心力衰竭物理治療的新路徑
——超聲波輻照誘導(dǎo)正性肌力的基礎(chǔ)和臨床研究*

尹立雪

(四川省醫(yī)學(xué)科學(xué)院·四川省人民醫(yī)院·超聲心臟電生理學(xué)與生物力學(xué)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610072)

心力衰竭是臨床常見的心血管疾病終末期表現(xiàn)。據(jù)衛(wèi)生部心血管病防治研究中心報(bào)告，2008～2009年我國現(xiàn)有心血管疾病患病人數(shù)達(dá)2.3億，其中具有明顯臨床癥狀的心力衰竭患病人數(shù)高達(dá)420萬[1]。近年來隨著中國人口老齡化加劇，心力衰竭作為心血管疾病的終末階段，患病人數(shù)持續(xù)增長。2016年國家心臟中心采樣調(diào)查結(jié)果顯示， 中國心力衰竭患病率已達(dá)到1.3%，現(xiàn)癥患者有800萬至1千萬。中國可能已成為全球最大的心力衰竭患者群的國家。在40歲以上人群，5個(gè)人中就有1個(gè)(20%)有罹患心衰的風(fēng)險(xiǎn)。但是，目前臨床能夠采用的心力衰竭強(qiáng)心治療方法有限，主要包括藥物治療(如：地高辛、多巴酚丁胺、氨力農(nóng)和米力農(nóng)等)和非藥物治療(如：CRT和VAD等)。藥物治療方法的正性肌力作用持續(xù)時(shí)間短，療效有限，副作用大。終末期心力衰竭患者必須進(jìn)行電機(jī)械矯正、機(jī)械輔助或心臟移植治療，其治療成本高，風(fēng)險(xiǎn)大。建立一種全新的臨床能夠常規(guī)持續(xù)應(yīng)用的無創(chuàng)性心力衰竭正性肌力治療方法是心血管病學(xué)基礎(chǔ)和臨床研究所面臨的重大挑戰(zhàn)。本文就心力衰竭物理治療的新路徑——超聲波輻照誘導(dǎo)正性肌力的基礎(chǔ)和臨床研究現(xiàn)狀及進(jìn)展做一述評(píng)。

1 超聲波輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生心肌肌力改變的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)依據(jù)

1.1 早在1929年美國生理學(xué)家Harvey已經(jīng)發(fā)現(xiàn)應(yīng)用100kHz頻率的超聲波輻照兩棲類動(dòng)物的裸露心臟能夠誘導(dǎo)出心肌收縮[2]。但由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的限制，這一實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)未能得到重視和充分的利用。上世紀(jì)九十年代以來，心臟電生理學(xué)和超聲醫(yī)學(xué)界開始重新嘗試采用超聲波進(jìn)行心臟的起搏治療。1991年，Richard 等[3]發(fā)表論文提出超聲波具有起搏作用。1991～1994年Dalecki和Delius等報(bào)告證實(shí)，采用高強(qiáng)度單脈沖超聲波，當(dāng)脈沖波寬度為數(shù)個(gè)毫秒，超聲波脈沖峰值強(qiáng)度大于5MPa時(shí)就能夠?qū)π呐K的功能產(chǎn)生確切的生物學(xué)效應(yīng)，其中包括導(dǎo)致心室早搏和主動(dòng)脈壓力的減低。與此同時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)上述超聲波生物學(xué)效應(yīng)不僅能在兩棲爬行類動(dòng)物的心臟誘導(dǎo)出來，還能在哺乳動(dòng)物(如：豬和狗)心臟上誘導(dǎo)出來。其他學(xué)者重復(fù)了上述實(shí)驗(yàn)過程并獲得了相同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[4-9]；研究同時(shí)發(fā)現(xiàn)，盡管超聲造影劑流動(dòng)于毛細(xì)血管內(nèi)，注射超聲造影劑仍然能夠增強(qiáng)起搏效應(yīng)。

1.2 現(xiàn)有研究已經(jīng)證實(shí)，采用超聲波對(duì)組織細(xì)胞進(jìn)行輻照時(shí)，超聲波導(dǎo)致的空化和沖流過程可使被輻照組織細(xì)胞壁和質(zhì)膜等被擊穿,產(chǎn)生可逆或不可逆的小孔,即超聲“聲孔效應(yīng)” (sonoporation)[10]。聲孔效應(yīng)是超聲波輻照在生物體內(nèi)最直接的效應(yīng)表現(xiàn)。有學(xué)者在實(shí)驗(yàn)中觀察到了兩種聲孔效應(yīng),即可修復(fù)性聲孔效應(yīng)和致死性聲孔效應(yīng)，這兩種效應(yīng)是同一機(jī)制、作用程度不同的兩種表現(xiàn)形式[11-12]。超聲造影劑存在環(huán)境中進(jìn)行超聲波輻照可使聲孔效應(yīng)更為明顯。造影劑濃度低時(shí)表現(xiàn)為可修復(fù)性聲孔效應(yīng);當(dāng)輻照時(shí)間延長或造影劑濃度增大時(shí),細(xì)胞膜上發(fā)生的聲孔無法修復(fù)即致死性聲孔效應(yīng)?？栈撝凳侵笇?dǎo)致空化效應(yīng)發(fā)生的最低超聲波強(qiáng)度值,當(dāng)輻照強(qiáng)度低于瞬態(tài)空化閾值時(shí),聲孔效應(yīng)由微束產(chǎn)生；高于瞬態(tài)空化閾值時(shí),聲孔效應(yīng)則在不均一的微泡萎陷時(shí)產(chǎn)生。聲孔效應(yīng)的存在將改變細(xì)胞膜的通透性，并有可能導(dǎo)致心肌細(xì)胞膜離子通道狀態(tài)發(fā)生改變。有研究表明膜通道功能改變多發(fā)生在空化效應(yīng)穩(wěn)定之前，即一旦空化效應(yīng)穩(wěn)定，膜通道功能將會(huì)相對(duì)穩(wěn)定。

1.3 上世紀(jì)八十年代以來， Forester等[13]采用963kHz超聲波發(fā)射頻率，強(qiáng)度為0.25、0.5、1.0、2.0W/cm2的連續(xù)超聲波刺激大鼠離體心臟乳頭肌，在不同的電刺激頻率下發(fā)現(xiàn)心肌收縮力增強(qiáng)現(xiàn)象，且收縮的最大速度與超聲波輻照強(qiáng)度呈線性相關(guān)。同期研究證實(shí)心肌細(xì)胞的動(dòng)作電位第3相延長，心肌細(xì)胞環(huán)境中Ca2+離子濃度改變與心肌細(xì)胞的肌力改變相關(guān)。已有基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)超聲波輻照可導(dǎo)致正性和負(fù)性的心肌細(xì)胞肌力改變，正性肌力作用僅發(fā)生在大約20%的被超聲波輻照心肌，其正性肌力增加幅度可達(dá)到18%。這提示不同的超聲波輻照參數(shù)設(shè)置，可能會(huì)導(dǎo)致不同程度和方向的心肌肌力變化。

1.4 超聲波輻照導(dǎo)致心臟整體功能和血流動(dòng)力學(xué)改變的研究結(jié)果尚存爭議。2000年Greenberg曾報(bào)告采用1MHz和2W/cm2強(qiáng)度超聲波輻照鼠離體心臟15分鐘，未能誘導(dǎo)產(chǎn)生確切的血流動(dòng)力學(xué)改變，左心室壓力在不同超聲波輻照觀察時(shí)相(每間隔5分鐘)均未發(fā)生明顯變化[14-15]。但是，2006年Kuma等[16]采用1MHz高強(qiáng)度連續(xù)波超聲波輻照豚鼠心臟發(fā)現(xiàn)，輻照后左心室收縮壓力和主動(dòng)脈血流量明顯增加，同時(shí)左心室舒張末期壓力明顯減低。這進(jìn)一步提示不同的超聲波輻照參數(shù)設(shè)置將會(huì)誘導(dǎo)產(chǎn)生不同的左心室整體功能改變。

1.5 我們的第一階段前期預(yù)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果提示，在單純治療劑量超聲波輻照和治療劑量超聲波輻照聯(lián)合超聲造影劑并未導(dǎo)致11只比格犬開胸動(dòng)物模型在顯微鏡和電子顯微鏡下出現(xiàn)明顯的心肌細(xì)胞和血管損傷，部分心室壁節(jié)段心肌徑向應(yīng)變出現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)象[17-18]，見圖1和圖2。 第二階段預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)，采用診斷劑量超聲波聯(lián)合超聲造影劑輻照6只比格犬開胸模型導(dǎo)致左心室心內(nèi)膜下和心外膜下心肌周向應(yīng)變均有顯著增強(qiáng)，其中心內(nèi)膜下心肌周向應(yīng)變值明顯高于心外膜下心肌周向應(yīng)變值。推論診斷劑量超聲波輻照聯(lián)合超聲造影劑微泡能夠加大左心室心肌形變，可能具有正性肌力作用[19]，見圖3。

1.6 我們前期基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究采用超聲心動(dòng)圖組織多普勒成像進(jìn)行電刺激蛙骨骼肌機(jī)械收縮觀察已經(jīng)確定，采用超聲心動(dòng)圖組織多普勒成像技術(shù)能夠準(zhǔn)確觀察到電極位點(diǎn)局部骨骼肌結(jié)構(gòu)及其肌力狀態(tài)變化[20],見圖4。

圖1第一階段Beagle犬預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=11)
Figure1ThefirstphasestudyresultsofpilotexperimentonBeaglemodels

注：各種狀態(tài)二尖瓣水平前間隔徑向應(yīng)變—時(shí)間曲線：可見(圖中箭頭所示黃色曲線)在各狀態(tài)較基礎(chǔ)水平徑向應(yīng)變有一增大趨勢，其中在超聲波輻照造影后即刻、20min、40min及60min組差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；A.基礎(chǔ)狀態(tài)，B.空白對(duì)照組，C.造影后即刻組，D.造影后20min組，E.造影后40min組，F(xiàn).造影后60min

圖2 第一階段Beagle犬預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=11)

Figure2ThefirstphasestudyresultsofpilotexperimentonBeaglemodels

注：各種狀態(tài)二尖瓣水平前室間隔徑向峰值應(yīng)變(1：基礎(chǔ)狀態(tài)，2：空白對(duì)照組(超聲波輻照無造影劑)，3：超聲波輻照造影后即刻組，4：超聲波輻照造影后20min組，5：超聲波輻照造影后40min組，6：超聲波輻照造影后60min組)。Radial strain: 徑向應(yīng)變。與基礎(chǔ)狀態(tài)比較，①P<0.05

圖3第二階段Beagle犬預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果(n=6)

Figure3ThesecondphasestudyresultsofpilotexperimentonBeaglemodels

注：左心室超聲波輻照和超聲造影微泡干預(yù)狀態(tài)心內(nèi)膜下心肌和心外膜心肌峰值周向應(yīng)變比較, 差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)；baseline：基礎(chǔ)狀態(tài)，irradiate:超聲輻照5min，contrast：注射造影劑后輻照5min，contrastzomin:注射造影劑后20min

圖4超聲組織多普勒成像觀測骨骼肌電機(jī)械興奮
Figure4UltrasonictissueDopplerimagingmappingtheskeletalmuscleelectro-mechanicalactivation

注：A. 紅色箭頭指超聲心動(dòng)圖組織多普勒成像顯示刺激電極位置和骨骼肌收縮初始速度改變一致；B. M型組織多普勒取樣線通過刺激電極處，分別取樣發(fā)放電脈點(diǎn)位的骨骼肌組織運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間參數(shù)測量方法。 t: 電機(jī)械延遲時(shí)間； Tm：骨骼肌收縮持續(xù)時(shí)間

2 超聲波輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生心肌肌力改變的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)論

2.1 采用超聲波輻照能夠改變心肌細(xì)胞的電興奮過程。

2.2 采用超聲波輻照可能有兩個(gè)相反的肌力作用：既可增強(qiáng)心肌細(xì)胞的收縮功能，也有可能減低心肌細(xì)胞的收縮功能。目前，產(chǎn)生超聲波正性肌力作用的機(jī)制和輻照參數(shù)條件尚不清楚，亟需應(yīng)用先進(jìn)的細(xì)胞電生理觀測技術(shù)進(jìn)一步研究超聲波輻照正性肌力作用在心肌細(xì)胞分子水平的可能機(jī)制，確定產(chǎn)生正性肌力的必要超聲波輻照參數(shù)條件。

2.3 采用超聲波輻照能否改變離體心臟整體功能和血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)存在不同的研究結(jié)果和結(jié)論，這一問題的存在與產(chǎn)生正性肌力作用的超聲波輻照條件不明確有關(guān)。

2.4 超聲波輻照聯(lián)合超聲造影劑微泡能夠增強(qiáng)左心室心肌形變，具有正性肌力作用，其作用機(jī)制有待進(jìn)一步加以明確。

3 超聲波輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生心肌肌力改變機(jī)制的理論解釋和推論

3.1 較高強(qiáng)度超聲波傳播過程中導(dǎo)致組織快速振動(dòng)將產(chǎn)生瞬時(shí)負(fù)壓沖流和空化效應(yīng)及其導(dǎo)致的心肌細(xì)胞膜瞬間穿孔，有可能導(dǎo)致心肌細(xì)胞膜的通透性增加[21-22]。

3.2 超聲波通過縱向振動(dòng)波的傳導(dǎo)和組織內(nèi)部聲壓的增高能夠造成組織的快速振動(dòng)和心肌組織的被動(dòng)延伸或拉長從而導(dǎo)致細(xì)胞膜電位變化。心肌組織在舒張期的拉伸已經(jīng)被證實(shí)能夠?qū)е聦?duì)機(jī)械拉伸敏感的心肌細(xì)胞膜離子通道的功能狀態(tài)發(fā)生改變從而造成心肌細(xì)胞膜的除極過程。但是在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波誘導(dǎo)心肌細(xì)胞除極的機(jī)制仍然不清。盡管超聲脈沖波的寬度與組織被拉伸的時(shí)間長度相等。但是進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，超聲波導(dǎo)致的心肌細(xì)胞位移程度仍然不足以導(dǎo)致由心肌細(xì)胞被動(dòng)拉伸所可能觸發(fā)的細(xì)胞生物電流改變并最終導(dǎo)致心肌細(xì)胞膜的有效除極：例如發(fā)射頻率1MHz、聲壓1.8atm/W和脈沖波寬度15μm的超聲波僅能夠?qū)е?8nm的心肌位移。該拉伸長度不足以導(dǎo)致毫米級(jí)拉伸才能夠?qū)е滦募〖?xì)胞生物電效應(yīng)[23]。因此，超聲波輻照導(dǎo)致心肌細(xì)胞除極的機(jī)制尚待進(jìn)一步研究予以明確。

3.3 國外有學(xué)者推測超聲波導(dǎo)致心肌除極的機(jī)制既不是超聲脈沖波寬度導(dǎo)致心肌細(xì)胞位移造成除極，也不是超聲波的機(jī)械縱波聲壓導(dǎo)致心肌細(xì)胞除極。較高的超聲波輻射聲力在心肌細(xì)胞除極過程中發(fā)揮了主要作用，最終導(dǎo)致細(xì)胞膜的除極和電興奮信號(hào)的產(chǎn)生和傳播。因此，在超聲波脈沖誘導(dǎo)的心室電除極過程中，超聲波聲學(xué)輻射力可能起到了重要作用[24]。但上述推論目前缺乏細(xì)胞分子水平的證據(jù)。

3.4 當(dāng)超聲波束撞擊心臟時(shí)，心肌組織內(nèi)部的超聲波聲學(xué)輻射力與心肌組織所能夠吸收的聲能成正比。心肌組織吸收的超聲波聲能越高，心肌組織所接受的超聲波聲學(xué)輻射力越大。決定心肌組織吸收超聲波聲能大小的主要因素包括心肌組織的聲能吸收系數(shù)和超聲波的聲束寬度兩大部分。調(diào)節(jié)超聲波的頻率等參數(shù)將同時(shí)改變超聲波束寬度和影響特定心肌組織的聲能吸收系數(shù)。

3.5 低頻高強(qiáng)度超聲波輻照有可能通過改變心肌細(xì)胞膜通透性和離子通道功能狀態(tài)，進(jìn)一步導(dǎo)致肌力相關(guān)離子的濃度分布發(fā)生變化。已知心肌收縮力增強(qiáng)可表現(xiàn)為細(xì)胞胞漿網(wǎng)內(nèi)Ca2+增多和心肌收縮功能及張力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致心肌細(xì)胞收縮力改變[25-28]。

3.6 盡管有學(xué)者認(rèn)為超聲波的熱效應(yīng)不是導(dǎo)致超聲波輻照心臟生物學(xué)效應(yīng)的主要機(jī)制；但也有研究結(jié)果提示，超聲波的熱效應(yīng)仍有可能在誘導(dǎo)心肌細(xì)胞的除極和增強(qiáng)心肌收縮力的過程中發(fā)揮了一定的作用[29]。

4 現(xiàn)有超聲波輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生心肌肌力改變相關(guān)研究的局限性

4.1 缺乏直接的超聲波輻照環(huán)境心肌細(xì)胞膜通透性和離子通道功能改變證據(jù)以及心肌細(xì)胞內(nèi)肌力相關(guān)離子分布和濃度改變證據(jù)。缺乏足夠的超聲波輻照聲能相關(guān)細(xì)胞分子水平心肌肌原纖維功能改變證據(jù)。超聲波輻照誘導(dǎo)心肌細(xì)胞正性肌力作用機(jī)制和產(chǎn)生條件不清。

4.2 缺乏足夠的超聲波輻照聲能效應(yīng)與局部和整體心肌功能狀態(tài)改變的時(shí)空關(guān)聯(lián)關(guān)系證據(jù)。

4.3 除我們前期預(yù)實(shí)驗(yàn)研究外，未見系統(tǒng)性的超聲造影劑存在環(huán)境超聲波輻照與心肌肌力改變的研究結(jié)果和結(jié)論。

4.4 已有的超聲波輻照誘導(dǎo)左心室局部和整體血流動(dòng)力學(xué)狀態(tài)和收縮功能研究結(jié)果存在矛盾。未能建立誘導(dǎo)產(chǎn)生心肌正性肌力效應(yīng)的超聲波輻照參數(shù)設(shè)置必要條件和最優(yōu)化條件。

5 超聲波輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生心肌肌力改變的進(jìn)一步假設(shè)

5.1 超聲波輻照所誘導(dǎo)產(chǎn)生心肌細(xì)胞膜通透性和肌力相關(guān)離子通道功能改變能夠?qū)е滦募〖?xì)胞內(nèi)的肌力相關(guān)離子分布和濃度發(fā)生改變，這最終導(dǎo)致單個(gè)心肌細(xì)胞和整體心肌細(xì)胞組織的收縮功能狀態(tài)發(fā)生改變，有可能導(dǎo)致正性的心肌局部和整體功能改變。

5.2 超聲波輻照導(dǎo)致的超聲造影劑微泡破裂能夠有助于提高心肌細(xì)胞膜通透性并增強(qiáng)上述超聲波聲能效應(yīng)。

6 超聲波輻照誘導(dǎo)產(chǎn)生心肌肌力改變研究的科學(xué)價(jià)值和潛在臨床價(jià)值

6.1 有可能為建立一種全新的無創(chuàng)性臨床心力衰竭物理治療方法提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并揭示超聲波輻照正性肌力作用的機(jī)制。

6.2 有可能為特定病因或特定階段的臨床心力衰竭患者提供一種非藥物的即時(shí)正性肌力增強(qiáng)技術(shù)手段。

7 小結(jié)與展望

超聲波輻照能在特定條件下產(chǎn)生心臟正性肌力作用。若能系統(tǒng)性證實(shí)超聲波輻照具有心臟正性肌力作用，系統(tǒng)性揭示和闡明其可能存在的細(xì)胞分子機(jī)制，在此基礎(chǔ)上通過關(guān)聯(lián)分析確立誘導(dǎo)產(chǎn)生正性肌力效應(yīng)的超聲波輻照參數(shù)必要條件和最佳條件，將開辟一個(gè)全新的心血管疾病治療學(xué)研究領(lǐng)域并有助于推動(dòng)心血管疾病非藥物治療學(xué)向前發(fā)展。因此，開展該領(lǐng)域的創(chuàng)新性研究可能產(chǎn)生的衍生成果對(duì)心血管病學(xué)臨床和基礎(chǔ)研究均具有十分重要的科學(xué)和實(shí)用價(jià)值。

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