心脏无导线起搏及生物起搏研究进展

李敏综述 王安才审校

综 述

心脏无导线起搏及生物起搏研究进展

李敏综述 王安才审校

无导线起搏；超声能量介导；生物起搏；基因工程

心脏起搏器技术自1958年问世以来，已应用于缓慢心律失常、心源性猝死的预防及心脏再同步治疗的患者，取得可观成效。起搏器经历了从初期的大型到后来的小型化，然而微创和降低并发症是起搏器更新换代的驱动力，起搏器本身产生的并发症如导线折断、脱位及绝缘层破裂、导线与脉冲发生器连接问题及静脉血栓形成等，使得无导线心脏起搏技术得以长足发展。另一方面，心脏生物起搏由于其生物环保、更接近人体正常生理节律，近些年来成为学者们研究的新宠，备受推崇。

1 无导线心脏起搏技术

1.1 无导线心脏直接起搏 即微型化无导线心脏起搏器，俗称“子弹头”，微型无导线起搏器是一种直接可把电极整合入脉冲发生器的起搏装置，起搏阴、阳极位于头、尾两端，其头部的4根金属丝可螺旋倒钩于心肌而主动固定起搏器，无需经静脉植入心内膜导线及外科手术制作囊袋，并发症少[1]。美国Nanostim公司于2012年底制作的无导线心脏起搏器(leadless cardiac pacemaker，LCP)，可经股静脉系统植入心脏内行起搏功能，关于其在人体中的安全性及可行性，有学者作了临床测试[2]，入选的33例患者，其中术中成功率97%，2例出现术后并发症(1例轻度腹股沟血肿、1例心脏穿孔继发心包压塞)。Koruth等[3]利用健康羊模型进行LCP植入研究，该研究中的LCP植入时的起搏阈值：(1.2±0.7)V，R波感知：(9.1±3.9)mV；90 d后随访时的起搏阈值：(0.7±0.2)V，R波感知：(8.1±3.9)mV，它们之间的起搏参数(阈值、R波感知)差异无统计学意义。Sperzel等[4]在羊模型完成LCP植入后的159～161 d时进行了拔除实验，10只羊的LCP均获得成功拔除，整个过程中平均耗时少，且未出现穿孔、栓塞等不良事件。2015年4月，Medtronic公司推出一款全球最小的无导线心脏起搏器Micra TPS，基于一项涉及60例患者的安全性和有效性评估研究，因此获得了欧盟CE认证，Micra TPS似一颗大粒的维生素胶囊，其体积、重量仅为传统起搏器的1/10，使用寿命8～10年，Micra TPS通过股静脉系统植入后直接附在心脏内壁上，其末端电极直接发出电脉冲进行起搏，而且能够兼容MR扫描。一项Micra TPS全球临床试验，计划在50个临床中心纳入780例患者，并将在2015年美国心律学会(HRS2015)上公布研究结果[5]。2015年2月阜外医院完成我国首例微型化无导线起搏器植入术，入选的该例男性患者，Holter检查提示房颤伴R-R长间歇(达6 s)，但既往患者有糖尿病足并反复破溃感染病史，若采取传统方法起搏存在易感染及术后愈合困难的风险，阜外医院使用的MicraTM无电极导线起搏器经股静脉系统以“袖珍胶囊”的形式直接植入患者心腔内部，手术顺利，术中起搏参数测试满意，术后恢复可，无不良并发症。

1.2 超声介导的无线心脏起搏 即经过体表通过超声能量传输方式给予心脏起搏；该系统由放置在体外(临时)或埋植在体内(永久)的超声发射器不断产生波束穿过胸壁的超声声学窗口向植入心内膜下心肌内的超声接收器提供超声波，超声接收器将其转化为起搏电脉冲，进而有效起搏心脏[6]。

Echt 等[7]利用猪心模型进行超声心脏起搏研究。利用 5 头猪心进行了可行性研究，该研究中，超声无导线起搏起搏阈值(1.3±0.4)V与直接电脉冲起搏起搏阈值(1.4±0.5)V相比，它们之间的起搏阈值及有效起搏率差异无统计学意义(P=0.14)。利用 6 头猪心进行了超声起搏心脏的安全性研究，该研究中反映机械损伤指数MI为0.5(正常范围为0.1～1.2)及反映热损伤指数TI为0.006，结果提示未有机械损伤及热损伤；使用超出起搏阈值3～4倍的能量进行2 h超声波发放时亦未发现明显的心肌组织损伤，提示超声能量具有很好的安全性。Lee等[8]于2007年首次进行了关于人体临时性超声无导线心脏起搏的临床研究测试，入选了男女各12例患者，在患者心脏右房、右室及左室 80 个部位均能够持续性夺获，发射器距离接收器平均(11.3±3.2)cm，产生的起搏信号平均阈值为(1.01±0.64)V；同时发现在连续12 s的有效起搏过程中，患者亦未有明显不适主诉。研究表明该项技术在人体应用中安全可行。针对人体采用的永久性超声无导线心脏起搏，Auricchio等[9]于2014年发表了最新进展，该研究报告的13例患者均为有CRT适应证的心力衰竭患者，是欧洲 WiSE-CRT(无导线左心室心内膜起搏再同步化治疗)研究病例的一部分，相对于传统CRT的左室心外膜起搏，左室内膜起搏可减少左室机械收缩的不同步及心室复极离散度，更具生理性，随着WiCS-LV系统(超声无导线左室起搏系统)的植入，并对其进行6个月的随访，11例患者心脏超声LVEF、LVEDV及LVESV等指标均有明显改善，Holter检查提示双室同步起搏后的QRS波时限明显减少，2/3的患者NYHA 心功能分级至少改善一个等级；安全性方面，术中1例患者左室不起搏，3例患者发生心包积液，其中1例死亡。

1.3 电磁能介导的无线心脏起搏 即经过体表通过磁能量传输方式给予心脏起搏。Wieneke等[10]首先进行了由磁感应进行心脏起搏的研究，并证实具有可行性，其中该系统磁场强度设置为0.5 mT，发射器距离接收器3 cm，产生的起搏信号阈值为0.6～1.0 V，脉宽0.4 ms。随后进一步就羊模型进行可行性研究，研究对象纳入羊3个右心室、2个左心室的心脏位点，结果表明，在磁能量发射器距离接受器6.2～10.2 cm范围，均可实现有效起搏。

无导线心脏起搏技术具有独特性，但仍有需解决的问题如：(1)人体长期接触超声波及电磁场，目前缺乏大量临床样本说明其是否具有危害性；(2)超声起搏存在诸多需解决的技术要点，包括如何选择有效起搏靶点，应用右室起搏系统时如何设置、调控及测试右房与右室不同脉宽的起搏脉冲；(3)电磁场介导的无线心脏起搏能否避免自然界电磁场干扰，目前缺乏相关文献及临床证据，有待更进一步的研究；(4)如何解决能量传输过程中损耗的问题，以避免频繁更换器械；(5)无导线起搏技术的电极尚不能应用于除颤，仍需技术改进。

2 心脏生物起搏技术

心脏生物起搏是指运用细胞分子生物学及其相关技术，对受损的节律点或特殊传导系统的组织进行修复和替代，使心脏的起搏和传导功能得以恢复。

2.1 基因生物起搏

2.1.1 超级化激活的环腺苷酸门控蛋白(HCN)：HCN是起搏电流If形成的分子基础，cAMP能够与HCN的胞内区C端结合，进而调控HCN通道的电压激活特性，使其趋于激活电压，当细胞内存在高浓度cAMP时，可加速通道的激活，并使之开放更完全。HCN通道包括HCN1-4四个亚型，在人体心脏中HCN1、 HCN4主要存在于窦房结，其中HCN4为最主要的构型，HCN4及其介导的起搏电流If是窦房结细胞4期自动去极化形成的关键环节[11]，既往学者们大都通过将HCN基因修饰干细胞后并在体外诱导分化为起搏样细胞，但近期研究发现，在移植过程中不可避免地出现起搏功能退化或消失的现象[12，13]，仅仅依靠重建If的离子通道很难获得稳定而有效的生物起搏点。

2.1.2 Tbx[T-box]基因：Tbx基因家族是继起搏基因HCN之后新近研究的转录因子，包括Tbx1、Tbx2、Tbx3、Tbx5、Tbx18及 Tbx20等，其中多项研究证据显示Tbx3在窦房结细胞分化成熟中发挥重要作用[14]。Bakker等[15]将构建的超表达Tbx3的心室肌模型通过运用全细胞膜片钳及基因芯片技术发现，Tbx3在心脏起搏组织发育过程中起到重要作用，而且能够将成熟心肌细胞的基因序列进行重新设定，使其分化成起搏样细胞。董皓等[16]成功构建了同时携带HCN4、Tbx3基因及EGFP基因(增强型绿色荧光蛋白基因)的慢病毒载体，为通过HCN4联合Tbx3基因长期稳定的表达构建生物起搏器的后续实验研究奠定了基础。

2.1.3 抑制细胞复极电流：心室肌细胞也具有起搏的潜能，正常情况下被内向整流钾电流(Ik1)抑制，Miake等[17]将原表达Ik1的基因通过人工干预的方式致其基因突变，并导入豚鼠的心室肌细胞，成功抑制了Ik1的表达，结果发现此时心室肌细胞表现出自发动作电位。

2.2 细胞生物起搏

2.2.1 胚胎干细胞移植：胚胎干细胞(embryonic stem cells，ESC)是从哺乳动物早期胚胎(原肠胚期之前)或原始性腺中分离出来的一类细胞，它具有体外培养无限增殖、自我更新和多向分化的特性。2004年，Kehat等[18]将由胚胎干细胞聚集产生的类胚体分化的心肌细胞和鼠的心肌细胞共同培养，并证实这种胚胎干细胞源性的心肌细胞能够与鼠的心肌细胞产生电—机械耦连，同时将其移植到高度房室传导阻滞猪心的左室侧后壁，移植位点的心肌细胞表现可诱导出规整的、并能够维持血流动力学稳定的室性心律，而且能够与受体心肌细胞形成缝隙连接(connexin43和connexin45，Cx43和Cx45)。

2.2.2 骨髓间充质干细胞移植：骨髓间充质干细胞(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潜能的干细胞群体，在修复损伤心肌及建立心脏起搏点方面有很大临床应用潜力。骨髓间充质干细胞作为心脏起搏“种子”细胞，内源性起搏电流较弱，研究人员通过干细胞作为载体，将目的基因转染 BMSCs后导入宿主细胞，使其起搏电流增强以发挥起搏效应。矮小同源盒基因亚型2(short stature homobox2，Shox2)是近年来发现的参与胚胎心脏早期发育的转录调控因子，可显著抑制Nkx2.5并有效上调HCN4的表达，Espinoza-Lewis 等[19]证实了Shox2基因突变以及在窦房结Nkx2.5出现异位表达时均对窦房结发育产生不利影响。罗首鸣等[20]利用慢病毒载体将Shox2基因转染到cBMSCs的基因组中，在心肌微环境的诱导条件下，携带外源基因的cBMSCs产生了生物起搏离子流If，可高表达HCN4、Tbx3、Cx45等窦房结标志性基因。

2.2.3 其他细胞：目前应用于细胞生物起搏研究的还有同种异体窦房结细胞移植、脐带血细胞移植等。

细胞生物将期待解决的问题有：(1)如何促使胚胎干细胞定向分化成自律性细胞，并且对其有效地鉴别、分离及纯化；(2)胚胎干细胞移植对缺血十分敏感，且不易扩增，同时面临缺乏长期稳定性、有悖伦理及致畸胎瘤性问题；(3)目前干细胞移植技术还不成熟，如开胸手术移植创伤大；经心内膜下注射心肌途径可能诱发恶性室性心律失常；(4)Esmailpour等[21]研究发现适当强度的Tbx3能够抑制抑癌基因p14ARF的表达，故可能存在肿瘤发生的生物安全性问题；(5)Miake等[22]后来又通过实验证实了心室肌低表达Ik1会导致复极化延长而提高了致心律失常的风险，故此种方式作为生物起搏有待商榷。

综上所述，无导线心脏起搏技术目前处于临床验证阶段，且收获较好评价，具有广泛应用前景。细胞起搏及基因生物起搏尚处于体外及动物实验阶段，目前就分子水平下起搏机制已渐明确，但仍有诸多技术问题需要解决。通过学者们的不懈努力，相信在不久的将来服务于患者。

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241000 芜湖，皖南医学院弋矶山医院老年医学科

王安才，E-mail:yjswac@sina.com

10.3969 / j.issn.1671-6450.2015.11.032

2015-07-02)