心房顫動脈沖電場消融的研究進展

馬正科 何智余 姚亞麗

(1.蘭州大學第一臨床醫學院，甘肅 蘭州730000； 2.蘭州大學第一醫院心臟中心，甘肅 蘭州 730000)

自1998年Ha?ssaguerre等[1]的開創性工作確定肺靜脈是誘發心房顫動(房顫)的主要觸發因素，并且證實局部射頻消融(radiofrequency ablation，RFA)能夠消除心房異位起搏點以來，導管消融已被逐步證明是治療癥狀性房顫的有效選擇。肺靜脈隔離(pulmonary vein isolation，PVI)是治療癥狀性房顫、提高生活質量導管消融的基石[2-3]。目前RFA或冷凍消融是房顫導管消融最主要的能量形式，但二者均存在不能完全隔離肺靜脈的缺點，消融后的電連接被認為是房顫復發的主要因素，研究表明使用沖洗導管進行RFA隔離肺靜脈后再通的發生率仍然很高[4-5]。此外，這些消融方法對心肌不具有組織選擇性，且依賴導管的貼靠，可能會影響食管、膈神經等鄰近結構，因而可能會造成心房食管瘺、肺靜脈狹窄和膈神經損傷等并發癥。基于此，尋找一種更安全、通用的PVI的方法已成為房顫研究者的使命。脈沖電場消融(pulsed field ablation，PFA)通過不可逆電穿孔(irreversible electroporation，IRE)機制，利用高電壓和短持續時間的脈沖序列來造成組織損傷，而不會產生明顯的加熱[6]。目前研究表明PFA可作為治療房顫的一種新型非熱消融技術。隨著PFA在心臟領域研究的不斷深入，對于房顫甚至其他心律失常的治療將具有重要的意義。

1 PFA的房顫之路

1982年Neumann等[7]使用脈沖電場暫時滲透細胞膜，將外來DNA輸送到細胞內，由此開啟了電穿孔的醫學應用之路。2005年Davalos等[8]在論文中提出，IRE在無有害熱效應的情況下可獨立消融大量的組織，而不需要輔助藥物。這為以后用IRE消融腫瘤組織起到里程碑的作用。2007年Lavee等[9]利用IRE在豬心外膜心房消融的結果顯示，PFA作為新能源可非常迅速、精確和完全地進行跨壁消融，而無局部加熱效應。2011年Wittkampf等[10]首次證明了采用IRE技術電隔離肺靜脈的臨床前可行性。這為PFA作為一種安全有效的房顫消融方式提供了臨床前證據。2014年van Driel等[11]的臨床前試驗比較了RFA與PFA后肺靜脈狹窄情況的研究，3個月的隨訪后結果顯示，PFA相比于RFA不會引起肺靜脈狹窄，而RFA組顯示出明顯的肺靜脈狹窄(其比消融前縮小7%±17%)。2018年Reddy等[12]首次將PFA應用于人體房顫消融。目前PFA在心臟自主神經節叢、浦肯野纖維系統和心室內膜上已實現了成功消融[13-16]。這使得PFA在心臟領域的研究又向前邁進了一步，期待更多的研究數據以便指導臨床應用。

2 PFA的消融機制

PFA是一種用脈沖電場形成局部高電壓差，通過在細胞膜上形成不可逆的納米級孔隙和細胞內容物的泄露的方式從而破壞細胞膜的穩定性[17]。PFA的理論基礎源于電穿孔，是指在外加電場的作用下，利用脈沖發生器發放微秒、納秒級電脈沖使細胞膜產生不穩定的電位，這樣的刺激導致跨膜電位的形成，它可局部克服磷脂雙層的介電強度，導致在脂質雙層中形成親水性納米級的孔隙，從而使細胞膜通透性發生改變。使用更強的電場當超過閾值能量水平引起細胞膜永久通透，破壞細胞內環境穩態，從而導致細胞凋亡，這個過程被稱為IRE[18-19]。

然而，目前的一項研究提出了電穿孔可能的新機制。該研究發現在水合程度更高、靜電作用更有利于離子進入的電壓傳感域中，孔洞更有可能發生。電壓傳感域中的毛孔可擴展成復合孔，這些毛孔會被脂質頭基穩定下來。這種復雜的孔隙比傳統的脂孔要穩定得多[20]。以上針對PFA消融機制的研究似乎可揭示細胞膜通透性和細胞死亡之間具有正相關性，然而最新一項研究1 μs雙相高頻IRE脈沖的間期和脈沖之間的延遲(0.5～10 000 μs)對細胞膜通透性及細胞系存活的影響，表明兩相脈沖之間較長的間期延遲和脈沖間延遲都會導致較低的細胞存活率(即更有效的細胞殺傷)，而對細胞膜通透性的影響則更加模糊。較低的細胞存活率不一定是較高的膜通透性的結果。這表明膜通透性和細胞存活率之間存在更為復雜的相互作用，表明細胞存活率除了受膜通透性的影響外，還受其他因素的影響[21]。因此，對PFA消融機制的研究仍需大量的工作以便能更好地指導臨床實踐。

3 PFA的組織選擇性

既往研究已表明誘導細胞壞死所需的脈沖強度活力閾值因組織類型而異，心肌細胞是最敏感的組織[22-24]。這就使得利用PFA進行PVI時對鄰近組織消融風險降到最低，而傳統的RFA和冷凍消融因為是利用熱量變化對組織進行消融，依賴于凝固性壞死，就可能對食管、隔神經等周圍組織造成損傷。PFA可在消融區域內保持組織基質的完整性，并且不依賴消融導管的貼靠就可實現對組織的消融。正如迄今為止的臨床前經驗所表明的，有重要的臨床前數據支持在食管、膈神經、冠狀動脈和肺靜脈狹窄情況PFA的安全性[11，16-17，25-28]。

最近Kuroki等[29]回顧性的觀察性研究表明，與RFA相比，PFA可顯著降低門靜脈狹窄的發生率和嚴重程度。該研究對肺靜脈開口的長軸和短軸通過心臟CT掃描重建成三維圖像進行定量和定性評價。結果顯示PFA組較RFA組肺靜脈口直徑減小[長軸為(0.9±8.5)% vs (-11.9±16.3)%，P<0.001；短軸為(3.4±12.7)% vs (-12.9±18.5)%，P<0.001)]。在RFA隊列中，輕度(30%～49%)、中度(50%～69%)和重度(70%～100%)肺靜脈狹窄/狹窄的發生率分別為9.0%(15/166)、1.8%(3/166)和1.2%(2/166)，但在PFA隊列中無1例出現(P<0.001)。Stewart等[24]的臨床前研究表明PFA與RFA對豬心內膜消融時均可產生邊界清楚、表面積相近且無心內膜血栓的跨壁心房病變。2周后進行組織病理學和尸檢發現與RFA損傷相比，PFA所致的心壁重構更為均勻；PFA消融術中含有極少孤立的存活心肌細胞。而RFA消融后的炎癥反應更強并可延伸至心外膜脂肪、動脈損傷和血栓形成。這一研究結果也同樣得到了Koruth等[30]研究的支持，并發現雙相PFA損傷比單相PFA和RFA更持久。

在積累了大量的臨床前研究的基礎上，2018年Reddy等[12]描述了在人類中首次使用PFA治療房顫，使用心內膜和心外膜遞送系統來實現PVI。他們實現了100%的PVI，每個患者的能量傳遞時間≤1 min，而且無明顯的并發癥。隨后的評估PFA治療陣發性房顫的安全性和有效性的研究中，納入IMPULSE和PEFCAT兩項試驗共81例患者，經過連續的波形改善，PVI的患者在3個月的耐久性從18%提高到100%。中位數120 d的隨訪中，除1例手術相關的心臟壓塞外，無其他主要不良事件發生。隨訪12個月，87.4%±5.6%的患者無再發心律失常事件[17]。盡管這一研究中位隨訪時間只有120 d，對遠期的PVI預測尚不清楚，但也展示出PFA這種簡便且超快速的PVI具有良好的持久性和安全性，尤其對心肌組織具有良好的選擇性。

然而，對于持續性或長程持續性房顫，單純PVI的效果并不顯著，需要聯合其他消融術式，常見的為線性消融、非肺靜脈觸發灶消融、基質標測及消融、腎去交感化等[31]。為了彌補PFA不能進行線性消融的缺點，已有動物實驗證明利用特制導管(PFA與射頻消融可相互轉換)可將局灶性PFA持續隔離靜脈，形成線狀病變，且無并發癥。PFA病變未損傷膈神經、血管和食管[32]。目前Reddy等[33]創造性地將脈沖電場和射頻兩種不同的能源集合在同一導管上進行的人體試驗證明了可安全、快速地使用脈沖電場/射頻組合的方法消融房顫。該研究將76例患者分為射頻/脈沖電場組(40例)或脈沖電場/脈沖電場組(36例)進行消融。結果顯示不僅所有患者的PVI 100%完成，而且包括二尖瓣峽部、三尖瓣峽部和左心房頂線在內的線性消融也100%完成。

目前PFA主要是通過直流脈沖發生器實現的，盡管有大量關于PFA的研究，但仍不清楚哪些電場水平、脈沖持續時間、脈沖數量、脈沖頻率以及它們的組合，對于獲得無熱效應或有限副作用的組織特異性死亡是最佳的[34]。在一項較寬的脈沖寬度范圍內，電池取向如何影響電穿孔相對于電場方向的研究中，作者觀察到納秒脈沖導致垂直電池的電穿孔增加，而毫秒脈沖導致平行電池的電穿孔增加。相反，幾微秒的脈沖對兩個方向的細胞的影響程度相同。因此，為了達到最均勻的效果，除了改變電場取向之外，還可使用微秒范圍的脈沖。PFA實現PVI時必須實現穿壁消融，沿靜脈周向穿透心壁。透壁連續消融的必要性意味著處理相對于電場方向有明顯不同取向的細胞，因此，實現均勻的、與細胞方向無關的電穿孔可確保可靠的治療效率[35]。

4 PFA的非熱消融特性

與RFA或冷凍消融相比，PFA不需要導管與組織直接接觸達到致命的組織溫度就可產生相近的消融結果。PFA通過將組織置于直流電場范圍內實現消融，而不必改變受影響組織的溫度。PFA利用高電壓、短時程的脈沖釋放能量，這使消融過程產生焦耳加熱的可能性較小。研究指出如果要在1 000 V/cm的幅度下提供100 μs的單個脈沖，則活體組織中必須預期的最大溫度升高約為0.36 ℃。對于2 000 V/cm，最大溫度升高約為1.44 ℃。考慮到熱損傷閾值報告為50 ℃，這種溫度升高不太可能對組織產生任何熱影響[14]。Reddy等和Stewart等研究表明PFA的傳遞方式未產生具有臨床意義的熱量[17，24，36]。

然而，有研究表明PFA在不同的參數設計對溫度的發展和分布都有影響[37-38]。目前的一項數學模擬研究發現PFA消融區域出現輕度高溫，而在相對較小的區域發生了直接熱消融效應[39]。但該實驗僅為數學模擬，并未考慮到組織特性、解剖等其他因素的影響，需進行大量的研究以期望隨著不斷優化的PFA方案，設置最佳理想消融參數，以最小的熱效應產生安全有效的消融區域。

5 總結與展望

PFA是基于IRE機制使細胞死亡的新型消融方式，因其具有的組織特異性、非熱消融等優點使得其在房顫消融的應用得到關注，人體試驗的成功無疑振奮人心，但對于PFA的機制、參數優化設計、非熱消融及在持續性房顫等方面仍需不斷探索、不斷研究，力求讓PFA在房顫甚至對于其他心律失常的治療方面取得更大的突破。