行業相關｜新型納米材料「心臟電網」或將成為心衰治療的里程碑

編者按

編者按：日前，研究人員開發出心臟起搏器的升級版——新型納米材料「心臟電網」。這種心臟電網運用新型彈性導電納米材料，對不同心臟獨特的三維形狀都能夠完美貼合，從而為整個心室提供同步電刺激。心臟電網技術重建及模擬了生理學機能，裝置精巧，力量強大。這是一項創新的生理機能恢復方案，為精密的工程學和複雜的醫學相結合提供完美的範例，這一創新有望大幅改善心衰患者的生存狀態，或將心力衰竭治療領域的里程碑。

新型納米材料「心臟電網」一項創新的生理機能恢復方案

日前，由波士頓貝斯以色列女執事醫療中心(BethIsrael Deaconess Medical Center，BIDMC)和韓國首爾國立大學聯合進行的一項研究開發出心臟起搏器的升級版——新型納米材料「心臟電網」。心臟電網運用新型彈性導電納米材料，對不同心臟獨特的三維形狀都能夠完美貼合，從而為整個心室提供同步電刺激。

BIDMC的心血管部門研究員Hye Jin Hwang是文章的通信作者。他表示：「在設計中過程中，我們想要一種與心臟組織十分類似的材料：既有彈性，又要有強導電性能。」他的小組和首爾國立大學的納米材料專家Taeghwan Hyeon博士，以及擅長彈性裝置的Dae-Hyeong Kim博士合作，聯合研發這種新的納米複合材料。

圖1：Dae-Hyeong Kim博士的團隊研製的血管支架，具有柔軟、導電的特點，還可以對藥物釋放進行監控。在此基礎上，他們已開發出可用於「心臟電網」的全新裝置

在為期兩個月的動物實驗中，電網使受損的大鼠心臟恢復張弛，降低了心室壓力，增強了心臟的收縮功能，同時消除了心室性心律失常。下一步，研究者們將在大型哺乳動物身上對心臟電網裝置的長期有效性進行評估。最終目標將是針對心臟病患者的臨床應用。

哈佛大學醫學院副教授Peter J. Zimetbaum 指出，這項研究的重要意義在於，電網裝置精確模仿了正常心臟跳動的生理功能。Zimetbaum同時還擔任BIDMC醫療中心副主任和臨床心臟病醫學主任。Zimetbaum非常看好這項技術，他認為對心臟進行全包圍已不是什麼新概念，但是心臟電網技術重建及模擬了生理學機能，裝置精巧，但力量強大。這是個創新的生理機能恢復方案，為精密的工程學和複雜的醫學相結合提供完美的範例。

「心臟電網」或成為心衰治療的里程碑可大幅改善心衰患者的生存狀態

看完這則報道，心情激動地難以平復，筆者認為心臟電網技術有望大幅改善心衰患者的生存狀態，或將成為心力衰竭治療領域的里程碑。

心力衰竭是心內科的頑疾，其危害性不亞於慢性腫瘤。各種心臟疾病在終末期都會出現心力衰竭，晚期階段，心臟泵功能急劇下降，患者輕度活動即出現胸悶氣喘，無法從事任何日常體力活動，生活質量極差，旁人望之亦覺凄慘。流行病學調查顯示，目前全世界有2.6億慢性心衰患者，心衰患者約450萬，隨著人口老齡化，心衰人群及其相關費用也在飛速增長。

圖2：心衰是全球性的嚴峻挑戰

心衰的非藥物治療進展

在心衰的非藥物治療中，心臟移植進行的比較早。1967年，Barnald大膽嘗試，首開人體心臟移植的記錄，但死亡率極高。隨後，由於手術及相關技術的不斷提高，尤其是抗免疫排斥藥物的研發，心臟移植的成功率大幅度提高，手術成功患者的心功能大多可達到NYHA一級。

但是，心臟移植手術風險較大，在院死亡率在7%左右。心臟術后併發症包括感染、敗血症、供心衰竭、出血、冠狀動脈粥樣硬化、慢性腎衰竭、免疫排斥反應以及服用免疫抑製劑的副作用。另外，供體嚴重不足、費用高昂等問題嚴重限制了該手術的開展。美國每年需要心臟移植的心力衰竭患者大約是5 萬例，但是心臟供體卻不足2 000 個。

面對如此龐大的病人群體，醫療技術人員另闢蹊徑，開創了器械治療作為心力衰竭藥物治療基礎上的輔助治療，能夠有效降低心力衰竭的病死率，逆轉左室重構，改善生活質量。

在心力衰竭階段，心臟的病理生理各方面均會出現嚴重的改變，在電生理方面，會出現左右心室不同步；在心臟結構方面，表現為左心室心腔極度擴大，瓣膜反流；在血流動力學方面，可出現射血分數嚴重減低，外周有效循環明顯下降；在心肌方面，出現收縮力下降，泵功能減退；在神經內分泌方面，出現交感興奮，β受體上調毒性作用等等。

儘管困難重重，偉大的醫療科技人員永遠不會放棄，他們針對心衰各個環節作出了全方位的努力：

1強制協同

即心臟同步化治療，主要用來治療左右心室的不同步，植入后通過心室強制起搏，使心跳趨向於同步，在入選患者條件適合的情況下（經藥物優化治療3～6 個月後仍有癥狀、射血分數減低（≤35％）、寬QRS 間期，預期壽命超過1 年、存在左右心室收縮失同步的慢性心衰患者。）可減少中重度心衰患者再入院、逆轉心室重構、降低病死率。

近年來CRT 技術的新進展主要是左室四極導線和左室多位點起搏技術（MPP）。左室四級導線的4個電極（D1、M2、M3、P4）和右室電極能形成10 個不同起搏向量配置，能有效降低左室起搏閾值、通過參數調整使膈神經刺激等反應最小化、延長電池壽命、降低左室導線脫位風險，增加左室電極穩定性。另外，左室心內膜起搏及無導線起搏技術在CRT 中的應用也是近年CRT 技術的新進展， 但其安全性和有效性還有待臨床研究和臨床實踐的進一步證實。

2心肌收縮調節器治療慢性心衰

CCM 系統包括1 根右房電極和2 根右心室電極，經靜脈途徑分別置於右心耳部、右心室間隔中位及低位，在感知到心室收縮后在絕對不應期發放高電壓的電刺激：在雙心室電極在感知到合適的AV 間期（70～398 ms）后，第2 根心室電極右心室QRS 起始后35 ms 時，2 根電極同時發放電刺激；可在不增加心臟耗氧的情況下增加心肌收縮力CCM 不僅通過局部電刺激增加心肌細胞鈣離子內流提高心肌收縮力， 同時通過降低交感神經輸出，增加迷走神經興奮性來調整自主神經平衡，從而達到逆轉心室重構、改善心衰癥狀、提高心衰患者生活質量的治療目的。CCM 的功效相當於聯合應用β 阻滯劑和迷走神經刺激， 但是該效應局限於心臟，無全身不良反應。

3經皮左室重塑

心衰患者大多左室心腔擴大，心肌收縮乏力，左室射血分數明顯下降，由此，提出另一治療方案是對於擴大的心腔「減容」， 經皮左室重塑術（percutaneous ventricular restoration，PVR）PVR是通過動脈導管系統， 將降落傘樣的心室隔離裝置送達左心室心尖部，達到縮小左室容積、改善心衰癥狀、逆轉心室重構的效果。其適用人群主要為前壁心梗后心尖部運動減弱或消失導致射血分數下降的心衰高危患者。Costa 等的研究中，31 例成功植入心室隔離裝置，平均隨訪3 年後，NYHA 心功能分級在85％的患者中得到改善或維持，左室舒張末期容積及收縮末期容積指數均有所改善。

圖3：心衰治療「降落傘」技術

4改善射血能力的左室輔助裝置

機械循環輔助裝置( mechanicalcirculation support，MCS) 可輔助或者完全替代心臟功能，能夠使患者安全過渡至心臟移植甚至替代移植，此外在其支持下還能有助於患者過渡至心力衰竭誘因消失或者心功能恢復。近年來，小型、方便及性能可靠的MCS 逐漸進入臨床應用。

TandemHeart是一個驅動血液向單一方向流動的離心泵。導管經房間隔將氧合血液從左心房抽吸出來，再由離心泵推進至髂動脈進入全身動脈系統。

Impella 頭端通過主動脈瓣，直接將左心室的血泵入升主動脈，使左心室去負荷，降低左心室舒張末室壁壓力、肺動脈鍥壓( PCWP) 和心肌氧耗量，同時提高冠狀動脈灌注壓及血流。

HeartMate II( HM II) 是第二代LVAD 的代表， HM II 是一個電驅動的軸流泵，「葉輪-轉子」是其僅有的運動部位，能產生高達10L/分鐘的非搏動持續性的血流。2008 年FDA已經批准HM II 的臨床應用。

第三代的左心室輔助裝置是一個離心泵，其推進器或轉子靠磁懸浮或流體動力懸挂在泵的主體腔內，各個部件之間沒有接觸，減少了摩擦，提高了泵的耐久性。包括Heart-Ware、Terumo DuraHeart 和HeartMate III。

全人工心臟( TAH) 適用於全心力衰竭的晚期患者。前全世界共有約1 000 例心力衰竭患者置入TAH。當前FDA 批准的TAH 是CardioWestTAH。它是一個氣動泵，帶有4 個機械瓣膜及2 個70mL 的心室腔，能提供9.5L/分鐘的搏動性血流。在於藥物治療的對照試驗中， CardioWestTAH 組明顯高於藥物組。

儘管越來越多的證據表明MCS 對慢性難治性心力衰竭患者的有效性。但是也存在著不少缺陷，如持續性軸流泵不符合生理性血流，以及出血和血栓問題。

圖4：HeartMate II( HM II) 是第二代LVAD 的代表

5神經內分泌干預

輔助器材對心衰神經干預治療少為人知，治療迷走神經刺激療法（vagus nerve stimulation，VNS） 和脊髓刺激療法（spinal cord stimulation，SCS）等。二者的主要原理為增強副交感神經／迷走神經的調節作用，從而改變心衰患者出現的交感－副交感神經調節失衡狀態。但兩者的臨床效果尚不確定。

新型納米材料「心臟電網」治療心力衰竭

雖然目前應用於心力衰竭的各種設備品種繁多，門類齊全，但是對於增強心肌本身機械收縮力的設備尚無報導，而CCM 系統僅僅是通過電刺激來促進心肌收縮。新型納米材料「心臟電網」的提出是個革命性的概念，這種納米材料具備良好的收縮能力以及強大的導電性能，理化性能非常類似於心肌。

在工作狀態下「心臟電網」像網兜一樣緊緊覆蓋的心臟表面，與心外膜密切貼合。一方面可以通過擠壓作用減小左室容積，像植入「降落傘」一樣提升心臟的博出量；另一方面，就像附著於心臟表面的外骨骼，通過的納米材料的張力調整來幫助心肌的收縮，從而直接提升心肌收縮力。這一點是目前所有左室輔助裝置都無法做到的，更何況它的血流狀態與生理狀態下別無二致，這一點是非常難能可貴的。

還有最神奇的一點是新型納米材料「心臟電網」因為材料本身可以導電，它緊貼心臟表面，可以起到心外膜起搏電極的功能，因此它可以具備CRT的全部功能，並有過之而無不及。因為CRT只有3-6個電極，形成10 個不同起搏向量配置，而新型納米材料「心臟電網」因為像蜘蛛網一樣分佈在心外膜表面，理論上可以形成無數個電極迴路。通過計算機程序的優化，可以非常精確地模擬生理順序激動各部分心肌。優化的心肌再同步化程序，再加上輔助收縮功能的強化，這樣的設備的性能實在是令人期待啊！

相信在不遠的未來，在醫療技術人員的不懈努力下，心衰患者生活治療將大幅度的提高。「給時光以生命，而不是給生命以時光」！

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