快速心律失常脈沖電場不可逆電穿孔消融治療研究進展

【作 者】趙志宏，陳永剛，寧忠平，陳新華

1 上海健康醫(yī)學(xué)院附屬周浦醫(yī)院 心血管內(nèi)科，上海市，201318

2 杭州睿笛生物科技有限公司，杭州市，310003

3 浙江省脈沖電場技術(shù)醫(yī)學(xué)轉(zhuǎn)化實驗室，杭州市，310003

0 引言

快速心律失常的根治性治療，為消融損傷阻斷心臟內(nèi)異常電傳導(dǎo)通路。消融治療能量來源包括：射頻消融、冷凍消融、微波消融、激光消融、直流電能產(chǎn)生的脈沖電場（pulsed electrical field，PEF）消融方式?，F(xiàn)主流是為射頻消融，消融導(dǎo)管頭端的電極釋放低電壓高頻（30 kHz～1.5 MHz）射頻電能，在消融導(dǎo)管頭端與局部心肌內(nèi)膜之間電能轉(zhuǎn)化為熱能，達到一定溫度（40～60 ℃）后，使特定的局部心肌細胞脫水、變性、壞死，自律性和傳導(dǎo)性能均發(fā)生改變，從而使心律失常得以根治。微秒脈沖直流電產(chǎn)生高能PEF瞬時釋放能量至心肌細胞膜，產(chǎn)生不可逆電穿孔（irreversible electroporation，IRE），細胞內(nèi)容物泄漏，破壞細胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)，導(dǎo)致細胞死亡，減輕炎癥反應(yīng)，脈沖電場作為非致熱能量來源[1]。隨著材料學(xué)領(lǐng)域的進步，PEF作為心律失常消融能量來源的消融方式，IRE消融導(dǎo)管的不同目標設(shè)計在快速進行之中，近期在基礎(chǔ)研究及臨床應(yīng)用方面取得了很大進展。

1 PEF消融機制

PEF消融通過直流電脈沖發(fā)生器釋放單相或雙相PEF，特點是高電場強度（kV/cm電場強度級別）、快脈沖頻率和短脈沖寬度（μs及ns級別），在正、負電極間形成局部高電壓差，極短時間內(nèi)釋放高電場的非熱能量，選擇性作用于心肌區(qū)域，即刻實現(xiàn)心肌細胞質(zhì)膜不可逆電穿孔，造成透壁損傷，細胞內(nèi)容物泄露，導(dǎo)致心肌細胞死亡，遠期纖維疤痕形成和射頻消融效果基本相同[2]。通過PEF消融的導(dǎo)管也稱為IRE消融導(dǎo)管?？焖傩穆墒СＯ诘腎RE消融導(dǎo)管，通過高電壓輸出，產(chǎn)生單相或雙相矩形脈沖波形，將一定數(shù)量的電脈沖按序列輸出實現(xiàn)消融目的。PEF消融有如下優(yōu)點：①PEF消融強電場區(qū)域內(nèi)的心肌組織均是有效消融位點，可精準調(diào)控，降低對消融電極貼靠壓力的要求；②PEF消融為非熱能組織消融，在消融過程中不會破壞組織支架結(jié)構(gòu)，不受血流“熱沉效應(yīng)”的影響，不會產(chǎn)生消融局部血栓。具有相對較寬的治療能量窗口[3]；③PEF消融具有組織電阻特異性，心肌細胞的PEF消融損傷閾值400 V/cm，血管、神經(jīng)、食道等組織器官損傷閾值超過其4倍，且心肌細胞對PEF消融的敏感性遠高于其他各種細胞類型；這意味著適宜的PEF消融電壓優(yōu)先損傷心肌，而對血管、神經(jīng)、食道等鄰近組織影響極小且不會損傷。

2 快速心律失常治療的PEF消融導(dǎo)管及臨床應(yīng)用進展

2.1 心內(nèi)IRE消融導(dǎo)管

2.1.1 雙電極IRE消融導(dǎo)管

直徑為5 F（1 F=1/3 mm）的Blazer PEF雙電極消融導(dǎo)管，在心內(nèi)放置位置，如圖1所示。一根電極導(dǎo)管放置在冠狀竇內(nèi)，另一根為消融電極放置在心室內(nèi)擬消融位置同時也作為標測電極記錄心室內(nèi)浦肯野（Purkinje）電位，二個電極距離在3 cm內(nèi)，PEF消融時兩個消融導(dǎo)管電極之間形成高電壓電場[4]。NanoKnife消融系統(tǒng)（AngioDynamics,Queensbury,NY）參數(shù)中輸出電壓為750～2 500 V（最小電場強度 250～833 V/cm），頻率為1 MHz，釋放10個脈沖，每次脈沖時間為90 μs，心電圖QRS有效不應(yīng)期內(nèi)同步PEF消融。Langendorff離體心臟灌注的體外犬心臟模型，750～1 000 V可有效消融浦肯野電位，2 000～ 2 500 V可有效消融His電位[5]。輸出電壓1 050～1 125 V下釋放10個脈沖，或750 V下釋放20或30個脈沖消融，有效消融全麻下豬Purkinje電位，組織學(xué)分析確認靶向浦肯野纖維損傷，PEF靶向消融可以在對心肌細胞損傷最小的情況下完成浦肯野纖維消融。

圖1 PEF消融導(dǎo)管標測并消融Purkinje電位Fig.1 Location of the ablation catheter used for pulsed electric field delivery

2.1.2 籃狀I(lǐng)RE消融導(dǎo)管

直徑為12 F的12個電極平均分布于4個獨立的半環(huán)形結(jié)構(gòu)上的籃狀I(lǐng)RE消融導(dǎo)管。消融電極從鞘管內(nèi)伸出，展開時為電極縱向排列的籃狀，頭端與心肌組織接觸范圍最大化，見圖2[6]。通過心內(nèi)超聲、透視及三維標測系統(tǒng)在心室內(nèi)消融導(dǎo)管定位消融。消融電極展開精確定位及保證穩(wěn)定性，所有電極都可產(chǎn)生IRE消融電場，消融過程通過定制的PEF消融儀2 200 V輸出電壓放電消融。豬心室消融1個月后組織學(xué)分析，平均損傷直徑為6.5±1.7 mm，寬度為22.6±4.1 mm，最大深度和寬度為9.4 mm和28.6 mm，在PEF消融部位，纖維組織均勻地替代了肌細胞，纖維組織內(nèi)及周圍保留神經(jīng)束和血管。損傷周圍有狹窄的肌細胞溶解區(qū)，沒有覆蓋的血栓。該IRE消融導(dǎo)管優(yōu)點是穩(wěn)定性高，消融范圍較大，缺點是一些特殊精細部位不能抵達。圖3為改良的FARAFLEX籃狀I(lǐng)RE消融導(dǎo)管，并聯(lián)的每個樣條遠端增加了一個電極，可行心電標測及起搏標測，稱為頭端聚焦IRE消融導(dǎo)管（Farapulse Inc,Menlo Park,CA），推送展開前為橢圓形頭端，進一步推送展開為最大直徑17 mm的半球形，便于心腔內(nèi)及歐氏脊病灶位置行點狀及線性消融[7]。

圖2 籃狀I(lǐng)RE消融導(dǎo)管Fig.2 Basket pose of the IRE catheter

圖3 改良后的頭端聚籃狀I(lǐng)RE消融導(dǎo)管Fig.3 12-F deflectable focal basket pose of the IRE ablation catheter

2.2 心外膜IRE環(huán)狀陣列電極消融導(dǎo)管

IRE環(huán)狀陣列電極消融導(dǎo)管用于心外膜PEF消融。圖4為頭端8個長度為2 mm、直徑為12 mm的環(huán)形陣列電極，直徑為7 F的IRE消融導(dǎo)管[8]。對豬經(jīng)劍突下行心包穿刺后通過鞘管送達心包內(nèi)，冠脈造影定位，消融導(dǎo)管置于冠脈位置之上予以單相除顫器（Lifepak 9;Physio-Control Inc,Redmond,WA）同步200 J放電產(chǎn)生的瞬時高能PEF，持續(xù)時間為4～10 ms，在心肌上形成連續(xù)的環(huán)狀損傷。病理結(jié)果顯示冠狀動脈的內(nèi)膜沒有明顯增生，冠脈無明顯狹窄改變。該電極經(jīng)皮穿刺送抵心外膜，簡單方便，提示經(jīng)皮心外膜PEF消融的可行性。

圖4 直頭環(huán)狀I(lǐng)RE消融導(dǎo)管Fig.4 Circular electroporation ablation catheter

2.3 環(huán)肺靜脈IRE消融導(dǎo)管

房顫消融治療目前最有效的主流方法為環(huán)肺靜脈電隔離。這方面，PEF消融的IRE消融導(dǎo)管設(shè)計和應(yīng)用做了很多開創(chuàng)性的嘗試，并有系列相關(guān)臨床研究，取得優(yōu)異效果[9]。

2.3.1 環(huán)形陣列電極IRE消融導(dǎo)管

環(huán)形陣列電極IRE消融導(dǎo)管類似環(huán)肺靜脈標測電極Lasso電極。圖5為7 F頭端與連接桿成90o，折角直徑為18 mm～20 mm，包含10個長度為2 mm消融電極構(gòu)成IRE消融導(dǎo)管。單相除顫器200 J放電消融在心肌上形成連續(xù)的環(huán)狀損傷，消融深度足以造成肺靜脈電隔離[10]。在全麻豬模型下，該IRE消融導(dǎo)管放置在肺靜脈主干內(nèi)5～10 mm，10個環(huán)形陣列電極同步給予200 J放電，NavX 三維標測系統(tǒng)進行術(shù)中及術(shù)后3個月后評估，經(jīng)PFA的肺靜脈開口未見狹窄，與之對照的經(jīng)射頻消融的肺靜脈開口發(fā)生狹窄[11]。該消融導(dǎo)管設(shè)計參照了Lasso電極，優(yōu)點是很容易到達肺靜脈，缺點是20 mm的直徑對肺靜脈來說偏小，難以完全貼靠肺靜脈。該IRE消融導(dǎo)管未進入臨床應(yīng)用研究。

圖5 環(huán)狀I(lǐng)RE消融導(dǎo)管Fig.5 Circular IRE ablation catheter

2.3.2 9極中空環(huán)形陣列電極IRE消融導(dǎo)管

該消融導(dǎo)管初始設(shè)計用于射頻消融的肺靜脈電隔離[12]，該消融導(dǎo)管也可當作標測電極用。隨后用作雙相PEF的IRE消融導(dǎo)管進行研究[13]，為9 F頭端與連接桿成90o，折角有20°傾角的中空直徑25 mm的9個環(huán)形陣列電極的IRE消融導(dǎo)管（PVAC GOLD;Medtronic Inc,Minneapolis,MN），其中空結(jié)構(gòu)便于指引導(dǎo)絲抵達肺靜脈指導(dǎo)調(diào)整消融導(dǎo)管位置，見圖6。

圖6 PVAC Gold 相位排列IRE消融導(dǎo)管Fig.6 PVAC Gold array ablation catheter

專利[14]詳細敘述了該系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)構(gòu)架、參數(shù)設(shè)置和實驗測試結(jié)果。奇數(shù)1、3、5、7、9電極作為正極，偶數(shù)2、4、6、8電極作為負極，心臟同步放電進行PEF消融。模型豬的右上肺靜脈及左、右心耳口行雙相PEF消融，輸出電壓為500 V，脈寬100 μs，脈沖間停頓為200 ms，每組60次脈沖，共有5個脈沖組，每個脈沖序列的持續(xù)時間為36 ms，R波門控放電時間約為10 s。2周后心肌組織學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)PEF消融導(dǎo)致心肌細胞死亡、纖維化，且不會損傷PEF有效消融電場以外的心肌組織；PEF消融纖維化更均勻，心外膜脂肪炎癥更輕，病變內(nèi)血管重塑更少[15]。該IRE消融導(dǎo)管獲得美國食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，F(xiàn)DA）批準正在進行多中心、前瞻性、非隨機對照臨床試驗——PULSED AF研究（NCT04198701），評估其安全性和有效性。2020年第41屆美國心律學(xué)會（American Heart Rhythm Society，AHRS）年會發(fā)布了該研究14例房顫患者PEF消融結(jié)果：研究對象中包括左肺靜脈共干和右中肺靜脈等復(fù)雜病例，所有病例術(shù)中均完成肺靜脈電隔離，左心房電壓標測證實廣泛連續(xù)肺靜脈前庭有效損傷，每支肺靜脈消融（7.4±3.5）次；監(jiān)測食道溫度顯示術(shù)中無改變。30 d內(nèi)未見手術(shù)消融相關(guān)的嚴重不良事件發(fā)生，所有病例將隨訪12個月，觀察中遠期療效[9]。

2.3.3 環(huán)肺靜脈籃狀花瓣狀I(lǐng)RE消融導(dǎo)管

直徑12 F的20個電極均勻分布于5個獨立的半環(huán)形結(jié)構(gòu)上的籃狀花瓣狀20個電極IRE Farawave消融導(dǎo)管（Farapulse,Inc,Menlo Park,CA）。消融電極從鞘管內(nèi)伸出，用抵達肺靜脈內(nèi)的指引導(dǎo)絲指引，控制消融導(dǎo)管展開程度應(yīng)對不同直徑的肺靜脈消融，未完全展開時為電極縱向排列的籃狀，完全展開時為電極橫向排列的花瓣狀，最大展開直徑分別為30 mm或35 mm[7]，見圖7。聯(lián)合頭端聚焦IRE消融導(dǎo)管右房房撲三尖瓣峽部消融的25例持續(xù)性房顫PersAFOne 臨床研究(NCT04170621)中圍術(shù)期及術(shù)后隨診結(jié)果表明，該導(dǎo)管安全有效。

圖7 籃狀花瓣狀20電極IRE消融導(dǎo)管Fig.7 Basket-Flower pose of multispline IRE catheter

該消融導(dǎo)管所有電極均能進行PEF消融，最遠端的電極可作為起搏和標測電極應(yīng)用。該IRE消融導(dǎo)管在模型豬上的臨床前研究證實：1 800 V雙相PEF行肺靜脈電隔離不會引起骨骼肌收縮震顫，因此不需要肌松劑；雙相PEF消融效果優(yōu)于單相PEF消融和射頻消融[16]。該IRE消融導(dǎo)管優(yōu)點為消融過程中不需要電極充分接觸肺靜脈口及前庭壁，也不需要冷鹽水灌注，無食管損傷風險[17]。隨后采用該IRE消融導(dǎo)管完成15例房顫患者肺靜脈電隔離，優(yōu)勢為手術(shù)時間短，無急性肺靜脈狹窄、肺靜脈電位傳導(dǎo)恢復(fù)、膈神經(jīng)損傷等并發(fā)癥，對心肌組織特異性損傷、快速有效肺靜脈電隔離，缺點是平均每支肺靜脈消融3.26次[18]。隨后發(fā)表的81例PEF消融病例研究一年內(nèi)的隨診結(jié)果，雙相PEF消融時僅予以丙泊酚鎮(zhèn)靜，雙相PEF電壓為1 800～2 000 V，放電時間≤3 min，整個手術(shù)時間為（92.2±27.4）min。術(shù)中雙相PEF一次肺靜脈電隔離成功率為43%，3次及以上消融達100%，優(yōu)于單相PEF消融；3個月后重復(fù)三維標測證實肺靜脈電隔離達到100%成功；無中風、膈神經(jīng)損傷、肺靜脈狹窄和食道損傷等不良事件；1年內(nèi)維持竇性心律的Kaplan-Meier值為87.4%。該IRE消融導(dǎo)管環(huán)肺靜脈消融長期安全性良好[19]。該IRE消融導(dǎo)管優(yōu)點是經(jīng)皮鞘管內(nèi)輸送到達肺靜脈口方便，可根據(jù)肺靜脈大小而部分或完全展開，缺點是數(shù)次消融完成環(huán)肺靜脈前庭消融。

2.3.4 Lattice-tip導(dǎo)管消融系統(tǒng)

Lattice-tip導(dǎo)管消融系統(tǒng)包括射頻消融系統(tǒng)、Sphere-9 IRE消融導(dǎo)管（Affera,Inc,Watertown,MA）、集成標測系統(tǒng)、消融儀和灌注泵。圖8為Lattice-tip消融導(dǎo)管，直徑7.5 F，經(jīng)輸送鞘管送至左心房后，頭端自膨脹展開，形成半徑為4.5 mm，材質(zhì)為具有形狀記憶功能的鎳鈦諾非磁性合金的網(wǎng)格球狀消融電極，表面均勻分布著9個直徑為0.9 mm的微型電極（含熱電偶，也可溫控射頻消融），球狀消融電極內(nèi)有灌注微孔及中心參考電極[20-21]。射頻消融及雙相PEF消融可同步轉(zhuǎn)換完成房顫消融過程，也可做為三維標測電極應(yīng)用，指導(dǎo)消融電極精準定位。Lattice-tip消融導(dǎo)管系統(tǒng)的消融方式為逐點消融，輸出電流調(diào)到28 A時，環(huán)球型電極中心約8 mm半徑范圍電場強度超過400 V/cm，以此該消融電極非直接接觸肺靜脈口—前庭部位下即可完成消融[22]。對76例房顫患者按術(shù)者經(jīng)驗選擇射頻消融和PEF消融模式交替應(yīng)用，行肺靜脈電隔離及二、三尖瓣峽部和左心房頂部線性消融，完成房顫標準消融路徑，圍術(shù)期無器械相關(guān)并發(fā)癥，PEF消融組無食道熱損傷效應(yīng)；該研究目標僅限于房顫圍術(shù)期安全有效性評估，臨床療效需更長隨訪時間[23]。

圖8 Lattice-tip消融導(dǎo)管及PEF消融Fig.8 Lattice-tip ablation catheter and PEF ablation

2.3.5 球囊電極IRE消融導(dǎo)管

IRE球囊消融導(dǎo)管，球囊表面近端及遠端表面噴涂形成條帶狀電極，作為正負極，同時能進行三維標測和記錄局部肺靜脈電位[24]，見圖9。全麻下犬肺靜脈PEF消融，造影劑充盈的球囊消融導(dǎo)管抵達左房肺靜脈，電極測量局部肺靜脈電位，評估電位振幅改變，球囊遠、近端二個作為消融電極，輸出電壓為1 000～2 000 V，脈沖時間為100 μs，按10、100、200個不同脈沖序列消融，實現(xiàn)完全肺靜脈電隔離，隨訪7～44 d，不會導(dǎo)致肺靜脈狹窄，也不影響肺、食道、膈神經(jīng)及左房后壁神經(jīng)節(jié)神經(jīng)叢。

圖9 IRE球囊消融導(dǎo)管及肺靜脈口消融Fig.9 Prototype balloon catheter and intended ablation location

3 總結(jié)

綜上，PEF具有高能非熱的優(yōu)勢，是極具潛力的臨床應(yīng)用研究方向，推動心律失常消融的技術(shù)迭代，消融導(dǎo)管的產(chǎn)品革新，值得進一步深入研究，國內(nèi)相關(guān)研究正在快速推進[25-26]，有望進入臨床研究。