Effect of external counterpulsation on coronary collateral artery growth and myocardial blood flow in patients with stable coronary artery disease

Abstract

Arteriogenesis (collateral artery growth) is nature’s rescue mechanism to overcome the fatal consequences of arterial occlusion or stenosis. External counterpulsation is a promising therapy for symptomatic patients who have coronary artery disease (CAD). However, the mechanism of ECP action remains unclear. The goal of this trial was to investigate the effect of external counterpulsation (ECP) on coronary collateral artery growth. Twenty-three patients (mean age of 61 years) who had stable CAD and at least one hemodynamic significant stenosis that was eligible for percutaneous coronary intervention (PCI) were recruited and assigned to ECP and control groups in a proportion of 2:1, respectively. The patients assigned to the ECP group (n=16) underwent 35 1-hour sessions of ECP during a period of seven weeks. The natural course of collateral circulation of the patients who were assigned to the control group (n=7) was evaluated during the seven weeks. All patients underwent a cardiac catheterization at baseline and after seven weeks with invasive measurements of the pressure-derived collateral flow index (CFIp, primary endpoint) and fractional flow reserve (FFR). Angina and dyspnea at exertion were evaluated by the scales of the Canadian Cardiovascular Society (CCS) and New York Heart Association (NYHA). The left ventricular function and structure were evaluated by cardiac magnetic resonance imaging (CMR). In the ECP-group, the CFIp (from 0.08±0.01 to 0.15±0.02; p<0.001) and FFR (from 0.68±0.03 to 0.79±0.03; p=0.001) improved significantly, although no change was observed in the control-group. Only the ECP-group showed a reduction of symptoms in the CCS (p=0.008) and NYHA scales (p<0.001). No change of parameters (ejection fraction, left ventricular end diastolic mass, stroke volume) was detected by the CMR. These data provide for the first time direct functional evidence of the stimulation of coronary arteriogenesis by ECP in patients with stable CAD. The improvement of the myocardial blood flow was accompanied by an alleviation of the patients’ symptoms. Our data might open a novel non-invasive and preventive treatment avenue for patients who have non- acute, vascular, stenotic disease.

Die Arteriogenese (Kollateralgefäßwachstum) ist ein natürlicher Rettungsmechanismus um die fatalen Komplikationen einer arteriellen Okklusion oder Stenose zu beseitigen. Die Externe Gegenpulsation (ECP) ist eine vielversprechende Therapie für Patienten mit koronarer Herzkrankheit (KHK). Der Wirkungsmechanismus von ECP ist bisher allerdings unklar. In dieser Studie wurde der Effekt der externen Gegenpulsation auf das Kollateralenwachstum untersucht. In die Studie wurden dreiundzwanzig Patienten (mittleres Alter 61 Jahre) mit stabiler KHK und mindestens einer signifikanten Koronararterienstenose mit Indikation zur Ballondilatation rekrutiert. Die Patienten wurden prospektiv im Verhältins 2:1 in die ECP- und Kontrollgruppe verteilt. Die Patienten der ECP-Gruppe (n=16) wurden für insgesamt 35 Stunden über einen Zeitraum von 7 Wochen mittels ECP behandelt. Bei den Patienten der Kontrollgruppe (n=7) wurde im gleichen Zeitraum der natürliche Verlauf des Kollateralwachstums geprüft. Alle Patienten erhielten zu Beginn und am Ende der Studienzeit (7 Wochen) eine Herzkatheteruntersuchung mit hämodynamischen Messungen des kollateralen Flussindexes (CFIp, primärer Endpunkt) und der fraktionellen Flussreserve (FFR). Die belastungsabhängige Angina und Dyspnoe wurden anhand der CCS (Canadian Cardiovascular Society) und NYHA (New York Heart Association) Skala geprüft. Die Funktion und Struktur des linken Ventrikels wurde mittels der kardialen Magnetresonanztomographie (CMR) untersucht. Die ECP-Patienten zeigten einen signifikanten Anstieg des CFIp (von 0.08±0.01 auf 0.15±0.02; p<0.001) und des FFR (von 0.68±0.03 auf 0.79±0.03; p=0.001) nach der siebenwöchigen Therapie. In der Kontrollgruppe wurde keine Änderung der invasiven Endpunkte festgestellt. Nur die ECP- Patienten zeigten eine Verbesserung der Symptomatik in der CCS (p=0.008) und NYHA Skala (p<0.001). Die geprüften Parameter der CMR (Auswurffraktion, enddiastolische linksventrikuläre Masse, Schlagvolumen) zeigten keine Änderung nach der ECP Therapie. Diese Daten stellen erstmals einen funktionellen Beweis dar, dass die Therapie mit externer Gegenpulsation zur Stimulierung der Arteriogenese bei Patienten mit KHK führt. Die Verbesserung des myokardialen Blutflusses ging mit der Linderung der klinischen Beschwerden der Patienten einher. Unsere Daten könnten neue Wege zu nicht-invasiven und präventiven Behandlungen für Patienten mit chronischen Stenosen eröffnen.