李敏綜述 王安才審校

綜 述

心臟無導線起搏及生物起搏研究進展

李敏綜述 王安才審校

無導線起搏；超聲能量介導；生物起搏；基因工程

心臟起搏器技術自1958年問世以來，已應用于緩慢心律失常、心源性猝死的預防及心臟再同步治療的患者，取得可觀成效。起搏器經(jīng)歷了從初期的大型到后來的小型化，然而微創(chuàng)和降低并發(fā)癥是起搏器更新?lián)Q代的驅動力，起搏器本身產生的并發(fā)癥如導線折斷、脫位及絕緣層破裂、導線與脈沖發(fā)生器連接問題及靜脈血栓形成等，使得無導線心臟起搏技術得以長足發(fā)展。另一方面，心臟生物起搏由于其生物環(huán)保、更接近人體正常生理節(jié)律，近些年來成為學者們研究的新寵，備受推崇。

1 無導線心臟起搏技術

1.1 無導線心臟直接起搏 即微型化無導線心臟起搏器，俗稱“子彈頭”，微型無導線起搏器是一種直接可把電極整合入脈沖發(fā)生器的起搏裝置，起搏陰、陽極位于頭、尾兩端，其頭部的4根金屬絲可螺旋倒鉤于心肌而主動固定起搏器，無需經(jīng)靜脈植入心內膜導線及外科手術制作囊袋，并發(fā)癥少[1]。美國Nanostim公司于2012年底制作的無導線心臟起搏器(leadless cardiac pacemaker，LCP)，可經(jīng)股靜脈系統(tǒng)植入心臟內行起搏功能，關于其在人體中的安全性及可行性，有學者作了臨床測試[2]，入選的33例患者，其中術中成功率97%，2例出現(xiàn)術后并發(fā)癥(1例輕度腹股溝血腫、1例心臟穿孔繼發(fā)心包壓塞)。Koruth等[3]利用健康羊模型進行LCP植入研究，該研究中的LCP植入時的起搏閾值：(1.2±0.7)V，R波感知：(9.1±3.9)mV；90 d后隨訪時的起搏閾值：(0.7±0.2)V，R波感知：(8.1±3.9)mV，它們之間的起搏參數(shù)(閾值、R波感知)差異無統(tǒng)計學意義。Sperzel等[4]在羊模型完成LCP植入后的159～161 d時進行了拔除實驗，10只羊的LCP均獲得成功拔除，整個過程中平均耗時少，且未出現(xiàn)穿孔、栓塞等不良事件。2015年4月，Medtronic公司推出一款全球最小的無導線心臟起搏器Micra TPS，基于一項涉及60例患者的安全性和有效性評估研究，因此獲得了歐盟CE認證，Micra TPS似一顆大粒的維生素膠囊，其體積、重量僅為傳統(tǒng)起搏器的1/10，使用壽命8～10年，Micra TPS通過股靜脈系統(tǒng)植入后直接附在心臟內壁上，其末端電極直接發(fā)出電脈沖進行起搏，而且能夠兼容MR掃描。一項Micra TPS全球臨床試驗，計劃在50個臨床中心納入780例患者，并將在2015年美國心律學會(HRS2015)上公布研究結果[5]。2015年2月阜外醫(yī)院完成我國首例微型化無導線起搏器植入術，入選的該例男性患者，Holter檢查提示房顫伴R-R長間歇(達6 s)，但既往患者有糖尿病足并反復破潰感染病史，若采取傳統(tǒng)方法起搏存在易感染及術后愈合困難的風險，阜外醫(yī)院使用的MicraTM無電極導線起搏器經(jīng)股靜脈系統(tǒng)以“袖珍膠囊”的形式直接植入患者心腔內部，手術順利，術中起搏參數(shù)測試滿意，術后恢復可，無不良并發(fā)癥。

1.2 超聲介導的無線心臟起搏 即經(jīng)過體表通過超聲能量傳輸方式給予心臟起搏；該系統(tǒng)由放置在體外(臨時)或埋植在體內(永久)的超聲發(fā)射器不斷產生波束穿過胸壁的超聲聲學窗口向植入心內膜下心肌內的超聲接收器提供超聲波，超聲接收器將其轉化為起搏電脈沖，進而有效起搏心臟[6]。

Echt 等[7]利用豬心模型進行超聲心臟起搏研究。利用 5 頭豬心進行了可行性研究，該研究中，超聲無導線起搏起搏閾值(1.3±0.4)V與直接電脈沖起搏起搏閾值(1.4±0.5)V相比，它們之間的起搏閾值及有效起搏率差異無統(tǒng)計學意義(P=0.14)。利用 6 頭豬心進行了超聲起搏心臟的安全性研究，該研究中反映機械損傷指數(shù)MI為0.5(正常范圍為0.1～1.2)及反映熱損傷指數(shù)TI為0.006，結果提示未有機械損傷及熱損傷；使用超出起搏閾值3～4倍的能量進行2 h超聲波發(fā)放時亦未發(fā)現(xiàn)明顯的心肌組織損傷，提示超聲能量具有很好的安全性。Lee等[8]于2007年首次進行了關于人體臨時性超聲無導線心臟起搏的臨床研究測試，入選了男女各12例患者，在患者心臟右房、右室及左室 80 個部位均能夠持續(xù)性奪獲，發(fā)射器距離接收器平均(11.3±3.2)cm，產生的起搏信號平均閾值為(1.01±0.64)V；同時發(fā)現(xiàn)在連續(xù)12 s的有效起搏過程中，患者亦未有明顯不適主訴。研究表明該項技術在人體應用中安全可行。針對人體采用的永久性超聲無導線心臟起搏，Auricchio等[9]于2014年發(fā)表了最新進展，該研究報告的13例患者均為有CRT適應證的心力衰竭患者，是歐洲 WiSE-CRT(無導線左心室心內膜起搏再同步化治療)研究病例的一部分，相對于傳統(tǒng)CRT的左室心外膜起搏，左室內膜起搏可減少左室機械收縮的不同步及心室復極離散度，更具生理性，隨著WiCS-LV系統(tǒng)(超聲無導線左室起搏系統(tǒng))的植入，并對其進行6個月的隨訪，11例患者心臟超聲LVEF、LVEDV及LVESV等指標均有明顯改善，Holter檢查提示雙室同步起搏后的QRS波時限明顯減少，2/3的患者NYHA 心功能分級至少改善一個等級；安全性方面，術中1例患者左室不起搏，3例患者發(fā)生心包積液，其中1例死亡。

1.3 電磁能介導的無線心臟起搏 即經(jīng)過體表通過磁能量傳輸方式給予心臟起搏。Wieneke等[10]首先進行了由磁感應進行心臟起搏的研究，并證實具有可行性，其中該系統(tǒng)磁場強度設置為0.5 mT，發(fā)射器距離接收器3 cm，產生的起搏信號閾值為0.6～1.0 V，脈寬0.4 ms。隨后進一步就羊模型進行可行性研究，研究對象納入羊3個右心室、2個左心室的心臟位點，結果表明，在磁能量發(fā)射器距離接受器6.2～10.2 cm范圍，均可實現(xiàn)有效起搏。

無導線心臟起搏技術具有獨特性，但仍有需解決的問題如：(1)人體長期接觸超聲波及電磁場，目前缺乏大量臨床樣本說明其是否具有危害性；(2)超聲起搏存在諸多需解決的技術要點，包括如何選擇有效起搏靶點，應用右室起搏系統(tǒng)時如何設置、調控及測試右房與右室不同脈寬的起搏脈沖；(3)電磁場介導的無線心臟起搏能否避免自然界電磁場干擾，目前缺乏相關文獻及臨床證據(jù)，有待更進一步的研究；(4)如何解決能量傳輸過程中損耗的問題，以避免頻繁更換器械；(5)無導線起搏技術的電極尚不能應用于除顫，仍需技術改進。

2 心臟生物起搏技術

心臟生物起搏是指運用細胞分子生物學及其相關技術，對受損的節(jié)律點或特殊傳導系統(tǒng)的組織進行修復和替代，使心臟的起搏和傳導功能得以恢復。

2.1 基因生物起搏

2.1.1 超級化激活的環(huán)腺苷酸門控蛋白(HCN)：HCN是起搏電流If形成的分子基礎，cAMP能夠與HCN的胞內區(qū)C端結合，進而調控HCN通道的電壓激活特性，使其趨于激活電壓，當細胞內存在高濃度cAMP時，可加速通道的激活，并使之開放更完全。HCN通道包括HCN1-4四個亞型，在人體心臟中HCN1、 HCN4主要存在于竇房結，其中HCN4為最主要的構型，HCN4及其介導的起搏電流If是竇房結細胞4期自動去極化形成的關鍵環(huán)節(jié)[11]，既往學者們大都通過將HCN基因修飾干細胞后并在體外誘導分化為起搏樣細胞，但近期研究發(fā)現(xiàn)，在移植過程中不可避免地出現(xiàn)起搏功能退化或消失的現(xiàn)象[12，13]，僅僅依靠重建If的離子通道很難獲得穩(wěn)定而有效的生物起搏點。

2.1.2 Tbx[T-box]基因：Tbx基因家族是繼起搏基因HCN之后新近研究的轉錄因子，包括Tbx1、Tbx2、Tbx3、Tbx5、Tbx18及 Tbx20等，其中多項研究證據(jù)顯示Tbx3在竇房結細胞分化成熟中發(fā)揮重要作用[14]。Bakker等[15]將構建的超表達Tbx3的心室肌模型通過運用全細胞膜片鉗及基因芯片技術發(fā)現(xiàn)，Tbx3在心臟起搏組織發(fā)育過程中起到重要作用，而且能夠將成熟心肌細胞的基因序列進行重新設定，使其分化成起搏樣細胞。董皓等[16]成功構建了同時攜帶HCN4、Tbx3基因及EGFP基因(增強型綠色熒光蛋白基因)的慢病毒載體，為通過HCN4聯(lián)合Tbx3基因長期穩(wěn)定的表達構建生物起搏器的后續(xù)實驗研究奠定了基礎。

2.1.3 抑制細胞復極電流：心室肌細胞也具有起搏的潛能，正常情況下被內向整流鉀電流(Ik1)抑制，Miake等[17]將原表達Ik1的基因通過人工干預的方式致其基因突變，并導入豚鼠的心室肌細胞，成功抑制了Ik1的表達，結果發(fā)現(xiàn)此時心室肌細胞表現(xiàn)出自發(fā)動作電位。

2.2 細胞生物起搏

2.2.1 胚胎干細胞移植：胚胎干細胞(embryonic stem cells，ESC)是從哺乳動物早期胚胎(原腸胚期之前)或原始性腺中分離出來的一類細胞，它具有體外培養(yǎng)無限增殖、自我更新和多向分化的特性。2004年，Kehat等[18]將由胚胎干細胞聚集產生的類胚體分化的心肌細胞和鼠的心肌細胞共同培養(yǎng)，并證實這種胚胎干細胞源性的心肌細胞能夠與鼠的心肌細胞產生電—機械耦連，同時將其移植到高度房室傳導阻滯豬心的左室側后壁，移植位點的心肌細胞表現(xiàn)可誘導出規(guī)整的、并能夠維持血流動力學穩(wěn)定的室性心律，而且能夠與受體心肌細胞形成縫隙連接(connexin43和connexin45，Cx43和Cx45)。

2.2.2 骨髓間充質干細胞移植：骨髓間充質干細胞(bone marrow mesenchymal stem cells，BMSCs)是存在于骨髓中的具有高度自我增殖能力及多系分化潛能的干細胞群體，在修復損傷心肌及建立心臟起搏點方面有很大臨床應用潛力。骨髓間充質干細胞作為心臟起搏“種子”細胞，內源性起搏電流較弱，研究人員通過干細胞作為載體，將目的基因轉染 BMSCs后導入宿主細胞，使其起搏電流增強以發(fā)揮起搏效應。矮小同源盒基因亞型2(short stature homobox2，Shox2)是近年來發(fā)現(xiàn)的參與胚胎心臟早期發(fā)育的轉錄調控因子，可顯著抑制Nkx2.5并有效上調HCN4的表達，Espinoza-Lewis 等[19]證實了Shox2基因突變以及在竇房結Nkx2.5出現(xiàn)異位表達時均對竇房結發(fā)育產生不利影響。羅首鳴等[20]利用慢病毒載體將Shox2基因轉染到cBMSCs的基因組中，在心肌微環(huán)境的誘導條件下，攜帶外源基因的cBMSCs產生了生物起搏離子流If，可高表達HCN4、Tbx3、Cx45等竇房結標志性基因。

2.2.3 其他細胞：目前應用于細胞生物起搏研究的還有同種異體竇房結細胞移植、臍帶血細胞移植等。

細胞生物將期待解決的問題有：(1)如何促使胚胎干細胞定向分化成自律性細胞，并且對其有效地鑒別、分離及純化；(2)胚胎干細胞移植對缺血十分敏感，且不易擴增，同時面臨缺乏長期穩(wěn)定性、有悖倫理及致畸胎瘤性問題；(3)目前干細胞移植技術還不成熟，如開胸手術移植創(chuàng)傷大；經(jīng)心內膜下注射心肌途徑可能誘發(fā)惡性室性心律失常；(4)Esmailpour等[21]研究發(fā)現(xiàn)適當強度的Tbx3能夠抑制抑癌基因p14ARF的表達，故可能存在腫瘤發(fā)生的生物安全性問題；(5)Miake等[22]后來又通過實驗證實了心室肌低表達Ik1會導致復極化延長而提高了致心律失常的風險，故此種方式作為生物起搏有待商榷。

綜上所述，無導線心臟起搏技術目前處于臨床驗證階段，且收獲較好評價，具有廣泛應用前景。細胞起搏及基因生物起搏尚處于體外及動物實驗階段，目前就分子水平下起搏機制已漸明確，但仍有諸多技術問題需要解決。通過學者們的不懈努力，相信在不久的將來服務于患者。

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241000 蕪湖，皖南醫(yī)學院弋磯山醫(yī)院老年醫(yī)學科

王安才，E-mail:yjswac@sina.com

10.3969 / j.issn.1671-6450.2015.11.032

2015-07-02)