephrine (EPI)C]epinephrine (EPI)

and [and [1111C]hydroxyephedrine (HED) using PETC]hydroxyephedrine (HED) using PET

Münch G

et al. Circulation;2000; 101:516-5

Assessment of presynaptic

sympathetic neuronal function

Page 45: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Myocardial Energetics and EfficiencyMyocardial Energetics and Efficiency••

The heart relies almost exclusively on the aerobic oxidation of The heart relies almost exclusively on the aerobic oxidation of

substrates for generation of energysubstrates for generation of energy

••

There is close coupling between myocardial oxygen consumption There is close coupling between myocardial oxygen consumption

(MVO(MVO22

) and the main determinants of systolic function: heart ) and the main determinants of systolic function: heart

rate, contractile state, and wall stressrate, contractile state, and wall stress

••

Only part of the energy invested is converted to external powerOnly part of the energy invested is converted to external power

••

The ratio of useful energy produced (ie, stroke work [SW]) to The ratio of useful energy produced (ie, stroke work [SW]) to

oxygen consumed is defined as mechanical efficiencyoxygen consumed is defined as mechanical efficiency

Page 46: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Myocardial Energetics and EfficiencyMyocardial Energetics and Efficiency

••

In pathophysiological disease states, such as In pathophysiological disease states, such as heart failure, mechanical efficiency is heart failure, mechanical efficiency is reducedreduced

••

Increased energy expenditure relative to Increased energy expenditure relative to work contributes to progression of the work contributes to progression of the disease disease

••

Quantification of efficiency of the heart to Quantification of efficiency of the heart to study disease processes and monitor study disease processes and monitor interventions interventions

Page 47: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

RV

LV

Cardiac oxidative Cardiac oxidative metabolism:metabolism:

[[1111C]Acetate PETC]Acetate PET

Kmono

Kmono

Page 48: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

Effect of CRT on global LV efficiency Effect of CRT on global LV efficiency

Ukkonen et al Circulation 2003

Rest

WMI=SWI x HR/kmono

WMI: work metabolic index

Page 49: Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή ... · 2012-03-29 · Ποζιτρονιακή Τομογραφία και μοριακή απεικόνιση

KnuutiKnuuti

••

PET sensitive etc..PET sensitive etc..