心房顫動脈沖電場消融的研究進(jìn)展

馬正科 何智余 姚亞麗

(1.蘭州大學(xué)第一臨床醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州730000； 2.蘭州大學(xué)第一醫(yī)院心臟中心，甘肅 蘭州 730000)

自1998年Ha?ssaguerre等[1]的開創(chuàng)性工作確定肺靜脈是誘發(fā)心房顫動(房顫)的主要觸發(fā)因素，并且證實(shí)局部射頻消融(radiofrequency ablation，RFA)能夠消除心房異位起搏點(diǎn)以來，導(dǎo)管消融已被逐步證明是治療癥狀性房顫的有效選擇。肺靜脈隔離(pulmonary vein isolation，PVI)是治療癥狀性房顫、提高生活質(zhì)量導(dǎo)管消融的基石[2-3]。目前RFA或冷凍消融是房顫導(dǎo)管消融最主要的能量形式，但二者均存在不能完全隔離肺靜脈的缺點(diǎn)，消融后的電連接被認(rèn)為是房顫復(fù)發(fā)的主要因素，研究表明使用沖洗導(dǎo)管進(jìn)行RFA隔離肺靜脈后再通的發(fā)生率仍然很高[4-5]。此外，這些消融方法對心肌不具有組織選擇性，且依賴導(dǎo)管的貼靠，可能會影響食管、膈神經(jīng)等鄰近結(jié)構(gòu)，因而可能會造成心房食管瘺、肺靜脈狹窄和膈神經(jīng)損傷等并發(fā)癥?；诖耍瑢ふ乙环N更安全、通用的PVI的方法已成為房顫研究者的使命。脈沖電場消融(pulsed field ablation，PFA)通過不可逆電穿孔(irreversible electroporation，IRE)機(jī)制，利用高電壓和短持續(xù)時間的脈沖序列來造成組織損傷，而不會產(chǎn)生明顯的加熱[6]。目前研究表明PFA可作為治療房顫的一種新型非熱消融技術(shù)。隨著PFA在心臟領(lǐng)域研究的不斷深入，對于房顫甚至其他心律失常的治療將具有重要的意義。

1 PFA的房顫之路

1982年Neumann等[7]使用脈沖電場暫時滲透細(xì)胞膜，將外來DNA輸送到細(xì)胞內(nèi)，由此開啟了電穿孔的醫(yī)學(xué)應(yīng)用之路。2005年Davalos等[8]在論文中提出，IRE在無有害熱效應(yīng)的情況下可獨(dú)立消融大量的組織，而不需要輔助藥物。這為以后用IRE消融腫瘤組織起到里程碑的作用。2007年Lavee等[9]利用IRE在豬心外膜心房消融的結(jié)果顯示，PFA作為新能源可非常迅速、精確和完全地進(jìn)行跨壁消融，而無局部加熱效應(yīng)。2011年Wittkampf等[10]首次證明了采用IRE技術(shù)電隔離肺靜脈的臨床前可行性。這為PFA作為一種安全有效的房顫消融方式提供了臨床前證據(jù)。2014年van Driel等[11]的臨床前試驗(yàn)比較了RFA與PFA后肺靜脈狹窄情況的研究，3個月的隨訪后結(jié)果顯示，PFA相比于RFA不會引起肺靜脈狹窄，而RFA組顯示出明顯的肺靜脈狹窄(其比消融前縮小7%±17%)。2018年Reddy等[12]首次將PFA應(yīng)用于人體房顫消融。目前PFA在心臟自主神經(jīng)節(jié)叢、浦肯野纖維系統(tǒng)和心室內(nèi)膜上已實(shí)現(xiàn)了成功消融[13-16]。這使得PFA在心臟領(lǐng)域的研究又向前邁進(jìn)了一步，期待更多的研究數(shù)據(jù)以便指導(dǎo)臨床應(yīng)用。

2 PFA的消融機(jī)制

PFA是一種用脈沖電場形成局部高電壓差，通過在細(xì)胞膜上形成不可逆的納米級孔隙和細(xì)胞內(nèi)容物的泄露的方式從而破壞細(xì)胞膜的穩(wěn)定性[17]。PFA的理論基礎(chǔ)源于電穿孔，是指在外加電場的作用下，利用脈沖發(fā)生器發(fā)放微秒、納秒級電脈沖使細(xì)胞膜產(chǎn)生不穩(wěn)定的電位，這樣的刺激導(dǎo)致跨膜電位的形成，它可局部克服磷脂雙層的介電強(qiáng)度，導(dǎo)致在脂質(zhì)雙層中形成親水性納米級的孔隙，從而使細(xì)胞膜通透性發(fā)生改變。使用更強(qiáng)的電場當(dāng)超過閾值能量水平引起細(xì)胞膜永久通透，破壞細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，從而導(dǎo)致細(xì)胞凋亡，這個過程被稱為IRE[18-19]。

然而，目前的一項(xiàng)研究提出了電穿孔可能的新機(jī)制。該研究發(fā)現(xiàn)在水合程度更高、靜電作用更有利于離子進(jìn)入的電壓傳感域中，孔洞更有可能發(fā)生。電壓傳感域中的毛孔可擴(kuò)展成復(fù)合孔，這些毛孔會被脂質(zhì)頭基穩(wěn)定下來。這種復(fù)雜的孔隙比傳統(tǒng)的脂孔要穩(wěn)定得多[20]。以上針對PFA消融機(jī)制的研究似乎可揭示細(xì)胞膜通透性和細(xì)胞死亡之間具有正相關(guān)性，然而最新一項(xiàng)研究1 μs雙相高頻IRE脈沖的間期和脈沖之間的延遲(0.5～10 000 μs)對細(xì)胞膜通透性及細(xì)胞系存活的影響，表明兩相脈沖之間較長的間期延遲和脈沖間延遲都會導(dǎo)致較低的細(xì)胞存活率(即更有效的細(xì)胞殺傷)，而對細(xì)胞膜通透性的影響則更加模糊。較低的細(xì)胞存活率不一定是較高的膜通透性的結(jié)果。這表明膜通透性和細(xì)胞存活率之間存在更為復(fù)雜的相互作用，表明細(xì)胞存活率除了受膜通透性的影響外，還受其他因素的影響[21]。因此，對PFA消融機(jī)制的研究仍需大量的工作以便能更好地指導(dǎo)臨床實(shí)踐。

3 PFA的組織選擇性

既往研究已表明誘導(dǎo)細(xì)胞壞死所需的脈沖強(qiáng)度活力閾值因組織類型而異，心肌細(xì)胞是最敏感的組織[22-24]。這就使得利用PFA進(jìn)行PVI時對鄰近組織消融風(fēng)險降到最低，而傳統(tǒng)的RFA和冷凍消融因?yàn)槭抢脽崃孔兓瘜M織進(jìn)行消融，依賴于凝固性壞死，就可能對食管、隔神經(jīng)等周圍組織造成損傷。PFA可在消融區(qū)域內(nèi)保持組織基質(zhì)的完整性，并且不依賴消融導(dǎo)管的貼靠就可實(shí)現(xiàn)對組織的消融。正如迄今為止的臨床前經(jīng)驗(yàn)所表明的，有重要的臨床前數(shù)據(jù)支持在食管、膈神經(jīng)、冠狀動脈和肺靜脈狹窄情況PFA的安全性[11，16-17，25-28]。

最近Kuroki等[29]回顧性的觀察性研究表明，與RFA相比，PFA可顯著降低門靜脈狹窄的發(fā)生率和嚴(yán)重程度。該研究對肺靜脈開口的長軸和短軸通過心臟CT掃描重建成三維圖像進(jìn)行定量和定性評價。結(jié)果顯示PFA組較RFA組肺靜脈口直徑減小[長軸為(0.9±8.5)% vs (-11.9±16.3)%，P<0.001；短軸為(3.4±12.7)% vs (-12.9±18.5)%，P<0.001)]。在RFA隊(duì)列中，輕度(30%～49%)、中度(50%～69%)和重度(70%～100%)肺靜脈狹窄/狹窄的發(fā)生率分別為9.0%(15/166)、1.8%(3/166)和1.2%(2/166)，但在PFA隊(duì)列中無1例出現(xiàn)(P<0.001)。Stewart等[24]的臨床前研究表明PFA與RFA對豬心內(nèi)膜消融時均可產(chǎn)生邊界清楚、表面積相近且無心內(nèi)膜血栓的跨壁心房病變。2周后進(jìn)行組織病理學(xué)和尸檢發(fā)現(xiàn)與RFA損傷相比，PFA所致的心壁重構(gòu)更為均勻；PFA消融術(shù)中含有極少孤立的存活心肌細(xì)胞。而RFA消融后的炎癥反應(yīng)更強(qiáng)并可延伸至心外膜脂肪、動脈損傷和血栓形成。這一研究結(jié)果也同樣得到了Koruth等[30]研究的支持，并發(fā)現(xiàn)雙相PFA損傷比單相PFA和RFA更持久。

在積累了大量的臨床前研究的基礎(chǔ)上，2018年Reddy等[12]描述了在人類中首次使用PFA治療房顫，使用心內(nèi)膜和心外膜遞送系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)PVI。他們實(shí)現(xiàn)了100%的PVI，每個患者的能量傳遞時間≤1 min，而且無明顯的并發(fā)癥。隨后的評估PFA治療陣發(fā)性房顫的安全性和有效性的研究中，納入IMPULSE和PEFCAT兩項(xiàng)試驗(yàn)共81例患者，經(jīng)過連續(xù)的波形改善，PVI的患者在3個月的耐久性從18%提高到100%。中位數(shù)120 d的隨訪中，除1例手術(shù)相關(guān)的心臟壓塞外，無其他主要不良事件發(fā)生。隨訪12個月，87.4%±5.6%的患者無再發(fā)心律失常事件[17]。盡管這一研究中位隨訪時間只有120 d，對遠(yuǎn)期的PVI預(yù)測尚不清楚，但也展示出PFA這種簡便且超快速的PVI具有良好的持久性和安全性，尤其對心肌組織具有良好的選擇性。

然而，對于持續(xù)性或長程持續(xù)性房顫，單純PVI的效果并不顯著，需要聯(lián)合其他消融術(shù)式，常見的為線性消融、非肺靜脈觸發(fā)灶消融、基質(zhì)標(biāo)測及消融、腎去交感化等[31]。為了彌補(bǔ)PFA不能進(jìn)行線性消融的缺點(diǎn)，已有動物實(shí)驗(yàn)證明利用特制導(dǎo)管(PFA與射頻消融可相互轉(zhuǎn)換)可將局灶性PFA持續(xù)隔離靜脈，形成線狀病變，且無并發(fā)癥。PFA病變未損傷膈神經(jīng)、血管和食管[32]。目前Reddy等[33]創(chuàng)造性地將脈沖電場和射頻兩種不同的能源集合在同一導(dǎo)管上進(jìn)行的人體試驗(yàn)證明了可安全、快速地使用脈沖電場/射頻組合的方法消融房顫。該研究將76例患者分為射頻/脈沖電場組(40例)或脈沖電場/脈沖電場組(36例)進(jìn)行消融。結(jié)果顯示不僅所有患者的PVI 100%完成，而且包括二尖瓣峽部、三尖瓣峽部和左心房頂線在內(nèi)的線性消融也100%完成。

目前PFA主要是通過直流脈沖發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的，盡管有大量關(guān)于PFA的研究，但仍不清楚哪些電場水平、脈沖持續(xù)時間、脈沖數(shù)量、脈沖頻率以及它們的組合，對于獲得無熱效應(yīng)或有限副作用的組織特異性死亡是最佳的[34]。在一項(xiàng)較寬的脈沖寬度范圍內(nèi)，電池取向如何影響電穿孔相對于電場方向的研究中，作者觀察到納秒脈沖導(dǎo)致垂直電池的電穿孔增加，而毫秒脈沖導(dǎo)致平行電池的電穿孔增加。相反，幾微秒的脈沖對兩個方向的細(xì)胞的影響程度相同。因此，為了達(dá)到最均勻的效果，除了改變電場取向之外，還可使用微秒范圍的脈沖。PFA實(shí)現(xiàn)PVI時必須實(shí)現(xiàn)穿壁消融，沿靜脈周向穿透心壁。透壁連續(xù)消融的必要性意味著處理相對于電場方向有明顯不同取向的細(xì)胞，因此，實(shí)現(xiàn)均勻的、與細(xì)胞方向無關(guān)的電穿孔可確?？煽康闹委熜蔥35]。

4 PFA的非熱消融特性

與RFA或冷凍消融相比，PFA不需要導(dǎo)管與組織直接接觸達(dá)到致命的組織溫度就可產(chǎn)生相近的消融結(jié)果。PFA通過將組織置于直流電場范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)消融，而不必改變受影響組織的溫度。PFA利用高電壓、短時程的脈沖釋放能量，這使消融過程產(chǎn)生焦耳加熱的可能性較小。研究指出如果要在1 000 V/cm的幅度下提供100 μs的單個脈沖，則活體組織中必須預(yù)期的最大溫度升高約為0.36 ℃。對于2 000 V/cm，最大溫度升高約為1.44 ℃。考慮到熱損傷閾值報(bào)告為50 ℃，這種溫度升高不太可能對組織產(chǎn)生任何熱影響[14]。Reddy等和Stewart等研究表明PFA的傳遞方式未產(chǎn)生具有臨床意義的熱量[17，24，36]。

然而，有研究表明PFA在不同的參數(shù)設(shè)計(jì)對溫度的發(fā)展和分布都有影響[37-38]。目前的一項(xiàng)數(shù)學(xué)模擬研究發(fā)現(xiàn)PFA消融區(qū)域出現(xiàn)輕度高溫，而在相對較小的區(qū)域發(fā)生了直接熱消融效應(yīng)[39]。但該實(shí)驗(yàn)僅為數(shù)學(xué)模擬，并未考慮到組織特性、解剖等其他因素的影響，需進(jìn)行大量的研究以期望隨著不斷優(yōu)化的PFA方案，設(shè)置最佳理想消融參數(shù)，以最小的熱效應(yīng)產(chǎn)生安全有效的消融區(qū)域。

5 總結(jié)與展望

PFA是基于IRE機(jī)制使細(xì)胞死亡的新型消融方式，因其具有的組織特異性、非熱消融等優(yōu)點(diǎn)使得其在房顫消融的應(yīng)用得到關(guān)注，人體試驗(yàn)的成功無疑振奮人心，但對于PFA的機(jī)制、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、非熱消融及在持續(xù)性房顫等方面仍需不斷探索、不斷研究，力求讓PFA在房顫甚至對于其他心律失常的治療方面取得更大的突破。