Comparison between CT-based and histological evaluation of atherosclerotic plaques in a rabbit model

Die Atherosklerose ist eine Gefäßerkrankung, die bei Menschen häufig schon in jungen Jahren nachgewiesen werden kann. Durch ihr bevorzugtes Auftreten in den Koronararterien und den daraus resultierenden Krankheitsbildern ist Atherosklerose die führende Todesursache in den westlichen Industrieländern. Durch eine frühe Diagnose der atherosklerotischen Läsionen und der Darstellung der Plaquezusammensetzung kann für betroffene Patienten die Risikoeinschätzung verbessert und eine geeignete Therapie frühzeitig begonnen werden. Jedoch stellt die exakte Darstellung atherosklerotischer Läsionen gerade in den Koronararterien sowohl für nicht-invasive wie auch invasive bildgebende Verfahren eine große Herausforderung dar. Für die Überprüfung der Möglichkeiten der Multidetektor Computertomographie (MDCT) zur Detektion und Charakterisierung atherosklerotischer Läsionen wurden Untersuchungen am Weißen Neuseelandkaninchen durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden 24 Tiere in drei Gruppen eingeteilt, die 0,5% Gruppe (n=8), 1% Gruppe (n=9) und Kontroll Gruppe (n=4). Die Gruppen wurden den Namen entsprechend mit 0,5%- und 1%igem Cholesterin- bzw. Standardfutter (Kontroll Gruppe) über einen Zeitraum von 16 Wochen (0,5- und 1% Gruppe) bzw. 24 und 48 Wochen (Kontroll Gruppe) gefüttert. Die Tiere der 0,5%-Gruppe und 1%-Gruppe erhielten im Anschluss an die ersten 16 Wochen für weitere 8 Wochen Standardfutter. Alle zwei Wochen wurden Blutentnahmen zur Bestimmung der Plasmaparameter durchgeführt. Im Anschluss an die Fütterungsperiode wurden die Tiere einer MDCT (16-Zeilen CT) Untersuchung zur Darstellung und Charakterisierung der atherosklerotischen Läsionen unterzogen. Danach wurde die Aorta entnommen, perfusionsfixiert, in Segmente aufgeteilt (4 Segmente des Aortenbogen (AoBo); 16 Segmente der Aorta thoracalis) und zum Vergleich mit den MDCT-Daten histologisch aufbereitet und analysiert. Bei den Blutuntersuchungen wurden Cholesterinkonzentrationen im Plasma von durchschnittlich 1609 ± 537 mg/dl für die 0,5% Gruppe und 2056 ± 1060 mg/dl für die Tiere der 1% Gruppe erreicht. Die kumulative Cholesterinaufnahme und die Gesamt-Cholesterin-Belastung der 1% Gruppe lagen damit signifikant (p<0,0001 bzw. p=0,03) über denen der 0,5% Gruppe. In der histologischen Untersuchung zeigten sich deutliche atherosklerotische Läsionen (Typ IV-Va nach American Heart Association). Dabei konnten keine Unterschiede in der Plaquegröße zwischen der 0,5%-Gruppe und 1%-Gruppe festgestellt werden (p>0,05). Im Vergleich mit der Kontroll Gruppe konnte keine Lumeneinengung beobachtet werden (p>0,05). Die Gefäßwanddicke der Aorten der 0,5%-Gruppe und 1%-Gruppe war jedoch im Vergleich mit der Kontroll Gruppe im AoBo und der proximalen Aorta thoracalis verdickt (p0,05) und ein Makrophagenanteil von ca. 61 % (p>0,05) nachgewiesen. Die Plaques wiesen in der von-Kossa-Färbung keine nennenswerten Kalzifikationen auf. Es war ein in der Regel kontinuierlicher und konzentrischer atherosklerotischer Befall der Aortenwand festzustellen, der mit zunehmender Entfernung vom Herzen abnahm. Die MDCT-Untersuchungen konnten diesen Befund nicht bestätigen. Es gelang nicht die Plaques vom Gefäßlumen und dem umgebenden Gewebe abzugrenzen. Somit konnten anhand der MDCT keine Aussagen über die Plaques oder deren Zusammensetzung gemacht werden. Als Ursache, weshalb die Plaques nicht dargestellt werden konnten, sind besonders drei Punkte von Bedeutung. Dies sind zum einen kompensatorische Remodellingprozesse der Arterien, zum anderen die Zusammensetzung der Plaques (lipdreich und nicht verkalkt), was eine Abgrenzung vom umgebenden Gewebe (ähnliche Dichtewerte bzw. Hounsfield Units) stark erschwerte sowie das momentan noch nicht ausreichende Auflösungsvermögen des MDCT, um Strukturen von bis zu 1,2 mm Größe darzustellen. Bei Betrachtung aller gemessenen Segmente korrelierten die Werte der Lumendiameter mit der MDCT bei der 0,5%- (r=0,66), 1% (r=0,71) und der Kontroll Gruppe (r=0,75). Abschließend ist festzuhalten, dass die MDCT eine Technologie mit großem Potenzial zur nicht-invasiven Detektion und Charakterisierung von atherosklerotischen Läsionen ist, wie vorangegangene Studien am Menschen gezeigt haben. Jedoch bedarf es momentan noch weiterer Verbesserungen der räumlichen und zeitlichen Auflösung sowie einer Optimierung der Untersuchungsprotokolle, um diese Methode in der klinischen Routine für ein breites Patientenspektrum und zur Früherkennung einsetzen zu können.Background: Atherosclerosis is a disease of the blood vessels which can often be detected in patients at an early age already. Appearing predominantly in the coronary arteries and because of the diseases resulting from that fact, atherosclerosis is the main course of death in the western industrial countries. By an early diagnosis of the atherosclerotic lesions and the image of the plaque consistence, the estimation of risk for the patients affected can be improved and a suitable therapy be initiated early. However the exact imaging of atherosclerotic lesions especially in the coronary arteries is still very challenging both for non-invasive and invasive imaging techniques. Studies on the white New Zealand rabbit were made in order to check the possibilities of the multi-detector computer tomography (MDCT) for the detection and characterization of atherosclerotic lesions. For this purpose 24 animals were divided into three groups, the 0.5% group (n=8), the 1% group (n=9) and the control group (n=4). The groups were fed with 0,5% and 1% cholesterol fodder according to their names while the control group was fed with standard fodder. This was done for a period of 16 weeks (0,5 and 1% group) and alternatively for a period of 24 and 48 weeks (control-group). After the first 16 weeks the animals of the 0,5% and the 1% group received standard fodder for additional 8 weeks. Every two weeks blood samples were taken in order to determine the plasma parameters. Following the feeding period, the animals were examined in a MDCT (16-slice CT) for the imaging and characterisation of the atherosclerotic lesions. Thereafter the Aorta was taken, fixed, divided in segments - 4 segments of the Aortic arch (AoBo); 16 segments of the Aorta thoracalis - and histologically produced and analysed for comparison with the MDCT-data. Results: The blood samples showed an average plasmatic cholesterol concentration of 1609 ± 537 mg/dl for the 0,5% group and 2056 ± 1060 mg/dl for the 1% group. The cumulative cholesterol uptake and the overall cholesterol burden of the 1% group was therefore significantly (p<0,0001 and p=0,03) higher than those of the 0,5% group. The histological examination showed clear atherosclerotic lesions (type IV-Va American Heart Association), but it was not possible to determine differences in the plaque size between the 0,5% group and the 1% group (p>0,05). In comparison with the control group, no luminal narrowing could be detected (p>0,05). However the strength of the vessel wall of the Aorta of the 0,5% and 1% group was thickened comparing with the control group in the AoBo and the proximal Aorta thoracalis (p0,05) and a macrophage portion of about 61 % (p>0,05) was verified. The plaques showed no mentionable calcifications in the von Kossa coloration. In most of the cases a continuous and concentric atherosclerotic affection of the Aortic wall could be found which faded with increasing distance to the heart. Discussion: The MDCT examinations were not able to verify these findings. It was not possible to disassociate the plaques from the vessel lumen and the surrounding tissue. Therefore, it was not possible to give a statement about the plaques or their consistence with the MDCT. There are three points which are of special importance when it comes to the reason why the plaques couldn’t be imaged. On the one hand, there are compensatory remodelling processes of the arteries, on the other hand, the consistence of the plaques (rich of lipids but not calcified) which made a disassociation from the surrounding tissue very difficult (similar density and Hounsfield Units). And last but not least, the currently not sufficient solution of the MDCT for structures of a maximum size of up to 1,2 mm. Considering the results of all measured segments, they correlated for the 0,5% (r=0,66), 1% (r=0,71) and the control group (r=0,75) with the MDCT. Conclusion: Finally it is to be noted, that the MDCT is a technology with great potential for the non-invasive detection and characterisation of atherosclerotic lesions, as previous studies on humans have showed. However, at the moment, improvements of the local and temporal solution, as well as an optimation of the examination protocols, are still needed in order to use this method in clinical routines for a wide spectrum of patients and for early diagnosis