MRI for Quantitative Determination of Iron in the Liver and Heart in Patients with Primary and Secondary Hemochromatoses in Association with Serrum Ferritin: Single-Stage Observational Study

Anna M. Titova; Титова Анна Михайловна; Vladimir A. Fokin; Фокин Владимир Александрович; Gennadii E. Trufanov; Труфанов Геннадий Евгеньевич; Ksenia S. Shalygina; Шалыгина Ксения Сергеевна; Nadezhda V. Tsvetkova; Цветкова Надежда Васильевна

doi:10.15690/vramn2328

MRI for Quantitative Determination of Iron in the Liver and Heart in Patients with Primary and Secondary Hemochromatoses in Association with Serrum Ferritin: Single-Stage Observational Study

Authors: Titova A.M.¹, Fokin V.A.¹, Trufanov G.E.¹, Shalygina K.S.¹, Tsvetkova N.V.¹
Affiliations:
1. Almazov National Medical Research Centre
Issue: Vol 78, No 1 (2023)
Pages: 11-18
Section: INTERNAL DISEASES: CURRENT ISSUES
Published: 04.03.2023
URL: https://vestnikramn.spr-journal.ru/jour/article/view/2328
DOI: https://doi.org/10.15690/vramn2328
ID: 2328

Cite item

Full Text

Abstract

Background. An extremely small number of studies have been devoted to the study of differences in LIC (liver iron concentration) and MIC (myocardium iron concentration) indicators, as well as their correlation with each other and with ferritin levels in patients with various nosological forms. Aims to study the relationship of ferritin, LIC and MIC levels in patients with various causes of hemochromatosis (hereditary hemochromatosis (HH), aplastic anemia (AA), primary myelofibrosis (PMF), thalassemia (TL), myelodysplastic syndrome (MDS)). Methods. The design of the study is a single–stage observational one. The study included 91 patients with primary hemochromatosis and secondary transfusion-dependent hemochromatosis receiving regular blood transfusion and iron chelate therapy from 2015 to 2018. The studies were carried out on 1.5 T MR-scanner Magnetom Espree (Siemens, Germany), and myocardial iron concentration (MIC) was calculated using the formula MIC = 45 × (T2*) – 1.22. Liver iron concentration (LIC) was calculated using the formula LIC = 0.03 × R2* + 0.74. The ferritin level was determined by enzyme immunoassay. Statistical processing of the results obtained was carried out using the SPSS software package. Results. Connections between LIC and ferritin (r = 0.867; p < 0.001), MIC and ferritin (r = 0.759; p = 0.004) and LIC and MIC (r = 0.737; p = 0.006) were found in patients with primary hemochromatosis, while in patients with secondary hemochromatosis significant correlations were found only between LIC and MIC (r = 0.503; p < 0.001), while the relationship was average. Links between LIC and ferritin were found in patients with AA (r = 0.656; p = 0.040), an average relationship, in patients with TL (r = 0.714; p = 0.020), an average relationship. The relationship between MIC and ferritin was revealed in patients with AA (r = 0.703; p = 0.050), an average relationship, in patients with TL (r = 0.757; p = 0.018), an average relationship. At the same time, in patients with MDS and PMF in this study, there was no association between ferritin and LIC, ferritin and MIC. Conclusions. In patients with hereditary hemochromatosis, LIC and MIC are associated with ferritin, and MIC is also associated with LIC (medium bond). In patients with iron overload due to thalassemia, an average correlation between LIC and ferritin, MIC and ferritin was revealed. In patients with iron overload due to aplastic anemia, an average correlation between LIC and ferritin, MIC and ferritin was revealed.

Keywords

primary hemochromatosis, aplastic anemia, thalassemia, LIC, MIC

Full Text

Обоснование

Оценка перегрузки железом с помощью магнитно-резонансной томографии (МРТ) стала ключевым элементом в лечении заболеваний, требующих постоянной хелаторной терапии [1]. МРТ признана основным методом неинвазивного определения концентрации железа в печени (liver iron concentration, LIC) [2]. Считается, что существует обратная корреляция между интенсивностью сигнала МРТ и биохимической LIC [3, 4]. Взаимосвязь между содержанием железа в миокарде (myocardium iron concentration, MIC) и балансом железа сложна, поскольку кинетика поглощения железа сердцем и его клиренса отличается от таковой в печени. В то время как некоторые исследования продолжают предполагать причинно-следственную связь, MIC часто не коррелирует с уровнями ферритина, а также с LIC [5].

Крайне малочисленные исследования были посвящены изучению различий показателей LIC и MIC, а также их корреляции между собой и с уровнем ферритина у пациентов с различными нозологическими формами.

Цель исследования — изучение взаимосвязи уровня ферритина, LIC и MIC у пациентов с различными причинами гемохроматоза (наследственный гемохроматоз (НГХ), апластическая анемия (АА), первичный миелофиброз (ПМФ), талассемия (ТЛ), миелодиспластический синдром (МДС)).

Методы

Дизайн исследования

Проведено одномоментное, обсервационное, нерандомизированное, контролируемое исследование. В исследование был включен 91 пациент с первичными гемохроматозами и вторичными трансфузионно-зависимыми гемохроматозами, получающие регулярное переливание крови и терапию хелатами железа.

Критерии соответствия

Критериями включения в исследование стали:

генетически подтвержденный диагноз наследственного гемохроматоза (НГХ);
получение регулярных гемотрансфузий по причине основного известного заболевания (апластическая анемия (АА), миелодиспластический синдром (МДС), первичный миелофиброз (ПМФ), талассемия (ТЛ), врожденная гемолитическая анемия, анемия Фанкони, анемия Даймонда–Блекфена, сидеробластная анемия и др.);
повышение концентрации ферритина сыворотки крови более 307 нг/мл.

Критериями исключения из исследования стали:

острые воспалительные заболевания;
обострение хронических воспалительных заболеваний;
наличие имплантированных ферромагнитных металлоконструкций;
наличие МРТ-несовместимого кардиостимулятора.

Условия проведения

Все пациенты находились на обследовании и лечении в отделениях гематологии и трансплантации костного мозга ФГБУ НМИЦ им. В.А. Алмазова, ГБОУ ВПО ПСПбГМУ им. И.П. Павлова, НИИДОГиТ им. Р.М. Горбачевой, ФГБУ РосНИИГТ ФМБА России, СПбГБУЗ «Городская больница № 15», СПбГБУЗ ГКБ № 31, СПбГБУЗ ДГБ № 1.

Продолжительность исследования

Набор проводился в период с 2015 по 2018 г.

Описание медицинского вмешательства

Была проведена оценка всех клинических характеристик, таких как возраст на момент постановки диагноза, частота переливаний крови, используемый хелатирующий препарат. Все лабораторные исследования проведены в течение 1 мес до выполнения МРТ у всех пациентов.

Исследования проводили на высокопольном томографе Siemens Magnetom Espree (Германия) с индукцией магнитного поля 1,5 Тл, c применением поверхностной матричной катушки для тела. Оценка изображений осуществлялась слепым методом двумя врачами-рентгенологами со стажем работы с МРТ-изображениями не менее 5 лет. (Методика МРТ для определения концентрации железа в сердце и печени приведена в приложении.)

Для оценки ферритина у всех пациентов до исследования и лечения забиралась венозная кровь после 12-часового голодания. Уровень ферритина определялся с помощью иммуноферментного анализа на анализаторе Cobas 6000 (Roche, Швейцария).

Этическая экспертиза

Пациенты включены в исследование после получения информированного согласия. Исследование одобрено локальным этическим комитетом ФГБУ НМИЦ В.А. Алмазова, протокол № 13 от 13 февраля 2017 г.

Статистический анализ

Принципы расчета размера выборки. Размер выборки предварительно не рассчитывался в связи с тем, что проводился анализ редких, в том числе генетических, заболеваний.

Методы статистического анализа данных. Статистическая обработка полученных результатов проводилась с использованием программного пакета SPSS (версия 20.0, IBM, США, 2011). Проверка нормального распределения проводилась с использованием критерия Шапиро–Уилка. В связи с непараметрическим распределением большинства непрерывных переменных данные представлены в виде медианы — Me [25; 75], 25 и 75 — 1-й и 3-й квартили. Для категориальных показателей в виде абсолютных и относительных значений — n (%). Для сравнения трех групп и более использовался критерий Уилкоксона, для попарного сравнения двух независимых выборок использовался непараметрический U-критерий Манна—Уитни. Для оценки корреляций использовался коэффициент корреляции r Спирмена, линейный регрессионный анализ. Критический уровень значимости нулевой гипотезы (p) был принят равным 0,05.

Результаты

Объекты (участники) исследования

Исследование включало 91 пациента, из них 23 — с наследственным гемохроматозом, 52 — с апластической анемией, миелодиспластическим синдромом, первичным миелофиброзом и талассемией, 16 пациентов — с другими трансфузионно-зависимыми вторичными гемохроматозами (такими как врожденная гемолитическая анемия, анемия Фанкони, анемия Даймонда–Блекфена, сидеробластная анемия). Структура нозологических форм представлена на рис. 1.

Рис. 1. Структура гемохроматозов

Изучаемые гемохроматозы с другими видами трансфузионно-зависимых гемохроматозов были отнесены в группу вторичных гемохроматозов, которые также изучены в сравнении с первичным наследственным гемохроматозом. Характеристика пациентов с первичным и вторичными гемохроматозами представлена в табл. 1.

Таблица 1. Характеристика пациентов с первичным и вторичными гемохроматозами

	Первичный гемохроматоз, n = 23	Вторичный гемохроматоз, n = 68	р
Возраст	43,00 [34, 00; 53, 00]	49,00 [28, 00; 60, 00]	p=0,296
Мужчины	16 (69,6%)	35 (51,5%)	p=0,152
Ферритин, мкг/л	730,00 [407, 00; 1200, 00]	1695,00 [991, 82; 3542, 50]	р<0,001
Степень перегрузки железом, n (%): 0 1 2 3	6 (25,1) 9 (34,6) 6 (26,1) 2 (14,3)	1 (1,5) 17 (25,0) 38 (55,9) 12 (17,6)	р<0,001
Т2* печени, мс	11,40 [3, 50; 15, 70]	3,80 [2, 53; 4, 68]	р<0,001
LIC, мг/г	3,00 [1, 95; 8, 99]	8,20 [6, 65; 12, 60]	р<0,001
Т2* сердца, мс	34,65 [29, 50; 40, 08]	36,75 [31, 10; 39, 95]	р=0,538
MIC, мг/г	0,60 [0, 50; 0, 73]	0,55 [0, 50; 0, 69]	р=0,543

Пациенты с первичным и вторичным гемохроматозами ожидаемо имели различия в уровнях ферритина, степени перегрузки железом, LIC (рис. 2).

Рис. 2. Корреляционный анализ Спирмена LIC (liver iron concentration) и ферритина у пациентов с наследственным гемохроматозом (А), LIC и ферритина у пациентов со вторичными гемохроматозами (Б), MIC (myocardium iron concentration) и ферритина у пациентов с первичным гемохроматозом (В), MIC и ферритина у пациентов со вторичными гемохроматозами (Г), LIC и MIC у пациентов с первичным гемохроматозом (Д), LIC и MIC у пациентов с вторичными гемохроматозами (Е)

Основные результаты исследования

При проведении корреляционного анализа и линейного регрессионного анализа показателей концентраций железа в печени и миокарде и ферритина у пациентов с первичным и вторичными гемохроматозами выявлены связи между LIC и ферритином (r = 0,867; p < 0,001), MIC и ферритином (r = 0,759; p = 0,004) и LIC и MIC (r = 0,737; p = 0,006) у пациентов с первичным гемохроматозом, в то время как у пациентов с вторичным гемохроматозом значимые корреляции выявлены только между LIC и MIC (r = 0,503; p < 0,001), при этом связь была средней.

Следующим этапом стало изучение связей LIC, MIC и ферритина у пациентов с различными нозологическими формами. Характеристика пациентов с НГХ, АА, МДС, ПМФ, ТЛ представлена в табл. 2.

Таблица 2. Характеристика пациентов с в изучаемой группе

	НГХ, n=23	АА, n=14	МДС, n=20	ПМФ, n=9	ТЛ, n=9	р
Ферритин, мкг/л	730,00 [407, 00; 1200, 00]	2303,00 [1051, 83; 3986, 25]	1436,15 [927, 68; 1825, 00]	2433,00 [1439, 50; 3411, 50]	862,00 [728, 00; 2777, 00]	р<0,001, р_1-3<0,001, р_2–3=0,001, р_3–4<0,001, р_3–5=0,058
Т2* печени, мс	11,40 [3, 50; 15, 70]	3,05 [2, 00; 4, 20]	3,70 [2, 35; 4, 85]	3,00 [2, 60; 4, 49]	3,40 [2, 00; 4, 00]	р=0,007, р_1–3=0,003, р_2–3=0,004, р_3–4=0,019, р_3–5=0,022
LIC, мг/г	3,00 [1, 95; 8, 99]	10,60 [7, 38; 16, 09]	8,43 [6, 45; 13, 65]	10,38 [6, 79; 12, 24]	9,31 [7, 86; 15, 63]	р=0,007, р_1–3=0,003, р_2–3=0,004, р_3–4=0,019, р_3–5=0,022
Т2* сердца, мс	6,70 [2, 25; 16, 35]	2,10 [1, 70; 7, 50]	3,40 [23, 20; 4, 90]	2,60 [1, 80; 6, 50]	4,15 [3, 03; 15, 90]	р=0,164
MIC, мг/г)	0,60 [0, 50; 0, 73]	0,56 [0, 51; 1, 48]	0,61 [0, 53; 0, 74]	0,51 [0, 48; 0, 58]	0,55 [0, 50; 0, 83]	р=0,396

Примечание. НГХ — наследственный гемохроматоз; LIC — Liver Iron Concentration, концентрация железа в печени; MIC — Myocardial Iron Concentration, содержание железа в миокарде; АА — апластическая анемия; ПМФ — первичный миелофиброз; ТЛ — талассемия; МДС — миелодиспластический синдром.

Следующим этапом был проведен корреляционный анализ между ферритином и LIC (рис. 3), ферритином и MIC (рис. 4) у пациентов с АА, МДС, ПМФ, ТЛ.

Рис. 3. Корреляционный анализ Спирмена ферритина и LIC (liver iron concentration, концентрации железа в печени) у пациентов с апластической анемией (А), миелодиспластическим синдромом (Б), первичным миелофиброзом (В), талассемией (Г)

Рис. 4. Корреляционный анализ Спирмена ферритина и MIC (myocardium iron concentration) у пациентов с апластической анемией (А), миелодиспластическим синдромом (Б), первичным миелофиброзом (В), талассемией (Г)

Выявлены связи между LIC и ферритином у пациентов с АА (r = 0,656; p = 0,040), средняя связь, у пациентов с ТЛ (r = 0,714; p = 0,020), средняя связь.

Выявлены связи между MIC и ферритином у пациентов с АА (r = 0,703; p = 0,050), средняя связь, у пациентов с ТЛ (r = 0,757; p = 0,018), средняя связь. При этом у пациентов с МДС и ПМФ не было выявлено связи между ферритином и LIC, ферритином и MIC.

Нежелательные явления

В связи с проведенным исследованием нежелательных явления выявлено не было.

Обсуждение

Резюме основного результата исследования

В проведенном исследовании выявлена связь между ферритином и MIC у пациентов с НГХ, что может служить вспомогательным инструментом в диагностике пациентов с НГХ, а также выявлением пациентов с выраженной сердечной перегрузкой железом и риском развития сердечной недостаточности.

При изучении нашей выборки также выявлены средние связи между уровнями ферритина, LIC и MIC у пациентов с талассемией, что может быть использовано в качестве вспомогательного диагностического метода у данных пациентов в качестве этиологической причины гемохроматоза.

В проведенном исследовании выявлены связи между уровнями ферритина LIC и MIC у пациентов с АА, однако сила связи была не очень сильной.

Обсуждение основного результата исследования

МРТ печени часто используется в качестве неинвазивной методики определения содержания железа в организме. Одними из первых, кто сравнил показатели содержания железа в печени и биопсии и МРТ, стали Y. Gandon et al. [3]. МРТ, в частности T2-взвешенная визуализация, является методом, который может быть использован для диагностики перегрузки железом вследствие НГХ и неинвазивной оценки LIC [8, 9]. В проведенном нами исследовании также продемонстрирована связь между ферритином и LIC у пациентов с НГХ. По данным исследования J.-P. Carpenter et al., сидероз миокарда присутствовал у 33% впервые выявленных генетически подтвержденных пациентов с НГХ и ферритином > 1000 мкг/л и был наиболее частой причиной снижения фракции выброса левого желудочка [10]. МРТ сердца также изучалась у пациентов с НГХ в качестве диагностического метода оценки количественного содержания железа в миокарде [11]. В некоторых исследованиях выявлена положительная связь между показателями Т2* сердца и уровнем ферритина в крови [10], однако эти исследования крайне малочисленны и в них не изучалась связь MIC и ферритина в крови. В проведенном исследовании выявлена связь между ферритином и MIC у пациентов с НГХ, что может служить вспомогательным инструментом в диагностике пациентов с НГХ, а также выявлением пациентов с выраженной сердечной перегрузкой железом и риском развития сердечной недостаточности.

Некоторые исследования показывают связь ферритина LIC и MIC при талассемии. По данным исследования Z. Majd et al., выраженная перегрузка железом миокарда у пациентов с талассемией была выявлена у 58% пациентов, из которых у 36% была тяжелая перегрузка. Уровни ферритина в сыворотке крови показали статистически значимую положительную корреляцию с LIC и значительную отрицательную корреляцию с T2* сердца и T2* печени [12], а также у пациентов в Индии была обнаружена значительная корреляция между концентрацией железа в печени и уровнями ферритина [13]. При изучении нашей выборки также выявлены средние связи между уровнями ферритина LIC и MIC у пациентов с талассемией, что может быть использовано в качестве вспомогательного диагностического метода у пациентов с талассемией в качестве этиологической причины гемохроматоза.

Есть единичные исследования о том, что МРТ позволяет количественно определять содержание железа в сердце и печени и является ценным дополнением к ферритину при изучении перегрузки железом и АА [14]. В проведенном исследовании выявлены связи между уровнями ферритина LIC и MIC у пациентов с АА, однако сила связи была не очень сильной.

Применение МРТ сердца и печени в качестве диагностики перегрузки железом при ПМФ и МДС практически не изучалось. Мы не выявили связи между уровнями ферритина LIC и MIC у пациентов с ПМФ и МДС. До настоящего времени данные о связи LIC, MIC и ферритина противоречивы при различных причинах развития перегрузки железом. Так, в проспективном исследовании пациентов с трансфузионно-зависимыми анемиями, получавших хелаторную терапию, изменение сывороточного ферритина с течением времени коррелировало с изменениями LIC во всех группах заболеваний (изучались миелодиспластические синдромы, анемия Даймонда–Блэкфана, другие редкие анемии и β-талассемия) [15]. Однако в исследовании Q. Zhang, включавшем 37 мужчин и 16 женщин со средним возрастом 50 лет (15–72 года) и различной этиологией перегрузки железом: МДС, АА, ПМФ, НГХ и β-ТЛ не было выявлено связи между значением T2* и ферритином во всех группах [16].

Эти данные показывают различия при проведении МРТ сердца и печени у пациентов с различными видами перегрузки железом, что может стать основой для дифференциальной диагностики в дальнейшем.

Ограничения исследования

Ограничениями исследования является небольшой объем выборки, включение ограниченного числа патологий.

Заключение

У пациентов с наследственным гемохроматозом уровень железа в печени и миокарде связан с ферритином, а также между собой (средняя связь). У пациентов с перегрузкой железом вследствие талассемии выявлена средняя связь между уровнем железа в печени и миокарде с ферритином. У пациентов с перегрузкой железом вследствие апластической анемии выявлена средняя связь между LIC и ферритином, MIC и ферритином. Не выявлено связей между уровнями ферритина LIC и MIC у пациентов с первичным миелофиброзом и миелодиспластическим синдромом.

Таким образом, в случаях с наследственным гемохроматозом, апластической анемией и талассемией, для диагностики перегрузки железом допускается использовать как ферритин, так и МРТ по отдельности, в случае с первичным миелофиброзом и миелодиспластическим синдромом необходима комплексная диагностика, с комбинацией лабораторных данных и данных МРТ.

Дополнительная информация

Источник финансирования. Рукопись подготовлена и опубликована за счет финансирования по месту работы авторов.

Конфликт интересов. Авторы данной статьи подтвердили отсутствие конфликта интересов, о котором необходимо сообщить.

Участие авторов. А.М. Титова — ознакомление пациента с сутью исследовательской работы, выполнение и интерпретация МРТ-исследования, контроль взятия лабораторных тестов, обработка результатов, оформление текста работы; В.А. Фокин — контроль выполнения всех этапов исследовательской работы, редактирование текста работы; Г.Е. Труфанов — консультативная помощь на всех этапах выполнения работы, редактирование итогового варианта текста работы; Н.В. Цветкова — обработка результатов, оформление текста работы; К.С. Шалыгина — обработка результатов, оформление текста работы. Все авторы внесли значимый вклад в проведение исследования, подготовку статьи, прочли и одобрили финальную версию перед публикацией.

Приложение

Методика МРТ печени и сердца в режиме T2*

Исследование сердца на МР-томографе выполнялось с кардиосинхронизацией. Для оценки МР-изображений использовали двухкамерную позицию сердца по короткой оси, ось проходила через средние отделы межжелудочковой перегородки. Сканирование проводилось по стандартной методике со следующими характеристиками: 10 времен-эхо (TE) — 1,9; 3,5; 5,2; 6,9; 8,7; 10,4; 12,1; 13,9; 15,6; 17,3 мс; толщина среза — 10 мм; flip angle — 20 градусов; пространственное разрешение в плоскости — 2,3 × 1,6 мм; поле обзора (field of view, FOV) — 400×300 мм. После получения МР-изображений с различным временем ТЕ с помощью программного обеспечения консоли Mean Curve оценивали среднюю интенсивность сигнала в каждом срезе с построением кривой затухания сигнала. Концентрацию железа в сердце определяли по времени Т2* с помощью формулы MIC = 45 × (T2*) – 1,22 [6].

Для оценки содержания железа в печени МР-сканирование осуществляли на задержке дыхания при получении срезов в аксиальной плоскости, срез проходил через участки, наиболее обедненные крупными сосудами и желчевыводящими протоками, с большим массивом паренхимы, не менее чем на трех уровнях. Параметры сканирования: 12 времен-эхо (TEs) — 1,3; 2,5; 3,6; 4,8; 5,9; 7,1; 8,3; 9,4; 10,6; 11,7; 12,9; 14,1 мс cо временем повторения (TR) 200 мс; толщина среза — 10 мм; flip angle — 20 градусов; пространственное разрешение 2,7×3,1 мм; FOV — 350×250 мм.

Для построения модели на основе области интереса (region of interest, ROI) использовали встроенное программное обеспечение консоли Mean Curve. Далее также строили график затухания интенсивности МР-сигнала от паренхимы печени. Исходя из величины Т2* и обратной для него R2* вычисляли концентрацию железа в печени по формуле LIC = 0,03 × R2* + 0,74 [7].