脈沖電場用于心律失常消融的研究進(jìn)展

崔利軍 王永德

(泰達(dá)國際心血管病醫(yī)院心血管內(nèi)科，天津 300457)

脈沖電場消融(pulsed field ablation，PFA)是一種利用高振幅脈沖電場通過不可逆電穿孔(irreversible electroporation，IRE)機制對組織進(jìn)行消融的非熱消融技術(shù)。在腫瘤學(xué)等其他醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，IRE已被用作誘導(dǎo)靶向細(xì)胞死亡的治療模式。PFA目前被研究作為心律失常介入治療的替代能源。與其他能源相比，PFA的非熱性質(zhì)和獨特的組織特定損傷特性，使它可能具有卓越的安全性?，F(xiàn)對PAF相關(guān)生物學(xué)特點以及在心律失常消融領(lǐng)域的進(jìn)展進(jìn)行綜述。

1 PFA的生物物理學(xué)原理

PFA利用高壓電場在靠近目標(biāo)組織處產(chǎn)生損傷。電穿孔是因施加電場而改變細(xì)胞膜電位，在細(xì)胞膜上形成跨膜親水孔隙而導(dǎo)致滲透性增加。如果施加電場后細(xì)胞膜上的孔發(fā)生反轉(zhuǎn)，細(xì)胞就可存活，因此被稱為“可逆電穿孔”。可逆電穿孔誘導(dǎo)的瞬時通透性已被用作基因插入細(xì)胞的方法[1]以及在腫瘤組織中引入有效但不滲透的藥物[2-3]。如果在施加電場后細(xì)胞膜上產(chǎn)生的孔洞未反轉(zhuǎn)，則稱為IRE。不可逆的膜孔形成導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)外離子濃度趨于平衡，并由此導(dǎo)致細(xì)胞死亡，可能機制包括改變膜電壓梯度導(dǎo)致下游膜蛋白失活以及誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡導(dǎo)致的細(xì)胞死亡[4]。隨后，在臨床上被用于消融腫瘤組織。高壓電場可產(chǎn)生不可逆的電穿孔，由于脈沖持續(xù)時間短，加熱可忽略不計，并能通過傳導(dǎo)或?qū)α鞯姆绞娇焖傧?。這產(chǎn)生了一種非熱消融機制，以細(xì)胞膜為目標(biāo)，并保留細(xì)胞外基質(zhì)。由于PFA的組織特異性，進(jìn)而在腫瘤學(xué)以外的臨床領(lǐng)域也得到廣泛關(guān)注。

2 PFA后組織學(xué)表現(xiàn)以及對心肌組織的影響

PFA對組織的影響程度取決于組織特性、纖維取向和局部環(huán)境中的非均勻性。特定的組織特征如纖維取向已被證明會影響有效損傷灶的大小。當(dāng)細(xì)長的纖維取向與施加電場的電極平行時，損傷灶尺寸更大[5]。2007年有學(xué)者應(yīng)用直流電來實現(xiàn)IRE對豬的心臟進(jìn)行消融[6]。這是通過使用線性雙極電極實現(xiàn)的，組織學(xué)顯示實現(xiàn)透壁消融但無明顯的溫度升高，并在多個心臟部位進(jìn)行消融驗證[7]。PFA后在肉眼和組織學(xué)檢查顯示與射頻消融(radiofrequency ablation，RFA)有顯著差異。肉眼檢查顯示，PFA治療后的心肌與鄰近正常心肌組織的界限非常明顯。IRE后心肌組織的組織學(xué)變化不一，但消融病灶有明顯的邊界[8]。與附近未受影響的組織相比，病變的一致性表現(xiàn)為心肌細(xì)胞消失，結(jié)構(gòu)性細(xì)胞外基質(zhì)保留，以及殘余纖維化或成纖維細(xì)胞。一些研究比較了PFA與RFA引起的組織學(xué)病變。與RFA引起的損傷灶不同，PFA引起的損傷灶無凝固性壞死，但有肌纖維斷裂和炎癥。經(jīng)PFA治療的肺靜脈被正常結(jié)締組織包圍，而肺靜脈RFA導(dǎo)致肺靜脈周圍結(jié)締組織瘢痕、內(nèi)膜增生、心肌壞死和彈性膜增生。與RFA相比，PFA導(dǎo)致了更為均勻的纖維化重構(gòu)，在損傷灶中很少有孤立存活的心肌細(xì)胞。PFA不引起心外膜脂肪炎癥，損傷灶內(nèi)的動脈也未受影響，而RFA常導(dǎo)致動脈內(nèi)膜增生和血栓形成。最后，與RFA相比，PFA損傷灶內(nèi)未發(fā)現(xiàn)由于對流冷卻作用而在動脈周圍有心肌存活的跡象。兩種能量方式均未顯示有心內(nèi)膜血栓形成[8]。長期來看，由PFA引起的損傷灶表現(xiàn)為均質(zhì)纖維化，無心內(nèi)膜破裂，很少殘留局部存活的心肌細(xì)胞，而且引起最小的動脈重構(gòu)，減小對血管的損傷。

3 PFA與RFA在消融速度、接觸依賴及電生理學(xué)方面的比較

熱消融技術(shù)需幾秒鐘到幾分鐘實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)溫度梯度，近幾年RFA的高功率和短時程消融策略也是討論熱點，但完全的肺靜脈隔離仍需較長時間[9]。相比之下，PFA的效果幾乎是瞬間的，一次PFA在一次心跳內(nèi)完成，3～4次PFA通常會造成透壁損傷灶。因此，如果使用環(huán)狀電極導(dǎo)管，可在4次心跳內(nèi)實現(xiàn)靜脈隔離。實際上，包括消融期間在肺靜脈內(nèi)放置導(dǎo)管，以及做重疊損傷病灶以確保永久靜脈隔離，預(yù)計單側(cè)靜脈隔離在1～2 min內(nèi)可以實現(xiàn)。因此，總手術(shù)時間60～90 min可常規(guī)完成四根靜脈隔離[10]。對于熱消融方式，實現(xiàn)導(dǎo)管和組織接觸至關(guān)重要，以達(dá)到適當(dāng)?shù)牟≡畲笮『皖A(yù)期效果。不充分的接觸和由此產(chǎn)生的不完全透壁損傷往往是心房顫動(房顫)消融后復(fù)發(fā)的原因。與熱消融模式不同，PFA不是接觸依賴的，它是利用電場原理，要求與組織接近就可以。影響因素包括施加電壓的大小和傳遞電壓的距離，增加電壓將導(dǎo)致對組織的影響增加，這種效應(yīng)稱為與電場強度的相關(guān)性[11]。PFA依靠電場的產(chǎn)生，而不依賴直接接觸內(nèi)膜的程度，是一個非常有吸引力的替代RFA治療肺靜脈的方法。PFA的直接作用是破壞心肌細(xì)胞膜，這是導(dǎo)致心肌組織傳導(dǎo)阻滯和肺靜脈等組織電隔離的機制[8]。研究表明，電穿孔可導(dǎo)致肺靜脈電位降低以及有效破壞神經(jīng)節(jié)叢[12]。有研究顯示，當(dāng)PFA靶向消融犬心臟的浦肯野纖維時，可明顯降低電位和易損窗口[11]。在一項研究中，消融電極雙極記錄的局部電圖振幅在PFA組中有67.5%降低到<0.5 mV，而RFA組只有27.0%降低到<0.5 mV(P<0.001)。此外，100%的 PFA和92.0%的 RFA在消融后起搏失奪獲(P=0.005)[8]。

4 PFA的組織特異性

4.1 心肌組織的敏感性

單個組織對特定的電場強度有獨特的敏感性。PFA可提高安全性，因為心肌似乎對這種方式的損傷有很高的敏感性。未成熟心肌細(xì)胞的細(xì)胞系已被用于建立心肌細(xì)胞跨膜信號轉(zhuǎn)導(dǎo)的模型。與其他細(xì)胞組織相比，這種細(xì)胞系具有較低的生存閾值，脈沖強度>375 V/cm可導(dǎo)致穩(wěn)定的心肌細(xì)胞破壞[13]。在心臟內(nèi)部，不同的區(qū)域?qū)﹄姶┛子胁煌拿舾行?，心室心?nèi)膜比心外膜更容易發(fā)生電穿孔。為什么心臟組織對低電場更敏感的確切機制尚不完全清楚，但可能與細(xì)胞大小、細(xì)胞運動方向與電場作用方向不同、細(xì)胞膜特征以及對非特異性陽離子進(jìn)入細(xì)胞的敏感性有關(guān)。

4.2 肺靜脈

Ha?ssaguerre等[14]的開創(chuàng)性工作確定了肺靜脈是誘發(fā)房顫的主要誘因。這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了電生理學(xué)領(lǐng)域，并開始對局灶性誘因進(jìn)行定向RFA和對肺靜脈開口行電隔離。盡管它可減少房顫復(fù)發(fā)，但它最初導(dǎo)致了較高的肺靜脈狹窄率。從肺靜脈口消融到前庭消融減少了這種風(fēng)險，但并不能完全消除。利用熱消融方式實現(xiàn)肺靜脈隔離一直在有效性和安全性之間尋找平衡點，而PFA可能為這一挑戰(zhàn)提供一個獨特的解決方案。van Driel等[15]最初的動物研究將PFA直接應(yīng)用于肺靜脈口，并使用環(huán)狀導(dǎo)管以單極方式輸送直流電流，對比觀察RFA 3個月后，PFA組證明在肺靜脈內(nèi)形成透壁損傷但未發(fā)現(xiàn)狹窄，而RFA組出現(xiàn)明顯的肺靜脈狹窄。一項使用球囊型導(dǎo)管雙極高壓脈沖的動物研究顯示，對肺靜脈進(jìn)行透壁損傷消融，同樣未觀察到肺靜脈狹窄[16]。Stewart等[8]的動物研究將這些病變與射頻產(chǎn)生的病灶進(jìn)行比較，組織學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)均質(zhì)化替代纖維化，也證明脈沖消融在肺靜脈內(nèi)的透壁損傷并未產(chǎn)生狹窄。與RFA相比，從目前的臨床試驗結(jié)果來看，似乎并不擔(dān)心PFA會引起肺靜脈狹窄[17-20]。

4.3 食管

應(yīng)用RFA及冷凍消融實施肺靜脈隔離術(shù)最可怕的并發(fā)癥是左心房后壁消融對食管的附帶損傷，并形成心房食管瘺。熱損傷不局限于心包膜，并可延伸至食管前部。PFA可引起最小的食管損傷[21]。Hong等[22]直接將脈沖電場應(yīng)用于食管上，電穿孔損傷的特點是只損傷肌層，而保留上皮和肌層黏膜；相反，RFA損傷導(dǎo)致食管壁受壓，外膜、上皮細(xì)胞和肌層的破壞。Neven等[23]直接對豬食道組織進(jìn)行電穿孔線性消融，消融兩個月后未發(fā)現(xiàn)組織學(xué)改變，在達(dá)到足夠的心房透壁消融的能量水平時而不對食道產(chǎn)生影響。食道為何對電穿孔損傷不敏感的機制尚不清楚，但PFA似乎是一種安全的方式。

4.4 冠狀動脈

由冷凍和射頻等消融能量形成的損傷灶可通過附近冠狀動脈和靜脈血流的對流來減少，也被稱為冷/熱沉降效應(yīng)。PFA在不依賴?yán)錈嶙兓那闆r下產(chǎn)生損傷灶，因此不受附近血流的限制。盡管對流冷卻確實對RFA造成的動脈損傷有保護(hù)作用，但如果RFA在非常接近動脈或靜脈的位置進(jìn)行，就會發(fā)生血管狹窄或閉塞[24]。然而，一項在大鼠頸動脈進(jìn)行PFA的實驗顯示血管細(xì)胞外結(jié)構(gòu)也未見明顯損傷[25]。另有動物研究也表明PFA后3周和3個月隨訪時心臟血管未見管腔狹窄[23]。有兩種可能的解釋，一種是冠狀動脈周圍的結(jié)締組織有一個廣泛的細(xì)胞外網(wǎng)絡(luò)，這限制了大細(xì)胞的數(shù)量和IRE的損傷范圍；另一種解釋可能是血管周圍的結(jié)締組織電阻率高。雖然機制不是非常清楚，目前認(rèn)為當(dāng)PFA應(yīng)用于心臟血管系統(tǒng)附近時是安全的。

4.5 膈神經(jīng)

膈神經(jīng)的損傷考慮是由于鄰近心臟熱消融的位置導(dǎo)致的。一些動物研究表明，PFA對膈神經(jīng)的影響很小，也有人認(rèn)為任何間接神經(jīng)損傷都是暫時的[25]。van Driel等[26]在上腔靜脈內(nèi)進(jìn)行心內(nèi)膜IRE，目的是驗證是否會損傷膈神經(jīng)，結(jié)果表明在可造成透壁心肌損傷的同時，并未發(fā)現(xiàn)對膈神經(jīng)產(chǎn)生功能或組織學(xué)損傷。

5 脈沖電場在心律失常消融的應(yīng)用經(jīng)驗

目前 PFA在房顫的肺靜脈隔離、心臟自主神經(jīng)節(jié)叢、希氏束-浦肯野纖維和心室內(nèi)膜上已實現(xiàn)了成功消融[11，27-29]。Reddy等[10]在2018年首次將PFA應(yīng)用于人類房顫的肺靜脈隔離術(shù)，該研究顯示了PFA很大的應(yīng)用前景，術(shù)中使用單相波形的雙極PFA，實現(xiàn)100%的急性肺靜脈隔離率而且無嚴(yán)重并發(fā)癥。然而，一項評估PFA治療陣發(fā)性房顫的研究中，隨訪3個月后結(jié)果顯示，有18%的患者仍保持所有肺靜脈隔離。隨著系統(tǒng)的不斷改善和術(shù)者經(jīng)驗的積累，納入IMPULSE和PEFCAT兩項試驗共81例患者，術(shù)后3個月隨訪時患者的肺靜脈隔離率逐步提高到100%，并發(fā)癥發(fā)生率非常低。隨訪1年，87.4%±5.6%的患者無再發(fā)心律失常事件[29]，這些研究都未發(fā)現(xiàn)肺靜脈狹窄。然而對于持續(xù)性或永久性房顫，單純肺靜脈隔離可能是不足夠的，需聯(lián)合其他消融術(shù)式。Reddy等[30]的一項研究評估PFA在持續(xù)性房顫的應(yīng)用效果，共納入25例持續(xù)性房顫患者，行雙側(cè)肺靜脈隔離及左房后壁消融，肺靜脈和左房后壁平均消融時間分別是22 min和10 min，急性成功率100%。隨訪2～3個月重復(fù)驗證發(fā)現(xiàn)，使用Pentaspline導(dǎo)管的96%(82/85)的肺靜脈和100%(21/21)的左房后壁保持電隔離，他們認(rèn)為將PFA擴展到持續(xù)性房顫的消融是安全可靠的。

Padmanabhan等[31]的一項動物研究評價了IRE在犬的心臟神經(jīng)節(jié)叢應(yīng)用的有效性和安全性，結(jié)果顯示在21個位點中的20個(95.2%)成功地產(chǎn)生了有效損傷灶，同時無食道、鄰近的大動脈或肺靜脈受損，他們認(rèn)為采用IRE可安全、有效、有選擇性地對心臟神經(jīng)節(jié)叢進(jìn)行心外膜消融。

希氏束-浦肯野纖維在多種不同室性心律失常的發(fā)生和維持中起著關(guān)鍵作用?；诮M織的特異性，通過調(diào)節(jié)PFA的參數(shù)可達(dá)到消融不同組織的目的，一項離體的動物實驗顯示PFA可靶向消融浦肯野纖維組織，顯著降低心室顫動的易損窗口，無法再次誘發(fā)心室顫動[11]。Sugrue等[13]進(jìn)一步在體內(nèi)模型中證實PFA對浦肯野纖維靶向消融提供了一種新穎和安全的方法，而且對下層心肌無明顯損傷。

Koruth等[32]的一項臨床前研究是在豬的左、右心室內(nèi)膜進(jìn)行消融，PFA治療后可在顯著降低電位的同時無室性心律失常產(chǎn)生，消融后起搏閾值明顯升高或失奪獲。在消融損傷灶中，纖維組織均勻取代了肌細(xì)胞，周圍有一個狹窄的肌細(xì)胞溶解區(qū)，而神經(jīng)束和血管則被保留在纖維化周圍，心內(nèi)膜病變愈合良好，無任何表面破裂或血栓黏附。Koruth等[32]認(rèn)為PFA在心室消融時可產(chǎn)生均勻的心肌特異性損傷，而且是安全的。目前仍有許多評估PFA安全性和有效性的臨床試驗正在進(jìn)行中。

6 可能存在的安全問題

目前PFA主要是通過直流脈沖發(fā)生器實現(xiàn)的，直流電作用在血液中可能會導(dǎo)致電解和氣體的形成。在高輸出PFA期間，可通過心內(nèi)超聲心動圖觀察到微泡的形成，這與過量的電流輸出有關(guān)，可能會增加無癥狀腦栓塞的風(fēng)險。但在使用PFA期間觀察到微泡形成非常有限的病例中，有一小部分患者接受了消融前后腦磁共振成像檢查，并未發(fā)現(xiàn)無癥狀性腦栓塞的證據(jù)[33]。這需進(jìn)一步繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究。盡管目前進(jìn)行了大量關(guān)于PFA的研究，臨床實踐中PFA系統(tǒng)也已進(jìn)行多次優(yōu)化，但想要在達(dá)到組織特異性消融的同時極大地降低副作用，仍然很難優(yōu)化電場水平、脈沖持續(xù)時間、脈沖數(shù)量、脈沖頻率以及它們的組合[34]。

7 總結(jié)與展望

PFA是依靠IRE機制造成組織破壞的新型心律失常消融方式。因其具有的組織特異性和非熱消融等優(yōu)點，在心律失常的消融治療方面，特別是肺靜脈隔離治療房顫方面，顯示是一種有吸引力的能源，因為它可在肺靜脈內(nèi)迅速產(chǎn)生有效的透壁損傷灶，而不會導(dǎo)致肺靜脈狹窄。PFA似乎產(chǎn)生了非熱性質(zhì)的損傷灶，心臟組織也對PFA更敏感，這些特征可減少并發(fā)癥損傷。將來仍需對PFA進(jìn)行進(jìn)一步的研究，以驗證其安全性以及與現(xiàn)有能量消融方式相比的潛在優(yōu)勢。