Non-invasive characterization of cardiac microvascular disease by nuclear medicine using single-photon emission tomography

Abstract

In about 10 to 30% of patients with typical angina undergoing coronary angiography for suspicion of stenotic coronary artery disease angiographically normal coronary arteries are found. Kemp et al. in 1973 coined the term syndrome X to describe this entity. In a substantial portion of these patients pathologic findings in myocardial scintigraphy are present.

Sensitivity and specificity of thallium-201 exercise imaging by visual analysis of images in the presence of significant coronary stenosis is 84 and 88%, respectively. Several investigators have reported abnormal results in radionuclide exercise tests in patients with angiographically normal coronary arteries. Some of these results can be explained by myocardial bridging, vasospasm, left or right bundle branch block, hypertrophic cardiomyopathy, or absorption artifacts. In the majority of cases, however, these abnormalities are not sufficient to explain the scintigraphic findings. Formerly often claimed “false positive”, recent studies suggest that endothelial dysfunction might be the reason for the observed perfusion defects. When comparing patients with angiographically unobstructed coronary arteries with and without perfusion defects in stress myocardial perfusion imaging, patients with pathological results show a significantly lower increase of coronary flow after intracoronary injection of the endothelialdependent vasodilator acetylcholine. Endothelial-independent vasodilation, however, is not impaired in these patients. In addition, intracoronary Doppler measurements reveal that perfusion defects in myocardial scintigraphy only occur if coronary blood flow in this perfusion area is significantly reduced. These results suggest that regional endothelial dysfunction may cause hypoperfusion in myocardial perfusion imaging and underline the important role of the microcirculation in the distribution of radiotracers.

Another striking scintigraphic pattern in patients with microvascular angina is the high incidence of reverse redistribution. These perfusion defects, apparent in images obtained 4 hours after exercise stress testing, often cannot be assigned to the perfusion territory of one of the major epicardial vessels. This results in a marked inhomogeneous radionuclide distribution pattern in resting images. The inhomogeneity is associated with a significant reduced resting coronary flow velocity in these patients. As histologically confirmed microvessel disease is often accompanied by slow-flow phenomenon reflecting decreased resting flow velocity, the results suggest that the inhomogeneous perfusion pattern is caused by microvascular dysfunction. Furthermore, the heterogeneity of nuclide distribution supports the hypothesis that endothelial function is not homogeneous in the entire myocardial microcirculation, but varies considerably.

In conclusion, microvascular dysfunction by itself seems to cause regional myocardial hypoperfusion, as documented by myocardial scintigraphy. When interpreting pathological scintigraphic results in patients without significant epicardial stenosis, true blood flow and myocardial perfusion abnormalities must be assumed.

Zusammenfassung

In der diagnostischen Koronarangiographie zeigen 10 bis 30% der untersuchten Patienten mit typischer pektanginöser Beschwerdesymptomatik nichtstenosierte Koronararterien. Bei einem großen Anteil der Patienten läßt sich in der Myokardszintigraphie jedoch ein pathologischer Befund erheben. Kemp hat 1973 für die Entität aus angiographisch normalen epikardialen Gefäßen, Angina pectoris und positivem Ischämienachweis den Begriff Syndrom X geprägt.

Die Myokardszintigraphie stellt ein weit verbreitetes und gut validiertes Verfahren in der Funktionsdiagnostik der koronaren Herzerkrankung dar. Die Sensitivität und Spezifität der [²⁰¹Tl] Thalliumchlorid-Szintigraphie im Hinblick auf eine signifikante epikardiale Stenose werden in Abhängigkeit von der Untersuchungstechnik mit 84 und 88% angegeben. Minderanreicherungen können außer durch höhergradige Stenosierungen der Koronargefäße bei Muskelbrücken, Koronarspasmen, beim Links- und Rechtsschenkelblock auftreten, aber auch aufgrund von Absorptionsartefakten vorgetäuscht werden. Werden oben genannte Ursachen für Perfusionsdefekte ausgeschlossen, so lassen sich dennoch bei Patienten mit Angina pectoris häufig pathologische Befunde erheben. Während Perfusionsdefekte in der Myokardszintigraphie bei Patienten mit angiographisch unauffälligen Koronararterien zunächst als „falsch positiv” gewertet wurden, deuten neuere Studienergebnisse darauf hin, daß diesen szintigraphischen Minderbelegungen eine endotheliale Dysfunktion der myokardialen Mikrozirkulation ursächlich zugrunde liegt. Werden Patienten mit angiographisch nicht stenosierten Koronararterien mit und ohne Perfusionsdefekte unter Belastung in der²⁰¹TlCl-Myokardszintigraphie verglichen, so weisen Patienten mit pathologischem Belastungsszintigramm einen signifikant geringeren Anstieg des koronaren Flusses auf die Gabe des endothelabhängigen Vasodilatators Acetylcholin auf. Die endothelunabhängige Vasodilatation auf Papaverin ist hingegen in beiden Gruppen gleich. Wie intrakoronare Doppler-Messungen zeigen konnten, treten regionale Perfusionsdefekte in der Myokardszintigraphie nur dann auf, wenn ein signifikant reduzierter relativer Blutfluß in dem jeweiligen Myokardareal besteht. Diese Ergebnisse unterstreichen die wichtige Rolle der Mikrozirkulation für die Nuklidverteilung in der Myokardszintigraphie. Neben belastungsinduzierten regionalen Minderperfusionen zeigen Patienten mit nichtstenosierten Koronararterien und Angina pectoris häufig auch eine inhomogene Nuklidverteilung in Ruhe, welche unter Belastung nicht besteht. Dieses Phänomen tritt meist unabhängig vom Versorgungsgebiet der großen epikardialen Gefäße auf. Intrakoronare Doppler-Messungen zeigten, daß dieses inhomogene Verteilungsmuster mit einer reduzierten koronaren Flußgeschwindigkeit in den epikardialen Gefäßen einhergeht. Ähnliche Ergebnisse wurden in einem Kollektiv von herztransplantierten Patienten erhoben, die eine progressive Inhomogenität des Nuklidverteilungsmusters in der²⁰¹TlCl-Myokardszintigraphie in Abhängigkeit von der Dauer nach Transplantation aufwiesen. Da weder angiographisch noch im intravaskulären Ultraschall signifikante Stenosierungen gefunden wurden, wird hier eine Störung der Mikrozirkulation im Rahmen einer Transplantatvaskulopathie als Ursache diskutiert.

Zusammenfassend kann daher festgestellt werden, daß pathologische Ergebnisse in der Myokardszintigraphie bei Patienten mit angiographisch nichtstenosierten epikardialen Gefäßen real existierende Minderperfusionen widerspiegein. Nach den vorliegenden Untersuchungen sind diese durch regional begrenzte Störungen der myokardialen Mikrozirkulation bedingt. Ein Charakteristikum dieser durch eine Störung der Mikrozirkulation bedingten Perfusionsmuster scheint eine inhomogene Nuklidverteilung in den Redistributionsaufnahmen zu sein.