Metabolic profiling in experimental autoimmune myocarditis (EAM) in a rodent model using ex-vivo proton magic angle spinning magnetic resonance spectroscopy (1H-MAS-MRS) to detect myocardial injury

Abstract

Background. Myocarditis is an inflammatory disease of the myocardium that can lead to dilated cardiomyopathy (DCM) and heart failure (HF). Experimental autoimmune myocarditis (EAM) in rodents is an accepted model of myocarditis and DCM. Altered cellular metabolism is thought to play an important role in the pathogenesis of DCM and generally in HF. Study of the metabolism may provide new diagnostic information and insights into the mechanisms of myocarditis and HF. As yet, proton magnetic resonance spectroscopy (1H-MRS) has not been used to study the changes occurring in myocarditis and subsequent HF. 1H-MRS allows to quantify metabolites and to correlate them to heart function data obtained by magnetic resonance imaging (MRI). We aimed to explore the diagnostic potential of 1H-MRS for detecting and monitoring metabolic changes in the course of myocarditis. Methods. Myocardial function of male young Lewis rats with EAM was quantified by performing left ventricular ejection fraction (LVEF) analysis in short axis cine images covering the whole heart. Inflammatory cellular infiltrate was assessed by immunohistochemistry. Myocardial tissue was analyzed using ex-vivo proton magic angle spinning MRS (1H-MAS-MRS) by placing standardized pieces of a mid ventricular short axis slice of myocardium into a 4 mm zirconium rotor and spinning at 4kHz at 293K. Water presaturation was applied to obtain the proton spectrum. Results. Inflammation was confirmed histologically in myocarditis samples by the presence of an inflammatory cellular infiltrate and CD68 positive staining. A significant increase in the metabolic ratio of taurine/creatine (Tau/Cr) obtained by MRS was observed in myocarditis compared to healthy controls (21 d acute EAM: 4.38 (±0.23), 21 d control: 2.84 (±0.08), 35 d chronic EAM: 4.47 (±0.83) and 35 d control: 2.59 (±0.38), P<0.001). LVEF was reduced in diseased animals (myocarditis: 55.2% (±11.3%), control: 72.6% (±3.8%), P<0.01) and correlated with Tau/Cr ratio (R=0.937, P<0.001). Conclusions. Metabolic alterations occur acutely with the development of myocarditis. Myocardial Tau/Cr ratio as detected by proton MRS is able to differentiate between healthy myocardium and myocardium from rats with EAM and correlates with functional parameters.

Einleitung. Experimentelle-Autoimmun-Myokarditis (EAM) in Nagern ist ein bekanntes Tiermodell für Myokarditis und dilatierte Kardiomyopathie (DCM). Ein veränderter Stoffwechsel spielt möglicherweise eine wichtige Rolle in der Pathogenese einer DCM und einer daraus resultierenden Herzinsuffizienz. Weitere Untersuchungen des Stoffwechsels könnten sowohl neue diagnostische Informationen liefern, als auch helfen mechanistische Abläufe während einer Myokarditis und bei Herzinsuffizienz besser zu verstehen. Magnetische Resonanzspektroskopie mit Protonen (1H-MRS) wurde bisher noch nicht zur Untersuchung von Veränderungen während einer Myokarditis und der daraus folgenden Herzinsuffizienz verwendet. Unser Ziel war es Unterschiede im Kreatinmetabolismus zwischen Ratten mit EAM und gesunden Tieren zu identifizieren. Methoden. Die Herzfunktion von jungen männlichen Lewis-Ratten mit EAM wurde durch Bestimmung der linksventrikulären Ejektionsfraktion (LVEF) in Kurzachsen Cine-Bildern quantifiziert. Inflammatorische zelluläre Infiltrate wurden durch immunhistologische Aufarbeitung von Myokardschnitten analysiert. Myokardgewebe wurde mit ex-vivo Protonen Magic Angle Spinning MRS (1H-MAS-MRS) untersucht. Ergebnisse. Eine Myokarditis konnte histologisch durch inflammatorische Zellinfiltrate und durch ein positives CD68 in der Immunhistologie bestätigt werden. Ein signifikanter Anstieg des Metaboliten- Verhältnis von Tau/Cr (Taurin/Kreatin) konnte in den 1H-MAS-MRS Messungen in den Myokarditis-Tieren gegenüber den gesunden Kontrollen beobachtet werden (21 d acute EAM, 4.38 (±0.23); 21 d control, 2.84 (±0.08); 35 d chronic EAM, 4.47 (±0.83); 35 d control, 2.59 (±0.38); P < 0.001). Die LVEF war in den kranken Tieren reduziert (EAM, 55.2% (±11.3%); control, 72.6% (±3.8%); P < 0.01) und korrelierte mit dem Tau/Cr Verhältnis (R = 0.937, P < 0.001) der entsprechenden Ratten. Schlussfolgerung. Metabolische Veränderungen treten bereits in der akuten Phase einer Myokarditis auf. Es konnte gezeigt werden, dass das myokardiale Verhältnis von Tau/tCr aus den 1H-MRS Messungen mit der Myokard-Funktion korreliert und zwischen Myokardgewebe aus gesunden Ratten und Tieren mit EAM unterscheiden kann.