心臟無導(dǎo)線起搏及生物起搏研究進(jìn)展

李敏綜述 王安才審校

綜 述

心臟無導(dǎo)線起搏及生物起搏研究進(jìn)展

李敏綜述 王安才審校

無導(dǎo)線起搏；超聲能量介導(dǎo)；生物起搏；基因工程

心臟起搏器技術(shù)自1958年問世以來，已應(yīng)用于緩慢心律失常、心源性猝死的預(yù)防及心臟再同步治療的患者，取得可觀成效。起搏器經(jīng)歷了從初期的大型到后來的小型化，然而微創(chuàng)和降低并發(fā)癥是起搏器更新?lián)Q代的驅(qū)動力，起搏器本身產(chǎn)生的并發(fā)癥如導(dǎo)線折斷、脫位及絕緣層破裂、導(dǎo)線與脈沖發(fā)生器連接問題及靜脈血栓形成等，使得無導(dǎo)線心臟起搏技術(shù)得以長足發(fā)展。另一方面，心臟生物起搏由于其生物環(huán)保、更接近人體正常生理節(jié)律，近些年來成為學(xué)者們研究的新寵，備受推崇。

1 無導(dǎo)線心臟起搏技術(shù)

1.1 無導(dǎo)線心臟直接起搏 即微型化無導(dǎo)線心臟起搏器，俗稱“子彈頭”，微型無導(dǎo)線起搏器是一種直接可把電極整合入脈沖發(fā)生器的起搏裝置，起搏陰、陽極位于頭、尾兩端，其頭部的4根金屬絲可螺旋倒鉤于心肌而主動固定起搏器，無需經(jīng)靜脈植入心內(nèi)膜導(dǎo)線及外科手術(shù)制作囊袋，并發(fā)癥少[1]。美國Nanostim公司于2012年底制作的無導(dǎo)線心臟起搏器(leadless cardiac pacemaker，LCP)，可經(jīng)股靜脈系統(tǒng)植入心臟內(nèi)行起搏功能，關(guān)于其在人體中的安全性及可行性，有學(xué)者作了臨床測試[2]，入選的33例患者，其中術(shù)中成功率97%，2例出現(xiàn)術(shù)后并發(fā)癥(1例輕度腹股溝血腫、1例心臟穿孔繼發(fā)心包壓塞)。Koruth等[3]利用健康羊模型進(jìn)行LCP植入研究，該研究中的LCP植入時的起搏閾值：(1.2±0.7)V，R波感知：(9.1±3.9)mV；90 d后隨訪時的起搏閾值：(0.7±0.2)V，R波感知：(8.1±3.9)mV，它們之間的起搏參數(shù)(閾值、R波感知)差異無統(tǒng)計學(xué)意義。Sperzel等[4]在羊模型完成LCP植入后的159～161 d時進(jìn)行了拔除實驗，10只羊的LCP均獲得成功拔除，整個過程中平均耗時少，且未出現(xiàn)穿孔、栓塞等不良事件。2015年4月，Medtronic公司推出一款全球最小的無導(dǎo)線心臟起搏器Micra TPS，基于一項涉及60例患者的安全性和有效性評估研究，因此獲得了歐盟CE認(rèn)證，Micra TPS似一顆大粒的維生素膠囊，其體積、重量僅為傳統(tǒng)起搏器的1/10，使用壽命8～10年，Micra TPS通過股靜脈系統(tǒng)植入后直接附在心臟內(nèi)壁上，其末端電極直接發(fā)出電脈沖進(jìn)行起搏，而且能夠兼容MR掃描。一項Micra TPS全球臨床試驗，計劃在50個臨床中心納入780例患者，并將在2015年美國心律學(xué)會(HRS2015)上公布研究結(jié)果[5]。2015年2月阜外醫(yī)院完成我國首例微型化無導(dǎo)線起搏器植入術(shù)，入選的該例男性患者，Holter檢查提示房顫伴R-R長間歇(達(dá)6 s)，但既往患者有糖尿病足并反復(fù)破潰感染病史，若采取傳統(tǒng)方法起搏存在易感染及術(shù)后愈合困難的風(fēng)險，阜外醫(yī)院使用的MicraTM無電極導(dǎo)線起搏器經(jīng)股靜脈系統(tǒng)以“袖珍膠囊”的形式直接植入患者心腔內(nèi)部，手術(shù)順利，術(shù)中起搏參數(shù)測試滿意，術(shù)后恢復(fù)可，無不良并發(fā)癥。

1.2 超聲介導(dǎo)的無線心臟起搏 即經(jīng)過體表通過超聲能量傳輸方式給予心臟起搏；該系統(tǒng)由放置在體外(臨時)或埋植在體內(nèi)(永久)的超聲發(fā)射器不斷產(chǎn)生波束穿過胸壁的超聲聲學(xué)窗口向植入心內(nèi)膜下心肌內(nèi)的超聲接收器提供超聲波，超聲接收器將其轉(zhuǎn)化為起搏電脈沖，進(jìn)而有效起搏心臟[6]。

Echt 等[7]利用豬心模型進(jìn)行超聲心臟起搏研究。利用 5 頭豬心進(jìn)行了可行性研究，該研究中，超聲無導(dǎo)線起搏起搏閾值(1.3±0.4)V與直接電脈沖起搏起搏閾值(1.4±0.5)V相比，它們之間的起搏閾值及有效起搏率差異無統(tǒng)計學(xué)意義(P=0.14)。利用 6 頭豬心進(jìn)行了超聲起搏心臟的安全性研究，該研究中反映機械損傷指數(shù)MI為0.5(正常范圍為0.1～1.2)及反映熱損傷指數(shù)TI為0.006，結(jié)果提示未有機械損傷及熱損傷；使用超出起搏閾值3～4倍的能量進(jìn)行2 h超聲波發(fā)放時亦未發(fā)現(xiàn)明顯的心肌組織損傷，提示超聲能量具有很好的安全性。Lee等[8]于2007年首次進(jìn)行了關(guān)于人體臨時性超聲無導(dǎo)線心臟起搏的臨床研究測試，入選了男女各12例患者，在患者心臟右房、右室及左室 80 個部位均能夠持續(xù)性奪獲，發(fā)射器距離接收器平均(11.3±3.2)cm，產(chǎn)生的起搏信號平均閾值為(1.01±0.64)V；同時發(fā)現(xiàn)在連續(xù)12 s的有效起搏過程中，患者亦未有明顯不適主訴。研究表明該項技術(shù)在人體應(yīng)用中安全可行。針對人體采用的永久性超聲無導(dǎo)線心臟起搏，Auricchio等[9]于2014年發(fā)表了最新進(jìn)展，該研究報告的13例患者均為有CRT適應(yīng)證的心力衰竭患者，是歐洲 WiSE-CRT(無導(dǎo)線左心室心內(nèi)膜起搏再同步化治療)研究病例的一部分，相對于傳統(tǒng)CRT的左室心外膜起搏，左室內(nèi)膜起搏可減少左室機械收縮的不同步及心室復(fù)極離散度，更具生理性，隨著WiCS-LV系統(tǒng)(超聲無導(dǎo)線左室起搏系統(tǒng))的植入，并對其進(jìn)行6個月的隨訪，11例患者心臟超聲LVEF、LVEDV及LVESV等指標(biāo)均有明顯改善，Holter檢查提示雙室同步起搏后的QRS波時限明顯減少，2/3的患者NYHA 心功能分級至少改善一個等級；安全性方面，術(shù)中1例患者左室不起搏，3例患者發(fā)生心包積液，其中1例死亡。

1.3 電磁能介導(dǎo)的無線心臟起搏 即經(jīng)過體表通過磁能量傳輸方式給予心臟起搏。Wieneke等[10]首先進(jìn)行了由磁感應(yīng)進(jìn)行心臟起搏的研究，并證實具有可行性，其中該系統(tǒng)磁場強度設(shè)置為0.5 mT，發(fā)射器距離接收器3 cm，產(chǎn)生的起搏信號閾值為0.6～1.0 V，脈寬0.4 ms。隨后進(jìn)一步就羊模型進(jìn)行可行性研究，研究對象納入羊3個右心室、2個左心室的心臟位點，結(jié)果表明，在磁能量發(fā)射器距離接受器6.2～10.2 cm范圍，均可實現(xiàn)有效起搏。

無導(dǎo)線心臟起搏技術(shù)具有獨特性，但仍有需解決的問題如：(1)人體長期接觸超聲波及電磁場，目前缺乏大量臨床樣本說明其是否具有危害性；(2)超聲起搏存在諸多需解決的技術(shù)要點，包括如何選擇有效起搏靶點，應(yīng)用右室起搏系統(tǒng)時如何設(shè)置、調(diào)控及測試右房與右室不同脈寬的起搏脈沖；(3)電磁場介導(dǎo)的無線心臟起搏能否避免自然界電磁場干擾，目前缺乏相關(guān)文獻(xiàn)及臨床證據(jù)，有待更進(jìn)一步的研究；(4)如何解決能量傳輸過程中損耗的問題，以避免頻繁更換器械；(5)無導(dǎo)線起搏技術(shù)的電極尚不能應(yīng)用于除顫，仍需技術(shù)改進(jìn)。

2 心臟生物起搏技術(shù)

心臟生物起搏是指運用細(xì)胞分子生物學(xué)及其相關(guān)技術(shù)，對受損的節(jié)律點或特殊傳導(dǎo)系統(tǒng)的組織進(jìn)行修復(fù)和替代，使心臟的起搏和傳導(dǎo)功能得以恢復(fù)。

2.1 基因生物起搏

2.1.1 超級化激活的環(huán)腺苷酸門控蛋白(HCN)：HCN是起搏電流If形成的分子基礎(chǔ)，cAMP能夠與HCN的胞內(nèi)區(qū)C端結(jié)合，進(jìn)而調(diào)控HCN通道的電壓激活特性，使其趨于激活電壓，當(dāng)細(xì)胞內(nèi)存在高濃度cAMP時，可加速通道的激活，并使之開放更完全。HCN通道包括HCN1-4四個亞型，在人體心臟中HCN1、 HCN4主要存在于竇房結(jié)，其中HCN4為最主要的構(gòu)型，HCN4及其介導(dǎo)的起搏電流If是竇房結(jié)細(xì)胞4期自動去極化形成的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[11]，既往學(xué)者們大都通過將HCN基因修飾干細(xì)胞后并在體外誘導(dǎo)分化為起搏樣細(xì)胞，但近期研究發(fā)現(xiàn)，在移植過程中不可避免地出現(xiàn)起搏功能退化或消失的現(xiàn)象[12，13]，僅僅依靠重建If的離子通道很難獲得穩(wěn)定而有效的生物起搏點。

2.1.2 Tbx[T-box]基因：Tbx基因家族是繼起搏基因HCN之后新近研究的轉(zhuǎn)錄因子，包括Tbx1、Tbx2、Tbx3、Tbx5、Tbx18及 Tbx20等，其中多項研究證據(jù)顯示Tbx3在竇房結(jié)細(xì)胞分化成熟中發(fā)揮重要作用[14]。Bakker等[15]將構(gòu)建的超表達(dá)Tbx3的心室肌模型通過運用全細(xì)胞膜片鉗及基因芯片技術(shù)發(fā)現(xiàn)，Tbx3在心臟起搏組織發(fā)育過程中起到重要作用，而且能夠?qū)⒊墒煨募〖?xì)胞的基因序列進(jìn)行重新設(shè)定，使其分化成起搏樣細(xì)胞。董皓等[16]成功構(gòu)建了同時攜帶HCN4、Tbx3基因及EGFP基因(增強型綠色熒光蛋白基因)的慢病毒載體，為通過HCN4聯(lián)合Tbx3基因長期穩(wěn)定的表達(dá)構(gòu)建生物起搏器的后續(xù)實驗研究奠定了基礎(chǔ)。

2.1.3 抑制細(xì)胞復(fù)極電流：心室肌細(xì)胞也具有起搏的潛能，正常情況下被內(nèi)向整流鉀電流(Ik1)抑制，Miake等[17]將原表達(dá)Ik1的基因通過人工干預(yù)的方式致其基因突變，并導(dǎo)入豚鼠的心室肌細(xì)胞，成功抑制了Ik1的表達(dá)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)此時心室肌細(xì)胞表現(xiàn)出自發(fā)動作電位。

2.2 細(xì)胞生物起搏

2.2.1 胚胎干細(xì)胞移植：胚胎干細(xì)胞(embryonic stem cells，ESC)是從哺乳動物早期胚胎(原腸胚期之前)或原始性腺中分離出來的一類細(xì)胞，它具有體外培養(yǎng)無限增殖、自我更新和多向分化的特性。2004年，Kehat等[18]將由胚胎干細(xì)胞聚集產(chǎn)生的類胚體分化的心肌細(xì)胞和鼠的心肌細(xì)胞共同培養(yǎng)，并證實這種胚胎干細(xì)胞源性的心肌細(xì)胞能夠與鼠的心肌細(xì)胞產(chǎn)生電—機械耦連，同時將其移植到高度房室傳導(dǎo)阻滯豬心的左室側(cè)后壁，移植位點的心肌細(xì)胞表現(xiàn)可誘導(dǎo)出規(guī)整的、并能夠維持血流動力學(xué)穩(wěn)定的室性心律，而且能夠與受體心肌細(xì)胞形成縫隙連接(connexin43和connexin45，Cx43和Cx45)。

2.2.2 骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞移植：骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)是存在于骨髓中的具有高度自我增殖能力及多系分化潛能的干細(xì)胞群體，在修復(fù)損傷心肌及建立心臟起搏點方面有很大臨床應(yīng)用潛力。骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞作為心臟起搏“種子”細(xì)胞，內(nèi)源性起搏電流較弱，研究人員通過干細(xì)胞作為載體，將目的基因轉(zhuǎn)染 BMSCs后導(dǎo)入宿主細(xì)胞，使其起搏電流增強以發(fā)揮起搏效應(yīng)。矮小同源盒基因亞型2(short stature homobox2，Shox2)是近年來發(fā)現(xiàn)的參與胚胎心臟早期發(fā)育的轉(zhuǎn)錄調(diào)控因子，可顯著抑制Nkx2.5并有效上調(diào)HCN4的表達(dá)，Espinoza-Lewis 等[19]證實了Shox2基因突變以及在竇房結(jié)Nkx2.5出現(xiàn)異位表達(dá)時均對竇房結(jié)發(fā)育產(chǎn)生不利影響。羅首鳴等[20]利用慢病毒載體將Shox2基因轉(zhuǎn)染到cBMSCs的基因組中，在心肌微環(huán)境的誘導(dǎo)條件下，攜帶外源基因的cBMSCs產(chǎn)生了生物起搏離子流If，可高表達(dá)HCN4、Tbx3、Cx45等竇房結(jié)標(biāo)志性基因。

2.2.3 其他細(xì)胞：目前應(yīng)用于細(xì)胞生物起搏研究的還有同種異體竇房結(jié)細(xì)胞移植、臍帶血細(xì)胞移植等。

細(xì)胞生物將期待解決的問題有：(1)如何促使胚胎干細(xì)胞定向分化成自律性細(xì)胞，并且對其有效地鑒別、分離及純化；(2)胚胎干細(xì)胞移植對缺血十分敏感，且不易擴增，同時面臨缺乏長期穩(wěn)定性、有悖倫理及致畸胎瘤性問題；(3)目前干細(xì)胞移植技術(shù)還不成熟，如開胸手術(shù)移植創(chuàng)傷大；經(jīng)心內(nèi)膜下注射心肌途徑可能誘發(fā)惡性室性心律失常；(4)Esmailpour等[21]研究發(fā)現(xiàn)適當(dāng)強度的Tbx3能夠抑制抑癌基因p14ARF的表達(dá)，故可能存在腫瘤發(fā)生的生物安全性問題；(5)Miake等[22]后來又通過實驗證實了心室肌低表達(dá)Ik1會導(dǎo)致復(fù)極化延長而提高了致心律失常的風(fēng)險，故此種方式作為生物起搏有待商榷。

綜上所述，無導(dǎo)線心臟起搏技術(shù)目前處于臨床驗證階段，且收獲較好評價，具有廣泛應(yīng)用前景。細(xì)胞起搏及基因生物起搏尚處于體外及動物實驗階段，目前就分子水平下起搏機制已漸明確，但仍有諸多技術(shù)問題需要解決。通過學(xué)者們的不懈努力，相信在不久的將來服務(wù)于患者。

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241000 蕪湖，皖南醫(yī)學(xué)院弋磯山醫(yī)院老年醫(yī)學(xué)科

王安才，E-mail:yjswac@sina.com

10.3969 / j.issn.1671-6450.2015.11.032

2015-07-02)