脉冲场消融在房颤中的应用进展

2021-10-26路桥张先林王洪巨

实用心电学杂志 2021年5期

路桥张先林王洪巨

房颤是临床中最常见的心律失常之一，因其患病率迅速上升而被列为一种流行病[1]。迄今为止，房颤的导管消融术多采用射频或冷冻球囊消融，以实现肺静脉隔离[2]。近年来，随着对消融术研究的加深，其他能量形式也被开发用于消融术，包括微波、高强度聚焦超声、激光和加热盐水。通常来说，对于组织的破坏是通过冷冻或加热来实现的，然而，这对于消融能量的控制有一定要求：如果射频或冷冻球囊消融参数较低，则可能导致肺静脉隔离不完全；如果消融参数过高，则可导致过度消融并对周围结构(食管、肺静脉、膈神经等)造成损伤[3]。

脉冲场消融(pulsed field ablation，PFA)是一种非热消融技术，它使用高振幅脉冲电场、以不可逆电穿孔机制消融组织。不可逆电穿孔，是指对细胞施加高压电场，导致细胞膜通透性增加和下游细胞死亡。该技术已广泛应用于肿瘤治疗、其他靶向组织的消融及抗感染治疗[4-8]。将脉冲电场用作房颤导管消融的替代能源，是当前的研究热点。由于脉冲电场具有独特的非热性和组织特异性，因此较其他能源可能更安全。本文就PFA近期的研究进展进行论述。

1 房颤的流行与消融

房颤定义为现在或既往标准12导联心电图或≥30 s单导联心电图提示房颤心律，RP间期不规则，无明显重复的P波[9]。如房颤发作持续时间≤7 d且可自行终止，则定义为阵发性房颤；如房颤发作持续时间>7 d且为非自限性，则定义为持续性房颤[10]。

房颤的治疗思路主要是通过抗凝和减轻症状，减少血栓栓塞事件及心脑血管意外的发生。多年来，抗心律失常的药物治疗一直是房颤治疗的基石，但房颤反复发作、药物不良反应等问题始终难以解决。随着相关研究的进展，导管消融成为房颤治疗的一线方案。与使用抗房颤药物相比，经射频消融术治疗的房颤患者远期复发率更低[11]。

在绝大多数患者中，阵发性房颤是由源自肺静脉的异常起搏点触发的。Haïssaguerre等[12]首次描述了起源于心房肌至肺静脉的局灶性病变的存在；这些病灶表现出极高频率的电活动，导致心房电活动传导不均匀，从而引发房颤。Chen等[13]研究表明，在85%～95%的阵发性房颤患者中，肺静脉病灶是房颤的起始触发源。因此，肺静脉隔离是房颤导管消融成功的关键。

2 脉冲场消融的原理

2.1 电穿孔

电穿孔是通过将高压电流产生的脉冲电场施加到细胞上，导致靶细胞膜上形成孔洞，细胞的通透性增加。其中的脉冲电场通常由电极之间输送的高压直流电产生，而Caluori等[14]2020年的最新研究证实了利用交流电产生脉冲电场的可能性。当电场施加于细胞膜时，电荷在脂质双分子层上排列，一旦达到临界阈值，就会发生电穿孔现象[15]。根据脉冲持续时间、电压、频率和极性等参数的不同，电穿孔亦有强弱之分，其强度由低到高分别可造成细胞发生短暂可逆的变化、不可逆凋亡乃至坏死。低强度的电场作用形成可逆的电穿孔，其已被用于药物或基因片段的传递，但不损害细胞活力[16]。较高强度的电场会造成不可逆电穿孔，导致细胞膜的通透性发生剧烈变化，从而造成细胞死亡。最初人们研究并利用它的杀菌作用，后来它逐渐成为消融肿瘤组织的方法[17]。在不可逆电穿孔过程中，由于脉冲持续时间短，产生的热量可以忽略不计，因此产生了一种非热性消融机制，其目标是细胞膜，而不是细胞外基质。Koruth等[18]研究发现，与射频消融术不同，脉冲消融术后的猪食管切片未发现任何侵蚀、炎症或纤维化的证据。由于PFA的非热性及组织特异性，因此被逐渐应用于心脏疾病的治疗。

2.2 电极和导管

不可逆电穿孔的形成首先依赖于电场的产生，其次是电场的传送装置。通常电穿孔所需的电场是通过在组织内或与组织接触的电极上施加高电压或电流来产生的，目前多采用与纳米刀系统同时使用的针状电极。通过该电极可对射频消融所需参数进行调节，包括峰值输送电压、脉冲持续时间、脉冲延迟、电压波形和倾斜、相位、相间延迟、脉冲数和脉冲序列数等，从而达到消融的预期效果。在既往的文献报道中，并没有发现专门用于传送脉冲电场的导管，但基于Reddy等[19]和Yavin等[20]的研究结果，最近一种新型的网格状尖端导管已被开发用于PFA。

3 脉冲场消融与射频、冷冻消融特性比较

3.1 组织学

由于PFA具有非热特性，PFA术后造成的心肌损伤无论是进行肉眼观察还是组织学检查，与射频消融术后相比都有明显差异。Koruth等[21]、Stewart等[22]研究表明，经肉眼观察，射频消融术后的心肌与邻近的正常组织之间有清晰的界限。尽管现有文献对不可逆电穿孔后心肌组织的描述各不相同，但都指出消融损伤的界限清晰[22-23]。Stewart等[24]研究发现，无论是在上腔静脉、右心耳还是右肺上静脉进行PFA，术后均形成透壁性损伤，并在消融后4周出现完全的环周病变和纤维化；同时，PFA保证了其余心肌组织的安全性，对消融术后的猪组织进行病理学检查，未检测到任何存活的心肌纤维。PFA后的组织与未受消融影响的邻近组织相比，前者的细胞膜受到破坏，结构性细胞外基质被保留，且存在残余的纤维化或成纤维细胞[25]。与射频消融不同，PFA所造成的损伤并不是凝固性坏死，而是产生了肌纤维断裂和炎症[26]。肺静脉的射频消融术会形成瘢痕组织、内膜增生、坏死心肌，而经PFA治疗的肺静脉仍被健康的结缔组织包围[23]。从长期来看，PFA中产生的组织损伤表现为均匀的纤维化，不发生心内膜破裂，几乎没有滞留的心肌及隔离肌细胞，且动脉重塑最小[24]。

3.2 接触依赖性

在射频消融或冷冻球囊消融过程中，为了进行加热或冷冻，需要实现组织及导管的接触，这对手术治疗效果至关重要。不充分的接触很可能导致不完全透壁性病灶的形成，其往往是消融后房颤复发的罪魁祸首。然而，与射频消融相比，PFA对组织的作用是接近而非依赖性的，目标组织所受的影响是由施加在其附近的高压电场造成的，影响的大小则取决于脉冲场所输送电压的强度和施加电压的距离。电压强度越大、施加电压的距离越近，造成的组织损伤就越大[27]。PFA对组织作用距离的非依赖性，也是其引人瞩目的优点之一。

3.3 消融速度

热消融的加热过程通常需耗时几秒到几分钟。近几年，随着研究的深入，射频消融能量可在较短时间内以较高功率输送，因此加热过程可能会缩短，但仍需花费较多的时间[28-30]。相比之下，PFA的能量供应几乎是瞬时的，可在极短时间内达到所需要的能量水平。Reddy等[31]使用双相PFA术实现了快速肺静脉隔离，通常每个肺静脉只需消融1次，每例患者需要3 min左右的能量供应；平均总手术时间92.2 min，短于Kuck等[32]报道的射频消融和冷冻球囊消融的平均手术时间(141、124 min)[32]。PFA的导管平均停留时间(34 min)也短于射频消融和冷冻球囊消融的导管平均停留时间(109、92 min)[31-32]。因此，将PFA的手术时间缩短至1 h或更短是有望实现的。

4 脉冲场消融用于房颤治疗的组织特异性

4.1 心肌

电穿孔的强度随着电场强度等因素发生变化，并且不同组织对电场强度的敏感性不同，心肌细胞似乎对电穿孔造成的损伤高度敏感，因此PFA术更加安全[33]。Kaminska等[34]研究发现，当脉冲强度>375 V/cm时，会产生有效的心肌细胞损伤。心肌组织中的不同区域对电穿孔也表现出不同的敏感性。Koruth等[21]研究表明，心内膜比心外膜更容易受到电穿孔的影响。目前，关于心脏组织对电穿孔更敏感的确切机制还未研究透彻，可能与细胞大小、膜特性等因素有关。Kawamura等[35]发现，在左侧和右侧肺静脉隔离区或未消融后壁区，PFA组和热消融组的肺静脉隔离面积比较，差异无统计学意义；右侧肺静脉隔离区PFA组比热消融组小，但经倾向得分匹配后，这种差异明显消失。

4.2 食管

在房颤射频消融行肺静脉隔离的过程中，最严重的并发症是在左心房后部消融中对食管所造成的损害，形成心房-食管瘘。Koruth等[18]在猪食管损伤模型研究中，将10只动物分为PFA组(6例)和射频消融组(4例)，全麻下在食管接触区域从下腔静脉内进行消融；所有动物存活至25 d，处死后进行食管病理学检查，结果发现PFA组的动物未出现呼吸不畅，而射频消融组中有1只动物出现发热和呼吸困难。病理检查结果显示，6只经PFA的动物未出现食管病变，而所有经射频消融的动物均出现食管损伤，包括1例食管-肺瘘和3例食管深部溃疡[18]。Cochet等[36]的研究中，射频/冷冻消融组中48%的患者和脉冲消融组中61%的患者，其食管与消融目标的左心房区域直接接触。在射频/冷冻组中，43%的患者出现食管损伤，而在食管与消融目标的左心房区域直接接触的患者中，91%的患者出现食管损伤；在接受PFA的患者中，包括食管与左心房区域直接接触的消融患者中，均未观察到食管病变[36]。目前，食管对于不可逆电穿孔损伤的相对抵抗力尚不明确，但以往研究发现，PFA较射频或冷冻消融更安全[18,36-37]。

4.3 肺静脉

目前，肺静脉隔离已逐渐成为热消融术成功的关键。尽管它能有效减少房颤的复发，但在其应用早期由于难以权衡热消融的安全性和有效性，因此静脉狭窄的发生率居高不下[38]。为了评估PFA治疗房颤的安全性和有效性，Howard等[39]的研究中入选了8只成年犬，分别在上肺静脉位置行PFA或射频消融，而下肺静脉位置接受其他能量形式的消融。在消融4周后，32个射频消融位点中的6个(18.75%)和32个PFA位点中的0个(0%)中检出严重狭窄[39]，从而证明了PFA相较于射频消融的安全性。Reddy等[33,37]及Kuroki等[40]的人体研究结果也进一步证实了PFA在肺静脉隔离中具有组织特异性，因此安全性更高。

4.4 膈神经

对心内膜或心外膜进行热消融时容易导致膈神经损伤，但是目前尚无研究表明PFA会导致膈神经损伤。van Driel等[41]研究表明，PFA中可施加能造成心肌损伤的能量，而不引起膈神经的组织学或功能损伤。多项研究表明，当不可逆电穿孔作用于上腔静脉、右心房或右上肺静脉时，并未观察到膈神经功能损伤或病理变化[20,23-24]，进一步证实了上述结论。

4.5 冠状血管

在射频或冷冻消融过程中，为了减少对消融组织附近冠状动脉或静脉的损伤，可以对其中血液的对流进行加热或冷却。虽然这种方法确实可以减少消融对于冠状动脉或静脉的损伤，但当消融发生在非常靠近冠状动脉或静脉的区域时，就可能导致狭窄或闭塞。由于不可逆电穿孔具有非热特性及距离非依赖性，因此PFA应用于冠状血管附近时，较射频或冷冻消融更安全。Neven等[42]及du Pré 等[43]的动物研究表明，无论是在3周还是3个月的观察中，不可逆电穿孔均未引起心脏血管腔狭窄。

5 脉冲场消融的局限性

5.1 消融参数组合未实现标准化

PFA效果的影响因素包括脉冲持续时间、脉冲数、相位、峰值电压、脉冲形状和脉冲频率等。虽然这些因素可以不同的数值自由组合，但目前相对标准化的组合尚未确定。2018年，Cemazar等[44]针对脉冲电场技术，提出了寻找标准化参数的建议。将PFA应用到心脏系统时，我们需要开展更深入的研究，以确定最佳消融参数，从而在确保安全性的前提下实现有效消融。

5.2 心肌损伤的持久性缺乏远期随访证据

在PFA引起心肌损伤的组织学和电生理学研究中采用不同的时间评估方法，目前仅有针对PFA后肺静脉隔离效果短期随访的结果[25,45]。随着PFA消融参数的不同，加之患者存在个体差异性，PFA所造成心肌损伤的持久性也不同。为了更深入地了解心肌损伤的持久性，需要今后进一步开展消融患者的远期随访研究。

5.3 消融中产生的气体造成潜在风险

当高压直流电所产生的电场应用于血液时，可能导致电解及气体的形成。虽然在大量研究中，未发现有血管内实体血栓的形成[21,33]，但Reddy等[31]及Koruth等[21]通过心腔内超声技术发现了微泡的形成，这种微泡很快就消失了，并且没有任何明显的生理影响。但这给临床应用带来了未知的风险，需要通过系统研究找到根本的解决方案。

5.4 骨骼肌收缩影响消融定位及导管稳定性

行单向波PFA前，必须进行全身麻醉和插管，因为单向波的应用会导致骨骼肌收缩。尽管骨骼肌的收缩不会对患者自身造成伤害，但会对消融定位及导管稳定性等造成影响。近年来，多位学者分享了应用双向波进行PFA的方案，其中用到多个持续时间极短、频率很高的脉冲[23,31,46]，可在产生有效损伤的同时防止肌肉收缩。