心力衰竭物理治療的新路徑
——超聲波輻照誘導正性肌力的基礎和臨床研究*

尹立雪

(四川省醫學科學院·四川省人民醫院·超聲心臟電生理學與生物力學四川省重點實驗室，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。據衛生部心血管病防治研究中心報告，2008～2009年我國現有心血管疾病患病人數達2.3億，其中具有明顯臨床癥狀的心力衰竭患病人數高達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，患病人數持續增長。2016年國家心臟中心采樣調查結果顯示， 中國心力衰竭患病率已達到1.3%，現癥患者有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個人中就有1個(20%)有罹患心衰的風險。但是，目前臨床能夠采用的心力衰竭強心治療方法有限，主要包括藥物治療(如：地高辛、多巴酚丁胺、氨力農和米力農等)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時間短，療效有限，副作用大。終末期心力衰竭患者必須進行電機械矯正、機械輔助或心臟移植治療，其治療成本高，風險大。建立一種全新的臨床能夠常規持續應用的無創性心力衰竭正性肌力治療方法是心血管病學基礎和臨床研究所面臨的重大挑戰。本文就心力衰竭物理治療的新路徑——超聲波輻照誘導正性肌力的基礎和臨床研究現狀及進展做一述評。

1 超聲波輻照誘導產生心肌肌力改變的基礎實驗依據

1.1 早在1929年美國生理學家Harvey已經發現應用100kHz頻率的超聲波輻照兩棲類動物的裸露心臟能夠誘導出心肌收縮[2]。但由于當時技術條件的限制，這一實驗發現未能得到重視和充分的利用。上世紀九十年代以來，心臟電生理學和超聲醫學界開始重新嘗試采用超聲波進行心臟的起搏治療。1991年，Richard 等[3]發表論文提出超聲波具有起搏作用。1991～1994年Dalecki和Delius等報告證實，采用高強度單脈沖超聲波，當脈沖波寬度為數個毫秒，超聲波脈沖峰值強度大于5MPa時就能夠對心臟的功能產生確切的生物學效應，其中包括導致心室早搏和主動脈壓力的減低。與此同時，他們發現上述超聲波生物學效應不僅能在兩棲爬行類動物的心臟誘導出來，還能在哺乳動物(如：豬和狗)心臟上誘導出來。其他學者重復了上述實驗過程并獲得了相同的實驗結果[4-9]；研究同時發現，盡管超聲造影劑流動于毛細血管內，注射超聲造影劑仍然能夠增強起搏效應。

1.2 現有研究已經證實，采用超聲波對組織細胞進行輻照時，超聲波導致的空化和沖流過程可使被輻照組織細胞壁和質膜等被擊穿,產生可逆或不可逆的小孔,即超聲“聲孔效應” (sonoporation)[10]。聲孔效應是超聲波輻照在生物體內最直接的效應表現。有學者在實驗中觀察到了兩種聲孔效應,即可修復性聲孔效應和致死性聲孔效應，這兩種效應是同一機制、作用程度不同的兩種表現形式[11-12]。超聲造影劑存在環境中進行超聲波輻照可使聲孔效應更為明顯。造影劑濃度低時表現為可修復性聲孔效應;當輻照時間延長或造影劑濃度增大時,細胞膜上發生的聲孔無法修復即致死性聲孔效應。空化閾值是指導致空化效應發生的最低超聲波強度值,當輻照強度低于瞬態空化閾值時,聲孔效應由微束產生；高于瞬態空化閾值時,聲孔效應則在不均一的微泡萎陷時產生。聲孔效應的存在將改變細胞膜的通透性，并有可能導致心肌細胞膜離子通道狀態發生改變。有研究表明膜通道功能改變多發生在空化效應穩定之前，即一旦空化效應穩定，膜通道功能將會相對穩定。

1.3 上世紀八十年代以來， Forester等[13]采用963kHz超聲波發射頻率，強度為0.25、0.5、1.0、2.0W/cm2的連續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現心肌收縮力增強現象，且收縮的最大速度與超聲波輻照強度呈線性相關。同期研究證實心肌細胞的動作電位第3相延長，心肌細胞環境中Ca2+離子濃度改變與心肌細胞的肌力改變相關。已有基礎實驗研究發現超聲波輻照可導致正性和負性的心肌細胞肌力改變，正性肌力作用僅發生在大約20%的被超聲波輻照心肌，其正性肌力增加幅度可達到18%。這提示不同的超聲波輻照參數設置，可能會導致不同程度和方向的心肌肌力變化。

1.4 超聲波輻照導致心臟整體功能和血流動力學改變的研究結果尚存爭議。2000年Greenberg曾報告采用1MHz和2W/cm2強度超聲波輻照鼠離體心臟15分鐘，未能誘導產生確切的血流動力學改變，左心室壓力在不同超聲波輻照觀察時相(每間隔5分鐘)均未發生明顯變化[14-15]。但是，2006年Kuma等[16]采用1MHz高強度連續波超聲波輻照豚鼠心臟發現，輻照后左心室收縮壓力和主動脈血流量明顯增加，同時左心室舒張末期壓力明顯減低。這進一步提示不同的超聲波輻照參數設置將會誘導產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實驗研究結果提示，在單純治療劑量超聲波輻照和治療劑量超聲波輻照聯合超聲造影劑并未導致11只比格犬開胸動物模型在顯微鏡和電子顯微鏡下出現明顯的心肌細胞和血管損傷，部分心室壁節段心肌徑向應變出現了增強現象[17-18]，見圖1和圖2。 第二階段預實驗結果進一步證實，采用診斷劑量超聲波聯合超聲造影劑輻照6只比格犬開胸模型導致左心室心內膜下和心外膜下心肌周向應變均有顯著增強，其中心內膜下心肌周向應變值明顯高于心外膜下心肌周向應變值。推論診斷劑量超聲波輻照聯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 我們前期基礎實驗研究采用超聲心動圖組織多普勒成像進行電刺激蛙骨骼肌機械收縮觀察已經確定，采用超聲心動圖組織多普勒成像技術能夠準確觀察到電極位點局部骨骼肌結構及其肌力狀態變化[20],見圖4。

圖1第一階段Beagle犬預實驗結果(n=11)
Figure1ThefirstphasestudyresultsofpilotexperimentonBeaglemodels

注：各種狀態二尖瓣水平前間隔徑向應變—時間曲線：可見(圖中箭頭所示黃色曲線)在各狀態較基礎水平徑向應變有一增大趨勢，其中在超聲波輻照造影后即刻、20min、40min及60min組差異有統計學意義(P<0.05)；A.基礎狀態，B.空白對照組，C.造影后即刻組，D.造影后20min組，E.造影后40min組，F.造影后60min

圖2 第一階段Beagle犬預實驗結果(n=11)

Figure2ThefirstphasestudyresultsofpilotexperimentonBeaglemodels

注：各種狀態二尖瓣水平前室間隔徑向峰值應變(1：基礎狀態，2：空白對照組(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: 徑向應變。與基礎狀態比較，①P<0.05

圖3第二階段Beagle犬預實驗結果(n=6)

Figure3ThesecondphasestudyresultsofpilotexperimentonBeaglemodels

注：左心室超聲波輻照和超聲造影微泡干預狀態心內膜下心肌和心外膜心肌峰值周向應變比較, 差異有統計學意義(P<0.05)；baseline：基礎狀態，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械興奮
Figure4UltrasonictissueDopplerimagingmappingtheskeletalmuscleelectro-mechanicalactivation

注：A. 紅色箭頭指超聲心動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，分別取樣發放電脈點位的骨骼肌組織運動速度和時間參數測量方法。 t: 電機械延遲時間； Tm：骨骼肌收縮持續時間

2 超聲波輻照誘導產生心肌肌力改變的現有實驗結論

2.1 采用超聲波輻照能夠改變心肌細胞的電興奮過程。

2.2 采用超聲波輻照可能有兩個相反的肌力作用：既可增強心肌細胞的收縮功能，也有可能減低心肌細胞的收縮功能。目前，產生超聲波正性肌力作用的機制和輻照參數條件尚不清楚，亟需應用先進的細胞電生理觀測技術進一步研究超聲波輻照正性肌力作用在心肌細胞分子水平的可能機制，確定產生正性肌力的必要超聲波輻照參數條件。

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力學狀態存在不同的研究結果和結論，這一問題的存在與產生正性肌力作用的超聲波輻照條件不明確有關。

2.4 超聲波輻照聯合超聲造影劑微泡能夠增強左心室心肌形變，具有正性肌力作用，其作用機制有待進一步加以明確。

3 超聲波輻照誘導產生心肌肌力改變機制的理論解釋和推論

3.1 較高強度超聲波傳播過程中導致組織快速振動將產生瞬時負壓沖流和空化效應及其導致的心肌細胞膜瞬間穿孔，有可能導致心肌細胞膜的通透性增加[21-22]。

3.2 超聲波通過縱向振動波的傳導和組織內部聲壓的增高能夠造成組織的快速振動和心肌組織的被動延伸或拉長從而導致細胞膜電位變化。心肌組織在舒張期的拉伸已經被證實能夠導致對機械拉伸敏感的心肌細胞膜離子通道的功能狀態發生改變從而造成心肌細胞膜的除極過程。但是在實際應用中，超聲波誘導心肌細胞除極的機制仍然不清。盡管超聲脈沖波的寬度與組織被拉伸的時間長度相等。但是進一步研究發現，超聲波導致的心肌細胞位移程度仍然不足以導致由心肌細胞被動拉伸所可能觸發的細胞生物電流改變并最終導致心肌細胞膜的有效除極：例如發射頻率1MHz、聲壓1.8atm/W和脈沖波寬度15μm的超聲波僅能夠導致18nm的心肌位移。該拉伸長度不足以導致毫米級拉伸才能夠導致心肌細胞生物電效應[23]。因此，超聲波輻照導致心肌細胞除極的機制尚待進一步研究予以明確。

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

3.4 當超聲波束撞擊心臟時，心肌組織內部的超聲波聲學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和超聲波的聲束寬度兩大部分。調節超聲波的頻率等參數將同時改變超聲波束寬度和影響特定心肌組織的聲能吸收系數。

3.5 低頻高強度超聲波輻照有可能通過改變心肌細胞膜通透性和離子通道功能狀態，進一步導致肌力相關離子的濃度分布發生變化。已知心肌收縮力增強可表現為細胞胞漿網內Ca2+增多和心肌收縮功能及張力增強，從而導致心肌細胞收縮力改變[25-28]。

3.6 盡管有學者認為超聲波的熱效應不是導致超聲波輻照心臟生物學效應的主要機制；但也有研究結果提示，超聲波的熱效應仍有可能在誘導心肌細胞的除極和增強心肌收縮力的過程中發揮了一定的作用[29]。

4 現有超聲波輻照誘導產生心肌肌力改變相關研究的局限性

4.1 缺乏直接的超聲波輻照環境心肌細胞膜通透性和離子通道功能改變證據以及心肌細胞內肌力相關離子分布和濃度改變證據。缺乏足夠的超聲波輻照聲能相關細胞分子水平心肌肌原纖維功能改變證據。超聲波輻照誘導心肌細胞正性肌力作用機制和產生條件不清。

4.2 缺乏足夠的超聲波輻照聲能效應與局部和整體心肌功能狀態改變的時空關聯關系證據。

4.3 除我們前期預實驗研究外，未見系統性的超聲造影劑存在環境超聲波輻照與心肌肌力改變的研究結果和結論。

4.4 已有的超聲波輻照誘導左心室局部和整體血流動力學狀態和收縮功能研究結果存在矛盾。未能建立誘導產生心肌正性肌力效應的超聲波輻照參數設置必要條件和最優化條件。

5 超聲波輻照誘導產生心肌肌力改變的進一步假設

5.1 超聲波輻照所誘導產生心肌細胞膜通透性和肌力相關離子通道功能改變能夠導致心肌細胞內的肌力相關離子分布和濃度發生改變，這最終導致單個心肌細胞和整體心肌細胞組織的收縮功能狀態發生改變，有可能導致正性的心肌局部和整體功能改變。

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

6 超聲波輻照誘導產生心肌肌力改變研究的科學價值和潛在臨床價值

6.1 有可能為建立一種全新的無創性臨床心力衰竭物理治療方法提供基礎實驗數據并揭示超聲波輻照正性肌力作用的機制。

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正性肌力增強技術手段。

7 小結與展望

超聲波輻照能在特定條件下產生心臟正性肌力作用。若能系統性證實超聲波輻照具有心臟正性肌力作用，系統性揭示和闡明其可能存在的細胞分子機制，在此基礎上通過關聯分析確立誘導產生正性肌力效應的超聲波輻照參數必要條件和最佳條件，將開辟一個全新的心血管疾病治療學研究領域并有助于推動心血管疾病非藥物治療學向前發展。因此，開展該領域的創新性研究可能產生的衍生成果對心血管病學臨床和基礎研究均具有十分重要的科學和實用價值。

【參考文獻】

[1]衛生部心血管病防治研究中心.中國心血管病報告2008-2009[M].中國大百科全書出版社,2009,:9.

[2]Harvey EN. The effect of high frequency sound waves on heart muscle and other irritable tissues[J]. Am J Physiol, 1929,91:284-290.

[3]Richard S,Meltzer MD, Karl Q,etal. Therapeutic Cardiac Ultrasound[J]. J Am Coll Cardiol,1991,67:422-424.

[4]Dalecki D, Keller B, Cartensen E,etal. Thresholds for premature ventricular contractions in frog hearts exposed to lithotripter[J]. Ultrasound Med Biol,1991, 17(4):341-346.

[5]Dalecki D, Keller B, Raeman C,etal. Effects of pulsed ultrasound on the frog heart: thresholds for changes in cardiac rhythm and aortic pressure[J]. Ultrasound Med Biol, 1993,19(5):385-390.

[6]Daleki D, Raeman C, Carstensen E. Effects of pulsed ultrasound on the frog heart: an investigation of heating as a potential mechanism[J]. Ultrasound Med Biol, 1993,19(5):391-398.

[7]Delius M, Hoffmann G, Steinbeck G,etal. Biological effects of shock waves: Induction of arrhythmia in piglet hearts[J]. Ultrasound Med Biol,1994,20:279-285.

[8]MacRobbie AG, Raeman CH, Child SZ,etal. Thresholds for premature contractions in mouse hearts exposed to pulsed ultrasound[J]. Ultrasound Med Biol, 1997,23(5):761-765.

[9]Towe BC, Rho R. Ultrasonic Cardiac Pacing in the Porcine Model[J]. IEEE transactions on biomedical engineering,2006, 53(7):1446-1448.

[10] Clarke PR, Hill CR. Physical and chemical aspects of ultrasonic disruption of cells[J]. J Acoust Sot Am,1970,47:649-653.

[11] Bazan-Peregrino M, Arvanitis CD, RifaiB,etal. Ultrasound induced cavitation enhances the delivery and therapeutic efficacy of anoncolytic virusinan in vitro model[J]. J Control Release,2012,2:235-242.

[12] Ward M, Wu J, Chiu JF. Experimental study of the effects of Optison concentration on sonoporation in vitro[J]. Ultrasound Med Biol,2000,26:1169-1175.

[13] Forester GV, Roy OZ, Mortimer AJ. Ultrasound intensity and contractile characteristics of rat isolated papillary muscle[J]. Ultrasound Med Biol 1985,11:951-958.

[14] Dalei D, Keller BB, Raeman CH,etal. Effects of pulsed ultrasound on the frog heart: I. Thresholds for changes in cardiac rhythm and aortic pressure[J]. Ultrasound Med Biol,1993,19:385-390.

[15] Greenberg S, Finkelstein A, Raisman E,etal. Direct ultrasound application had no effect on cardiac hemodynamic performance in a baseline isolated rat heart model[J]. Ultrasound in Medicine & Biology, 2000,26 (2): 315-319.

[16] Kuma F, Ueda N, Ito H,etal. Effects of ultrasound energy application on cardiac performance in open-chest Guinea pigs[J]. 2006 ,70(10):1356-1361.

[17] 蘇莉,尹立雪,王志剛.心肌超聲造影安全性的實驗研究[J].中華超聲影像學雜志,2012,21(6)：514-520.

[18] 蘇莉,尹立雪,王志剛. 心肌超聲造影安全性的研究進展[J].中華超聲影像學雜志,2011,8(2):537-539.

[19] 李文華,尹立雪. 超聲輻照誘導左心室跨壁心肌力學狀態變化的實驗研究[J].中華超聲影像學雜志,2014, 23(4): 333-339.

[20] 孟慶國,尹立雪.蛙腿骨骼肌電機械興奮的超聲標測[J].實用醫院臨床雜志,2012,5:27-33.

[21] Kohl P,Sachs F. Mechano-electric feedback in cardiac cells[J]. Philosophical Trans Roy Soc A, 2001, 359:1173-1185.

[22] Gu CX,Juranka PF, Morris CE. Stretch-activation and stretch-inactivation of Shaker-IR, a voltage-gated K channel[J]. Biophys J,2001,80(6):2678-2693.

[23] Galler S, Schmitt TL, Pette D. Stretch activation, unloaded shortening velocity, and myosin heavy chain isoforms of rat skeletal muscle fibres[J]. J Physiol (Lond.),1994,478.3: 513-521.

[24] Craelius W. Stretch activated ion channels in ventricular myocytes[J]. Biosci Rep,1995,8(5):407.

[25] Christensen. Mediation of cell volume regulation by Ca++ influx through stretch activated channels. Nature,1987; 330(5):66-68

[26] Morris E, Sigurdson WJ. Stretch inactivated ion channels coexist with stretch activated ion channels[J]. Science,1989,243:807-809.

[27] Wise. Bioinstrumentation and Biosensors[M]. New York: Marcel Dekker, 1991,1-824.

[28] Rudenko A. Saravazan, and S. Emelianov. Acoustic radiation force and streaming induced by focused nonlinear ultrasound in a dissipative medium[J]. J Acoust Soc Am,1996, 99(5)：2791-2798.

[29] Dalei D, Raeman CH, Carstensen EL. Effects of pulsed ultrasound on the frog heart: II. An investigation of heating as a potential mechanism[J]. Ultrasound Med Biol, 1993,19:391-398.