快速心律失常脈沖電場不可逆電穿孔消融治療研究進展

【作 者】趙志宏，陳永剛，寧忠平，陳新華

1 上海健康醫學院附屬周浦醫院 心血管內科，上海市，201318

2 杭州睿笛生物科技有限公司，杭州市，310003

3 浙江省脈沖電場技術醫學轉化實驗室，杭州市，310003

0 引言

快速心律失常的根治性治療，為消融損傷阻斷心臟內異常電傳導通路。消融治療能量來源包括：射頻消融、冷凍消融、微波消融、激光消融、直流電能產生的脈沖電場（pulsed electrical field，PEF）消融方式。現主流是為射頻消融，消融導管頭端的電極釋放低電壓高頻（30 kHz～1.5 MHz）射頻電能，在消融導管頭端與局部心肌內膜之間電能轉化為熱能，達到一定溫度（40～60 ℃）后，使特定的局部心肌細胞脫水、變性、壞死，自律性和傳導性能均發生改變，從而使心律失常得以根治。微秒脈沖直流電產生高能PEF瞬時釋放能量至心肌細胞膜，產生不可逆電穿孔（irreversible electroporation，IRE），細胞內容物泄漏，破壞細胞內環境穩態，導致細胞死亡，減輕炎癥反應，脈沖電場作為非致熱能量來源[1]。隨著材料學領域的進步，PEF作為心律失常消融能量來源的消融方式，IRE消融導管的不同目標設計在快速進行之中，近期在基礎研究及臨床應用方面取得了很大進展。

1 PEF消融機制

PEF消融通過直流電脈沖發生器釋放單相或雙相PEF，特點是高電場強度（kV/cm電場強度級別）、快脈沖頻率和短脈沖寬度（μs及ns級別），在正、負電極間形成局部高電壓差，極短時間內釋放高電場的非熱能量，選擇性作用于心肌區域，即刻實現心肌細胞質膜不可逆電穿孔，造成透壁損傷，細胞內容物泄露，導致心肌細胞死亡，遠期纖維疤痕形成和射頻消融效果基本相同[2]。通過PEF消融的導管也稱為IRE消融導管。快速心律失常消融的IRE消融導管，通過高電壓輸出，產生單相或雙相矩形脈沖波形，將一定數量的電脈沖按序列輸出實現消融目的。PEF消融有如下優點：①PEF消融強電場區域內的心肌組織均是有效消融位點，可精準調控，降低對消融電極貼靠壓力的要求；②PEF消融為非熱能組織消融，在消融過程中不會破壞組織支架結構，不受血流“熱沉效應”的影響，不會產生消融局部血栓。具有相對較寬的治療能量窗口[3]；③PEF消融具有組織電阻特異性，心肌細胞的PEF消融損傷閾值400 V/cm，血管、神經、食道等組織器官損傷閾值超過其4倍，且心肌細胞對PEF消融的敏感性遠高于其他各種細胞類型；這意味著適宜的PEF消融電壓優先損傷心肌，而對血管、神經、食道等鄰近組織影響極小且不會損傷。

2 快速心律失常治療的PEF消融導管及臨床應用進展

2.1 心內IRE消融導管

2.1.1 雙電極IRE消融導管

直徑為5 F（1 F=1/3 mm）的Blazer PEF雙電極消融導管，在心內放置位置，如圖1所示。一根電極導管放置在冠狀竇內，另一根為消融電極放置在心室內擬消融位置同時也作為標測電極記錄心室內浦肯野（Purkinje）電位，二個電極距離在3 cm內，PEF消融時兩個消融導管電極之間形成高電壓電場[4]。NanoKnife消融系統（AngioDynamics,Queensbury,NY）參數中輸出電壓為750～2 500 V（最小電場強度 250～833 V/cm），頻率為1 MHz，釋放10個脈沖，每次脈沖時間為90 μs，心電圖QRS有效不應期內同步PEF消融。Langendorff離體心臟灌注的體外犬心臟模型，750～1 000 V可有效消融浦肯野電位，2 000～ 2 500 V可有效消融His電位[5]。輸出電壓1 050～1 125 V下釋放10個脈沖，或750 V下釋放20或30個脈沖消融，有效消融全麻下豬Purkinje電位，組織學分析確認靶向浦肯野纖維損傷，PEF靶向消融可以在對心肌細胞損傷最小的情況下完成浦肯野纖維消融。

圖1 PEF消融導管標測并消融Purkinje電位Fig.1 Location of the ablation catheter used for pulsed electric field delivery

2.1.2 籃狀IRE消融導管

直徑為12 F的12個電極平均分布于4個獨立的半環形結構上的籃狀IRE消融導管。消融電極從鞘管內伸出，展開時為電極縱向排列的籃狀，頭端與心肌組織接觸范圍最大化，見圖2[6]。通過心內超聲、透視及三維標測系統在心室內消融導管定位消融。消融電極展開精確定位及保證穩定性，所有電極都可產生IRE消融電場，消融過程通過定制的PEF消融儀2 200 V輸出電壓放電消融。豬心室消融1個月后組織學分析，平均損傷直徑為6.5±1.7 mm，寬度為22.6±4.1 mm，最大深度和寬度為9.4 mm和28.6 mm，在PEF消融部位，纖維組織均勻地替代了肌細胞，纖維組織內及周圍保留神經束和血管。損傷周圍有狹窄的肌細胞溶解區，沒有覆蓋的血栓。該IRE消融導管優點是穩定性高，消融范圍較大，缺點是一些特殊精細部位不能抵達。圖3為改良的FARAFLEX籃狀IRE消融導管，并聯的每個樣條遠端增加了一個電極，可行心電標測及起搏標測，稱為頭端聚焦IRE消融導管（Farapulse Inc,Menlo Park,CA），推送展開前為橢圓形頭端，進一步推送展開為最大直徑17 mm的半球形，便于心腔內及歐氏脊病灶位置行點狀及線性消融[7]。

圖2 籃狀IRE消融導管Fig.2 Basket pose of the IRE catheter

圖3 改良后的頭端聚籃狀IRE消融導管Fig.3 12-F deflectable focal basket pose of the IRE ablation catheter

2.2 心外膜IRE環狀陣列電極消融導管

IRE環狀陣列電極消融導管用于心外膜PEF消融。圖4為頭端8個長度為2 mm、直徑為12 mm的環形陣列電極，直徑為7 F的IRE消融導管[8]。對豬經劍突下行心包穿刺后通過鞘管送達心包內，冠脈造影定位，消融導管置于冠脈位置之上予以單相除顫器（Lifepak 9;Physio-Control Inc,Redmond,WA）同步200 J放電產生的瞬時高能PEF，持續時間為4～10 ms，在心肌上形成連續的環狀損傷。病理結果顯示冠狀動脈的內膜沒有明顯增生，冠脈無明顯狹窄改變。該電極經皮穿刺送抵心外膜，簡單方便，提示經皮心外膜PEF消融的可行性。

圖4 直頭環狀IRE消融導管Fig.4 Circular electroporation ablation catheter

2.3 環肺靜脈IRE消融導管

房顫消融治療目前最有效的主流方法為環肺靜脈電隔離。這方面，PEF消融的IRE消融導管設計和應用做了很多開創性的嘗試，并有系列相關臨床研究，取得優異效果[9]。

2.3.1 環形陣列電極IRE消融導管

環形陣列電極IRE消融導管類似環肺靜脈標測電極Lasso電極。圖5為7 F頭端與連接桿成90o，折角直徑為18 mm～20 mm，包含10個長度為2 mm消融電極構成IRE消融導管。單相除顫器200 J放電消融在心肌上形成連續的環狀損傷，消融深度足以造成肺靜脈電隔離[10]。在全麻豬模型下，該IRE消融導管放置在肺靜脈主干內5～10 mm，10個環形陣列電極同步給予200 J放電，NavX 三維標測系統進行術中及術后3個月后評估，經PFA的肺靜脈開口未見狹窄，與之對照的經射頻消融的肺靜脈開口發生狹窄[11]。該消融導管設計參照了Lasso電極，優點是很容易到達肺靜脈，缺點是20 mm的直徑對肺靜脈來說偏小，難以完全貼靠肺靜脈。該IRE消融導管未進入臨床應用研究。

圖5 環狀IRE消融導管Fig.5 Circular IRE ablation catheter

2.3.2 9極中空環形陣列電極IRE消融導管

該消融導管初始設計用于射頻消融的肺靜脈電隔離[12]，該消融導管也可當作標測電極用。隨后用作雙相PEF的IRE消融導管進行研究[13]，為9 F頭端與連接桿成90o，折角有20°傾角的中空直徑25 mm的9個環形陣列電極的IRE消融導管（PVAC GOLD;Medtronic Inc,Minneapolis,MN），其中空結構便于指引導絲抵達肺靜脈指導調整消融導管位置，見圖6。

圖6 PVAC Gold 相位排列IRE消融導管Fig.6 PVAC Gold array ablation catheter

專利[14]詳細敘述了該系統的工作原理、系統構架、參數設置和實驗測試結果。奇數1、3、5、7、9電極作為正極，偶數2、4、6、8電極作為負極，心臟同步放電進行PEF消融。模型豬的右上肺靜脈及左、右心耳口行雙相PEF消融，輸出電壓為500 V，脈寬100 μs，脈沖間停頓為200 ms，每組60次脈沖，共有5個脈沖組，每個脈沖序列的持續時間為36 ms，R波門控放電時間約為10 s。2周后心肌組織學檢查發現PEF消融導致心肌細胞死亡、纖維化，且不會損傷PEF有效消融電場以外的心肌組織；PEF消融纖維化更均勻，心外膜脂肪炎癥更輕，病變內血管重塑更少[15]。該IRE消融導管獲得美國食品藥品監督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批準正在進行多中心、前瞻性、非隨機對照臨床試驗——PULSED AF研究（NCT04198701），評估其安全性和有效性。2020年第41屆美國心律學會（American Heart Rhythm Society，AHRS）年會發布了該研究14例房顫患者PEF消融結果：研究對象中包括左肺靜脈共干和右中肺靜脈等復雜病例，所有病例術中均完成肺靜脈電隔離，左心房電壓標測證實廣泛連續肺靜脈前庭有效損傷，每支肺靜脈消融（7.4±3.5）次；監測食道溫度顯示術中無改變。30 d內未見手術消融相關的嚴重不良事件發生，所有病例將隨訪12個月，觀察中遠期療效[9]。

2.3.3 環肺靜脈籃狀花瓣狀IRE消融導管

直徑12 F的20個電極均勻分布于5個獨立的半環形結構上的籃狀花瓣狀20個電極IRE Farawave消融導管（Farapulse,Inc,Menlo Park,CA）。消融電極從鞘管內伸出，用抵達肺靜脈內的指引導絲指引，控制消融導管展開程度應對不同直徑的肺靜脈消融，未完全展開時為電極縱向排列的籃狀，完全展開時為電極橫向排列的花瓣狀，最大展開直徑分別為30 mm或35 mm[7]，見圖7。聯合頭端聚焦IRE消融導管右房房撲三尖瓣峽部消融的25例持續性房顫PersAFOne 臨床研究(NCT04170621)中圍術期及術后隨診結果表明，該導管安全有效。

圖7 籃狀花瓣狀20電極IRE消融導管Fig.7 Basket-Flower pose of multispline IRE catheter

該消融導管所有電極均能進行PEF消融，最遠端的電極可作為起搏和標測電極應用。該IRE消融導管在模型豬上的臨床前研究證實：1 800 V雙相PEF行肺靜脈電隔離不會引起骨骼肌收縮震顫，因此不需要肌松劑；雙相PEF消融效果優于單相PEF消融和射頻消融[16]。該IRE消融導管優點為消融過程中不需要電極充分接觸肺靜脈口及前庭壁，也不需要冷鹽水灌注，無食管損傷風險[17]。隨后采用該IRE消融導管完成15例房顫患者肺靜脈電隔離，優勢為手術時間短，無急性肺靜脈狹窄、肺靜脈電位傳導恢復、膈神經損傷等并發癥，對心肌組織特異性損傷、快速有效肺靜脈電隔離，缺點是平均每支肺靜脈消融3.26次[18]。隨后發表的81例PEF消融病例研究一年內的隨診結果，雙相PEF消融時僅予以丙泊酚鎮靜，雙相PEF電壓為1 800～2 000 V，放電時間≤3 min，整個手術時間為（92.2±27.4）min。術中雙相PEF一次肺靜脈電隔離成功率為43%，3次及以上消融達100%，優于單相PEF消融；3個月后重復三維標測證實肺靜脈電隔離達到100%成功；無中風、膈神經損傷、肺靜脈狹窄和食道損傷等不良事件；1年內維持竇性心律的Kaplan-Meier值為87.4%。該IRE消融導管環肺靜脈消融長期安全性良好[19]。該IRE消融導管優點是經皮鞘管內輸送到達肺靜脈口方便，可根據肺靜脈大小而部分或完全展開，缺點是數次消融完成環肺靜脈前庭消融。

2.3.4 Lattice-tip導管消融系統

Lattice-tip導管消融系統包括射頻消融系統、Sphere-9 IRE消融導管（Affera,Inc,Watertown,MA）、集成標測系統、消融儀和灌注泵。圖8為Lattice-tip消融導管，直徑7.5 F，經輸送鞘管送至左心房后，頭端自膨脹展開，形成半徑為4.5 mm，材質為具有形狀記憶功能的鎳鈦諾非磁性合金的網格球狀消融電極，表面均勻分布著9個直徑為0.9 mm的微型電極（含熱電偶，也可溫控射頻消融），球狀消融電極內有灌注微孔及中心參考電極[20-21]。射頻消融及雙相PEF消融可同步轉換完成房顫消融過程，也可做為三維標測電極應用，指導消融電極精準定位。Lattice-tip消融導管系統的消融方式為逐點消融，輸出電流調到28 A時，環球型電極中心約8 mm半徑范圍電場強度超過400 V/cm，以此該消融電極非直接接觸肺靜脈口—前庭部位下即可完成消融[22]。對76例房顫患者按術者經驗選擇射頻消融和PEF消融模式交替應用，行肺靜脈電隔離及二、三尖瓣峽部和左心房頂部線性消融，完成房顫標準消融路徑，圍術期無器械相關并發癥，PEF消融組無食道熱損傷效應；該研究目標僅限于房顫圍術期安全有效性評估，臨床療效需更長隨訪時間[23]。

圖8 Lattice-tip消融導管及PEF消融Fig.8 Lattice-tip ablation catheter and PEF ablation

2.3.5 球囊電極IRE消融導管

IRE球囊消融導管，球囊表面近端及遠端表面噴涂形成條帶狀電極，作為正負極，同時能進行三維標測和記錄局部肺靜脈電位[24]，見圖9。全麻下犬肺靜脈PEF消融，造影劑充盈的球囊消融導管抵達左房肺靜脈，電極測量局部肺靜脈電位，評估電位振幅改變，球囊遠、近端二個作為消融電極，輸出電壓為1 000～2 000 V，脈沖時間為100 μs，按10、100、200個不同脈沖序列消融，實現完全肺靜脈電隔離，隨訪7～44 d，不會導致肺靜脈狹窄，也不影響肺、食道、膈神經及左房后壁神經節神經叢。

圖9 IRE球囊消融導管及肺靜脈口消融Fig.9 Prototype balloon catheter and intended ablation location

3 總結

綜上，PEF具有高能非熱的優勢，是極具潛力的臨床應用研究方向，推動心律失常消融的技術迭代，消融導管的產品革新，值得進一步深入研究，國內相關研究正在快速推進[25-26]，有望進入臨床研究。