脈沖電場消融在心房顫動(dòng)中的應(yīng)用

張 芝， 湯學(xué)超， 黃新苗， 秦永文

（1.中國人民解放軍聯(lián)勤保障部隊(duì)第九六〇醫(yī)院泰安醫(yī)療區(qū)，山東 泰安 271000；2.海軍軍醫(yī)大學(xué)第一附屬醫(yī)院心血管內(nèi)科，上海 200433）

PEF消融的原理

PEF消融通過不可逆電穿孔 （irreversible electroporation）發(fā)揮作用，是指以短時(shí)間內(nèi)（微秒或納秒）將高強(qiáng)度電場作用在細(xì)胞膜上，導(dǎo)致細(xì)胞膜形成多個(gè)納米級(jí)的不可逆孔道（孔隙的大小約為10 nm），細(xì)胞膜通透性增加，細(xì)胞內(nèi)環(huán)境破壞，從而促使細(xì)胞死亡[2-3]。不可逆電穿孔又被稱為納米刀，是一種新的腫瘤消融技術(shù)，已被用于治療實(shí)體腫瘤。細(xì)胞的電穿孔取決于施加的電場，電場由脈沖持續(xù)時(shí)間、電壓、頻率和極性決定。低強(qiáng)度電場導(dǎo)致可逆的瞬時(shí)孔形成，允許藥物或基因傳遞，但不損傷細(xì)胞活力；較高強(qiáng)度電場會(huì)導(dǎo)致膜通透性發(fā)生劇烈變化，從而啟動(dòng)凋亡過程，腺苷三磷酸（adenosine triphosphate，ATP）耗竭和細(xì)胞內(nèi)鈣濃度增加而死亡[4-5]。從PEF消融的原理分析，其是通過不可逆電穿孔導(dǎo)致的細(xì)胞死亡，為非熱能消融方式。

PEF消融由脈沖發(fā)生器、電極導(dǎo)管等組成。目前臨床應(yīng)用的脈沖發(fā)生器由美國盎格魯力學(xué)（AngioDynamics）公司生產(chǎn)，可提供500～3 000 V的電場，最多100個(gè)長度達(dá)100 μs的脈沖。電極導(dǎo)管形狀多樣，有環(huán)狀電極導(dǎo)管、花瓣樣多極電極導(dǎo)管、圓形球囊電極導(dǎo)管等，均已應(yīng)用于心臟組織消融中的研究。PEF消融時(shí)，脈沖數(shù)越多，電壓越高，脈沖長度越長，組織破壞越嚴(yán)重。

PEF消融的特點(diǎn)

一、組織選擇性

PEF消融以組織特定性閾值為特征，當(dāng)能量超過組織特定閾值，即可導(dǎo)致組織細(xì)胞膜不可逆電穿孔，從而誘導(dǎo)細(xì)胞的死亡。與心房周圍其他組織（如食管、膈神經(jīng)等）相比，心肌細(xì)胞閾值最低（400 V/cm）。因此消融過程中，心肌細(xì)胞優(yōu)先消融，而心臟周圍其他組織，如食管、肺、膈神經(jīng)等免受損傷，具有較高的安全性[6-8]。

1.不損傷冠脈：du Pré等[9]在豬模型中采用經(jīng)心外膜途徑對(duì)前降支直接進(jìn)行PEF消融，在消融前后及3周后進(jìn)行冠脈造影，結(jié)果顯示將PEF直接作用于前降支未導(dǎo)致血管內(nèi)膜增生，血管造影未顯示狹窄跡象。隨后Neven等[10]采用經(jīng)心外膜途徑對(duì)冠脈血管進(jìn)行PEF消融，冠脈造影顯示消融前后及消融后3個(gè)月冠脈直徑未受影響。組織學(xué)檢查顯示深部心肌損傷，但冠脈血管無損傷，表明PEF消融對(duì)冠脈血管短期及長期的安全性。

2.不損傷膈神經(jīng)：曾有研究表明在造成動(dòng)物深部心肌損傷的PEF消融能量下，右側(cè)膈神經(jīng)在功能及組織學(xué)中未受到損傷，表明PEF消融心房肌并不會(huì)對(duì)鄰近的膈神經(jīng)造成明顯損傷[11]。隨后的動(dòng)物實(shí)驗(yàn)及臨床房顫消融研究中均證實(shí)了PEF消融對(duì)膈神經(jīng)的安全性[12]。

3.不損傷食管：Neven等[13]將可造成深部心肌損傷200 J的PEF直接作用于食管，并于消融后第2天、7天進(jìn)行食管鏡檢查。第2天的食管鏡檢查顯示消融部位有多個(gè)大小不等囊泡，其余內(nèi)膜表面光滑、完整，未見糜爛及潰瘍等。而消融后第7天，所有囊泡均消失，食管內(nèi)膜表面仍然光滑、完整，未見糜爛、潰瘍。2個(gè)月后的組織學(xué)檢查只在肌層的外部觀察到1個(gè)小瘢痕，黏膜層和黏膜下層完全正常，食管大體形態(tài)完全正常，該結(jié)論與Hong等[14]的研究結(jié)論一致。房顫患者行環(huán)肺靜脈PEF消融的研究中，也證實(shí)在成功行環(huán)肺靜脈電隔離后及隨訪期間，患者既沒有食管損傷相應(yīng)的臨床表現(xiàn)，食管內(nèi)鏡檢查及增強(qiáng)心臟磁共振檢查等也均沒有食管損傷的證據(jù)[15]。

4.無肺靜脈狹窄：在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)研究中，van Driel等[16]分別采用PEF消融和射頻消融進(jìn)行環(huán)肺靜脈電隔離，并于消融前、消融后即刻和消融后3個(gè)月進(jìn)行肺靜脈血管造影，測量肺靜脈口直徑和心臟大小。結(jié)果顯示PEF消融后，肺靜脈口直徑在消融后即刻下降11%，但在術(shù)后3個(gè)月增加19%；與消融前肺靜脈口直徑相比，射頻消融術(shù)后肺靜脈口直徑減少了23%，3個(gè)月后仍保持直徑減少7%。研究表明，在肺靜脈口內(nèi)多次進(jìn)行200 J脈沖消融不會(huì)影響肺靜脈口直徑；而直接在肺靜脈口內(nèi)射頻消融可導(dǎo)致相當(dāng)明顯的肺靜脈狹窄，且持續(xù)3個(gè)月。曾有研究將圓形球囊導(dǎo)管置于犬肺靜脈內(nèi)進(jìn)行PEF消融，消融后27 d行肺靜脈CT檢查顯示肺靜脈無狹窄[17]，該研究結(jié)果與Wittkampf等[18]的研究結(jié)果一致。在臨床研究中，對(duì)于房顫患者脈沖消融前、后及隨訪期間多次行肺靜脈CT掃描均無肺靜脈狹窄的證據(jù)。因此，與射頻消融相比，PEF消融幾乎無肺靜脈狹窄出現(xiàn)，可避免熱能消融引起肺靜脈狹窄的并發(fā)癥。

二、非熱能消融

PEF消融不同于射頻消融、冷凍消融等消融技術(shù)。如射頻消融利用高頻電流使電極周圍組織相互摩擦產(chǎn)生熱量，導(dǎo)致組織凝固性壞死，易損傷周圍臨近組織；而PEF是非熱能消融方式，其消融病灶具有以下病理組織學(xué)特點(diǎn)。

1.細(xì)胞外基質(zhì)不受損傷：PEF消融為細(xì)胞不可逆電穿孔形成的非熱能消融，不使蛋白變性，保留細(xì)胞外基質(zhì)，如彈性纖維、纖維蛋白原等均不受影響，組織支架和纖維結(jié)構(gòu)不被破壞，也稱為保留細(xì)胞外基質(zhì)和骨架的去細(xì)胞方法[19]。van Driel等[16]比較PEF消融與射頻消融肺靜脈組織學(xué)發(fā)現(xiàn)，經(jīng)射頻消融部位部分心肌未受損、大量內(nèi)膜增生、心肌壞死和彈性纖維增生，靜脈被瘢痕組織包繞，此結(jié)果與Taylor等[20]的研究結(jié)果一致，均提示肺靜脈周圍增生、紊亂的纖維化瘢痕組織是射頻消融后肺靜脈狹窄的原因。而PEF消融的肺靜脈組織學(xué)檢查顯示完全消融的心肌袖被均勻的纖維結(jié)締組織替代。Witt等[17]也證實(shí)了經(jīng)PEF消融治療后的犬肺靜脈心肌細(xì)胞幾乎完全缺失，且消融心肌區(qū)域和未消融區(qū)域之間有明顯界限，表明其消融模式是典型的脫細(xì)胞，只剩下膠原骨架。Hong等[14]描述了消融病變區(qū)域出現(xiàn)的一些肌纖維斷裂和炎癥形成，但沒有凝固性壞死。有研究也證實(shí)在脈沖消融后血管周圍可觀察到由松散結(jié)締組織和成纖維細(xì)胞組成的均勻瘢痕，組織結(jié)構(gòu)并沒有破壞[9,18]。因此對(duì)于血管的消融，血管彈性纖維仍存在，可保持血管腔的形態(tài)基本不變。此外，對(duì)于神經(jīng)來說，基本骨架得以保存，其結(jié)構(gòu)和功能短時(shí)間內(nèi)仍可恢復(fù)。有研究對(duì)于兔的坐骨神經(jīng)直接進(jìn)行消融，結(jié)果可證明在達(dá)到損傷神經(jīng)的消融能量下，其結(jié)構(gòu)和功能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常[21]。

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2.消融區(qū)域的連續(xù)性：對(duì)于房顫的環(huán)肺靜脈電隔離，當(dāng)肺靜脈前庭的消融部位殘留存活心肌時(shí)，常成為房顫復(fù)發(fā)的病灶。PEF消融在消融區(qū)域和非消融區(qū)域可顯示清晰的消融邊界線，而射頻消融、冷凍消融等在消融區(qū)域與非消融區(qū)域之間會(huì)產(chǎn)生“中間帶”，可殘留一些存活心肌細(xì)胞，導(dǎo)致房顫復(fù)發(fā)。曾有研究證實(shí)PEF消融與射頻消融相比成功消融的心肌袖數(shù)量較多，且消融心肌區(qū)域和未消融區(qū)域心肌細(xì)胞之間有明顯的界限[16-17]。也有研究將PEF消融區(qū)域的邊界描述為尖銳的、清晰的、連續(xù)的，受損壞死心肌組織和周圍正常心肌組織之間存在清晰的分界線[14,22]。

三、消融速度快、貼靠要求低

Reddy等[12]進(jìn)行的首次人體脈沖消融中，經(jīng)心內(nèi)膜途徑消融從第1根肺靜脈消融至最后1根肺靜脈放電結(jié)束的時(shí)間平均為19 min，每例患者的總放電時(shí)間＜60 s。曾有研究證實(shí)在導(dǎo)管不接觸心肌組織的情況下行PEF消融，表現(xiàn)出心肌電信號(hào)的減少，說明其不需要導(dǎo)管貼靠仍可實(shí)現(xiàn)消融損傷[23]。

PEF消融電極導(dǎo)管研發(fā)及應(yīng)用

一、環(huán)狀10極陣列電極

環(huán)狀10極陣列電極具有軸長15 cm和直徑20 mm的圓形遠(yuǎn)端部分，其中包含10個(gè)間距為5 mm的2 mm長環(huán)形電極（美國美敦力公司，見圖1A）。Wittkampf等[18]曾在豬模型中將環(huán)形消融導(dǎo)管放置在肺靜脈口進(jìn)行環(huán)肺靜脈電隔離的安全性及可行性研究。在消融前、消融后即刻以及消融3周后使用常規(guī)標(biāo)測導(dǎo)管在肺靜脈口的多個(gè)位置測量局部肺靜脈電位振幅和刺激閾值。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)開口處，肺靜脈開口電位振幅降低，刺激閾值顯著增加。同時(shí)對(duì)消融部位進(jìn)行組織學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)深達(dá)3.5 mm的損傷。隨訪3周肺靜脈造影未見任何狹窄，表明使用該環(huán)狀肺靜脈消融導(dǎo)管行PEF消融可以安全地完成肺靜脈隔離，且不導(dǎo)致肺靜脈口狹窄。但有動(dòng)物研究表明，使用該多極肺靜脈消融導(dǎo)管，當(dāng)遠(yuǎn)端和近端電極接近或重疊時(shí)，可出現(xiàn)較大的氣體和固體栓塞源。因此避免遠(yuǎn)端近端電極之間的相互作用，可減少無癥狀的腦微栓塞以及經(jīng)顱多普勒超聲檢測到微栓子的發(fā)生率[24-25]。

二、環(huán)狀9極陣列電極

環(huán)狀9極陣列電極的環(huán)形導(dǎo)管上均勻分布9個(gè)電極，同時(shí)有1個(gè)20°前傾，單數(shù)1、3、5、7、9電極作為正極，雙數(shù)2、4、6、8電極作為負(fù)極（美國美敦力公司，見圖1B）。曾有研究使用該環(huán)形肺靜脈消融導(dǎo)管在豬右上肺靜脈及左、右心耳口行雙相PEF消融，輸出電壓為500 V，脈寬100 μs。結(jié)果表明其在不引起骨骼肌痙攣等情況下消融部位電位振幅降低，證實(shí)了其導(dǎo)管消融的可行性。2周后的組織病理學(xué)檢查發(fā)現(xiàn)，相比射頻消融病灶的強(qiáng)烈炎癥反應(yīng)累及心外膜、動(dòng)脈血管損害、栓塞等表現(xiàn)，PEF消融部位表現(xiàn)為連續(xù)的透壁損傷，消融的心肌由均勻的纖維結(jié)締組織替代，沒有殘留的心肌細(xì)胞“隔離物”，周圍的食管、神經(jīng)等無損傷[26]。該環(huán)狀肺靜脈消融導(dǎo)管正在進(jìn)行多中心、前瞻性、非隨機(jī)對(duì)照臨床試驗(yàn)（Pulsed Field Ablation to Irreversibly Electroporate Tissue and Treat AF，NCT04198701），以評(píng)估其安全性和有效性。

圖1 不同類型PEF消融導(dǎo)管

三、花瓣樣多極導(dǎo)管

花瓣樣多極導(dǎo)管為直徑12 F的消融導(dǎo)管，有5個(gè)半環(huán)形結(jié)構(gòu)，每個(gè)半環(huán)結(jié)構(gòu)上包含4個(gè)電極，未完全展開時(shí)為籃狀，完全展開時(shí)為電極橫向排列花瓣?duì)睿绹鳩arapulse公司，見圖1C）。動(dòng)物研究在豬模型上分別采用單相和雙相波形進(jìn)行雙極PEF消融，消融前后的電生理檢查證實(shí)其消融部位均被成功隔離，且雙相PEF消融效果優(yōu)于單相PEF消融和射頻消融，右側(cè)膈神經(jīng)起搏刺激及冠脈造影等證實(shí)周圍的神經(jīng)、血管未受到影響。病理組織學(xué)也證實(shí)了消融部位的連續(xù)性，無心肌組織殘留[27]。由于該電極導(dǎo)管應(yīng)用的安全性及有效性，該消融導(dǎo)管被最早用于房顫患者PEF消融的臨床試驗(yàn)[12]。

四、Lattice-tip導(dǎo)管

Lattice-tip導(dǎo)管具有1個(gè)7.5 F可雙向偏轉(zhuǎn)的導(dǎo)管軸和可膨脹的9 mm球形鎳鈦合金點(diǎn)陣尖端（美國Affiera公司，見圖1D）。Lattice-tip導(dǎo)管一旦進(jìn)入心臟，頭端就會(huì)膨脹為直徑9 mm的球形結(jié)構(gòu)，9個(gè)直徑0.7 mm微型電極均勻分布于表面，提供電圖/溫度反饋。球狀消融電極內(nèi)有灌注微孔及中心參考電極，具有標(biāo)測和消融的雙重功能。曾有研究使用該消融導(dǎo)管對(duì)25頭豬進(jìn)行PEF消融，使用對(duì)稱的微秒級(jí)雙相波形，電流約為24 A，持續(xù)3～5 s。結(jié)果證實(shí)使用該消融導(dǎo)管可形成持久的線性病變，消融前后膈神經(jīng)功能的檢查以及直接食管內(nèi)消融的組織學(xué)檢查均證實(shí)應(yīng)用該導(dǎo)管消融對(duì)周圍組織的安全性[28]。Lattice-tip導(dǎo)管消融系統(tǒng)在房顫消融過程中可隨時(shí)轉(zhuǎn)換射頻消融和雙相PEF消融模式，可作為三維標(biāo)測電極提供精準(zhǔn)定位，逐點(diǎn)完成環(huán)肺靜脈PEF消融，創(chuàng)建線性消融病變。

五、國產(chǎn)CardioPulse脈沖消融導(dǎo)管

2020年杭州諾茂醫(yī)療科技有限公司自主研發(fā)的CardioPulse脈沖消融系統(tǒng)及導(dǎo)管問世，其消融導(dǎo)管頭端由6條均勻分布的環(huán)形導(dǎo)管臂組成，每條臂上有3個(gè)電極，具有消融和標(biāo)測功能，根據(jù)需要可以調(diào)節(jié)形狀為紡錘形和花瓣?duì)睢?020年12月24日至2021年4月7日云南省阜外心血管病醫(yī)院首次使用該國產(chǎn)脈沖消融系統(tǒng)，完成3例陣發(fā)性房顫患者的導(dǎo)管消融。分別對(duì)4個(gè)肺靜脈口依次放電，放電結(jié)束后均證實(shí)肺靜脈-左心房存在雙向阻滯，且均未出現(xiàn)圍術(shù)期并發(fā)癥。隨訪3個(gè)月，第1例患者動(dòng)態(tài)心電圖顯示房顫復(fù)發(fā)，持續(xù)時(shí)間最長3 min，隨后2例患者增高消融電壓，3個(gè)月復(fù)查動(dòng)態(tài)心電圖未見復(fù)發(fā)現(xiàn)象，初步證實(shí)了CardioPulse脈沖消融的有效性及安全性[29]。2021年3月至7月寧波市第一醫(yī)院和武漢亞洲心臟病醫(yī)院利用該國產(chǎn)脈沖消融系統(tǒng)對(duì)17例陣發(fā)性房顫患者行PEF消融，結(jié)果證實(shí)術(shù)中消融即刻成功率為100%，均未見圍術(shù)期并發(fā)癥。術(shù)后3個(gè)月隨訪，1例患者動(dòng)態(tài)心電圖顯示房顫復(fù)發(fā)，手術(shù)成功率為94.1%（16/17），肺靜脈CT未見肺靜脈狹窄等并發(fā)癥[30]。

PEF在房顫消融的臨床研究

Reddy等[12]首次報(bào)道將PEF應(yīng)用人體消融，納入22例房顫患者，其中15例為經(jīng)心內(nèi)膜途徑，在全身麻醉下將花瓣樣電極導(dǎo)管在心腔內(nèi)超聲及透視下成功送至肺靜脈口。使用PEF消融進(jìn)行肺靜脈隔離，其余7例為經(jīng)心外膜途徑。在消融期間未出現(xiàn)惡性心律失常、心室功能障礙等事件，且消融后的電生理學(xué)檢查證實(shí)了經(jīng)心內(nèi)膜途徑肺靜脈口100%成功隔離，經(jīng)心外膜途徑肺靜脈消融的成功率也達(dá)87.5%，且右側(cè)膈神經(jīng)功能檢查均證實(shí)神經(jīng)功能未受到損傷。隨后發(fā)表了81例PEF消融病例研究，分別使用雙相電壓為1 800～2 000 V，單相電壓為900～1 000 V雙極PEF消融，消融過程中無急性不良事件，且消融速度快，透視時(shí)間短。隨訪3個(gè)月行電生理學(xué)檢查證實(shí)環(huán)肺靜脈電隔離成功率為100%，膈神經(jīng)、食管等未見明顯損傷，進(jìn)一步證實(shí)了環(huán)肺靜脈PEF消融效果持久，安全性良好[15]。最近Reddy等[31]報(bào)道了PEF消融陣發(fā)性房顫3個(gè)臨床試驗(yàn)隨訪1年的結(jié)果，共121例患者，總的無房性心律失常復(fù)發(fā)比例為78.5%±3.8%，而對(duì)于優(yōu)化PEF能量組的無復(fù)發(fā)率為84.5%±5.4%。

近年也有研究使用Lattice-tip導(dǎo)管消融系統(tǒng)對(duì)76例房顫患者行環(huán)肺靜脈電隔離，二尖瓣、三尖瓣峽部和左心房頂部線性消融，選擇射頻消融聯(lián)合PEF消融，結(jié)果證實(shí)消融成功率高，透視時(shí)間短，圍術(shù)期無器械相關(guān)并發(fā)癥，食管胃十二指腸鏡檢查證實(shí)PEF消融部位無食管熱損傷效應(yīng)，但長期臨床療效仍需進(jìn)一步隨訪[32]。

綜上，PEF是房顫消融的新技術(shù)，具有選擇性損傷心房肌細(xì)胞，避免肺靜脈狹窄和鄰近結(jié)構(gòu)（例如食管、膈神經(jīng)或冠脈）損傷等優(yōu)勢。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和初步的臨床試驗(yàn)研究已證實(shí)其可行性及安全性。但目前臨床研究較少，樣本量小，隨訪時(shí)間短，同時(shí)影響PEF消融的因素眾多，電壓強(qiáng)度、脈寬、脈沖頻率、波形、脈沖場強(qiáng)及向量方向等都會(huì)影響消融的大小及深度，具體參數(shù)的選擇仍要繼續(xù)摸索。相信隨著器械的不斷研發(fā)，技術(shù)的不斷進(jìn)步，將來會(huì)有更多的循證依據(jù)支持PEF在心臟消融領(lǐng)域的應(yīng)用。