双心室起搏-不应期电刺激的急性血液动力学变化和离子机制

　　作者：王东琦，舒娟，崔长琮，薛小临，马奕，苏显明，赵小静，朱参战，张海柱 作者单位：西安交通大学医学院：1. 第一附属医院心内科，陕西西安 710061;2. 第二附属医院心内科，陕西西安 710004

　　【摘要】 目的 观察双心室起搏(BivP)对病态窦房结综合征(SSS)患者的急性血液动力学变化和心脏绝对不应期电刺激(ARPES )对豚鼠衰竭心室肌细胞钙离子流的影响。方法 对10例SSS患者经冠状静脉左室后外侧支和右心室心尖部进行BivP，观察起搏前后5 min的心脏每分输出量(CO)、心脏排血指数(CI)、肺毛细血管嵌压(PCWP)和心电图QRS离散度(QRSd)、QT离散度(QTd)、跨室壁复数离散度(TDR)的变化。应用单细胞收缩动缘检测仪和膜片钳技术，观察ARPES前后单个豚鼠衰竭心室肌细胞收缩幅度、ICa-L、Ca-T的变化。结果 BivP时CO、CI分别增加16.2%、16.8%，PCWP下降，TDR变小，表明BivP可增加心肌收缩功能，减小跨室壁复极离散度。ARPES使单个衰竭心室肌细胞收缩幅值和Ca-T分别增高15.5%和16.8%。结论 ARPES可触发ICa-L开放，增加Ca-T，增强豚鼠衰竭心室肌细胞的收缩功能。BivP时一个电信号必然进入另一个电信号的绝对不应期，因此BivP-ARPES时ICa-L开放，Ca-T增加等，可能也是其改善心脏收缩功能的机制之一。

　　【关键词】 双心室起搏;绝对不应期电刺激;心脏再同步治疗;慢性心力衰竭;L型钙电流-钙瞬变

　　Acute homodynamic effects of biventricular pacing in SSS patients and its ionic mechanism

　　Wang Dongqi, Shu Juan, Cui Changcong, Xue Xiaolin, Ma Yi, Su Xianming, Zhao Xiaojing, Zhu Canzhan, Zhang Haizhu

　　1. Department of Cardiology, the First Affiliated Hospital, Medical School ofXi’an Jiaotong University, Xi’an 710061;

　　2. Department of Cardiology, the Second Affiliated Hospital, Medical School of Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710004, China

　　ABSTRACT: Objective To evaluate the acute homodynamic effects of biventricular pacing (BivP) in sick sinus syndrome (SSS) patients and investigate the Ca2+ changes during absolute refractory period electrical stimulation (ARPES) in failing guinea-pig ventricular myocyte. Methods The CO, CI, PCWP and ECG parameters were measured in ten patients with SSS before and after 5 min BivP connecting RVA+LVB. The extent of contraction and Ca2+ transient (Ca-T) changes of failure guinea-pig ventricular myocyte were recorded with the motion edge detection system. Results CO and CI increased by 16.2% and 16.8%, respectively; PCWP and TDR decreased during BivP, which suggested that BivP could improve systolic function and TDR. The contraction extent and Ca-T(F360/F380) of failure guinea-pig ventricular myocyte increased by 15.5% and 16.8%, respectively, during ARPES. It suggested that increased contractility of failure myocyte might be due to ICa-L and Ca2+ released from SR after appropriate ARPES. Conclusion Appropriate ARPES might strengthen contractility through increasing ICa-L and Ca-T of failing guinea-pig ventricular myocyte. One signal has conducted into another’s ARP in BivP, so the changed ICa-L and Ca-T during BivP-ARPES may be one of the mechanisms of improving systolic function.

　　KEY WORDS: biventricular pacing; absolute refractory period electrical stimulation; cardiac synchronization therapy; chronic heart failure; L-type calcium current-Ca2+ transient

　　心脏再同步治疗(cardiac resynchronization therapy, CRT)是近年来慢性心力衰竭(chronic heart failure, CHF)最重要的治疗进展之一，其机制被认为与双心室起搏(biventricular pacing, BivP)使左右心室的同步性改善、QRS变窄有关[1]。但20%-30%患者心功能改善与QRS波的变窄无相关性[2-5]。

　　电收缩偶联是心脏收缩活动的最根本的离子机制，其间细胞内钙浓度的瞬时变化称为钙瞬变(Ca2+ transient, Ca-T)，周而复始的电收缩偶联和Ca-T形成了心肌细胞的收缩和舒张运动[6]。国外[7-8]和本课题组[9-12]的研究已表明，心脏绝对不应期的电刺激(absolute refractory period electrical stimulation, ARPES)可增强CHF心肌的收缩力，也称为心脏收缩功能调整(cardiac contractility modulation, CCM)。机制是ARPES虽不产生有效地心脏激动，可以触发细胞膜上的电压依赖性钙通道(ICa-L)开放，产生Ca-T，增加肌钙蛋白的滑动和心肌的收缩功能。因此，我们推测BivP时一个电信号必然进入另一个电信号的绝对不应期，可以触发ICa-L开放产生Ca-T，增加心肌的收缩功能。本文观察BivP对病态窦房结综合征(sick sinus syndrome, SSS)患者的急性血液动力学变化和ARPES对衰竭豚鼠心室肌细胞钙离子流变化的影响，探讨BivP-ARPES的离子流机制。

　　1 对象与方法

　　1.1 BivP急性血液动力学变化的测定

　　选择心功能正常QRS正常的需要植入心脏起搏器的SSS患者10例;平均窦性心率(46.8±19.6)次/min，年龄(54.1±6.8)岁，男7例，女3例;其中3例在临时起搏器保护下进行。经患者知情同意书签字后，用自制Y形转换器，分别连接经冠状静脉左室后外侧基底部(left ventricle base, LVB)和右心室心尖部(right ventricle apex, RVA)的电极。用70次/min的同一起搏频率，分别行RVA、右室流出道(right ventricle outflow tract, RVOT)、LVB、右室双部位(RVA+RVOT)和BivP起搏(RVA+LVB)，用Swan-Ganz漂浮导管热稀释法测定起搏前和起搏后5 min的心脏每分输出量(cardiac output, CO)、心脏排血指数(cardiac index, CI)、肺动脉压(pulmonary artery pressure, PAP)和肺毛细血管嵌压(pulmonary capillary wedge pressure, PCWP)等血液动力学的指标，同步记录12导心电图，测定QRS离散度(QRS dispersion, QRSd)、QT离散度(QT dispersion, QTd)和反映跨室壁复极离散度(transmural dispersion of repolarization, TDR)的T波顶点至T波终点间期(Tp-Te)。

　　1.2 ARPES对衰竭豚鼠心肌细胞钙离子流的影响和单细胞钙瞬变的检测

　　采用升主动脉缩窄致压力负荷过重心力衰竭模型。用主动脉逆流灌注，消化酶解方法获得单个心室肌细胞。刺激仪为光电SEN-7103，刺激参数均为0.5 Hz，基础刺激(S1)脉宽4 ms，S1后延时10 ms给予S2(ARPES)，脉宽10 ms，S1和S2刺激电压均为60 V(动物实验高于正常人)。应用单细胞收缩动缘检测仪(motion edge-detection system, IonOptix Corporation, USA)动态跟踪测定单细胞收缩和舒张变化。应用膜片钳技术记录动作电位(AP)和AP电压钳下的细胞膜L型钙通道电流(ICa-L)。在360 nm激发光束条件下，心肌细胞内结合钙和未结合钙的fura-2所激发荧光均被检测，在380 nm激发光束条件下，仅未结合钙的fura-2所激发荧光被检测。应用两种条件下荧光强度的比值(F360/F380)反映Ca-T。观察ARPES给予前后单个心室肌细胞收缩幅度和Ca-T的变化。

　　1.3 数据统计

　　用Pclamp8.1和Origin6.1软件进行资料测量和统计分析。结果以均值±标准差表示。配对资料采用配对t检验。以P<0.05为有显著性差异。

　　2 结 果

　　2.1 BivP的急性血液动力学变化

　　RVA、RVOT、LVB、RVBi和BivP等5种起搏方式的CO、CI依次增加，后4种方式起搏较RVA起搏CO分别增加5.1%、7.3%、12.6%和16.2%;CI则分别增加6.3%、8.0%、13.9%和16.8%(表1)。其中BivP时CO和CI分别增加16.2%和16.8%;PCWP下降20%左右，且QRSd、QTd、TDR均显著缩小，表明BivP对心功能正常、QRS正常的患者也可增加心肌收缩功能，减小跨室壁离散度。

　　2.2 单细胞收缩幅值变化和单细胞的钙瞬变

　　单个衰竭豚鼠心室肌细胞在基础刺激S1的作用下规律收缩，经10 ms的延时再给予S2后，心室肌细胞收缩幅值增高(15.53±5.31)% (P<0.05)，收缩速度峰值增加(10.60±3.02)% (P<0.05)，舒张速度峰值增加(23.32±8.26)% (P<0.01，n=6);且S2停止，细胞收缩恢复至S2刺激前水平，上述变化重复性好(图1)。ARPES (S1+S2)时心室肌细胞收缩过程F360/F380幅值(反映Ca-T)增加(16.82±7.03)% (P<0.01)，其增高速度与减少速度分别增加(16.27±5.91)%和(10.32±2.46)%(P<0.05，n=6);表明ARPES提高衰竭心肌收缩力与ICa-L开放和肌浆网瑞兰道受体的钙释放有关;且S2停止，Ca-T恢复至S2刺激前水平，该作用重复性好(图2)。表1 不同部位起搏对CO、CI、PWP和QRSd、QTd、TDR的影响(略)

　　3 讨 论

　　目前认为CRT治疗CHF的机制是心室再同步化[1]。但是，许多研究表明CRT治疗可使多数不同年龄、不同QRS宽度、不同的室内阻滞、不同的心衰程度、不同病因的心衰患者获益[3-4];而大约有20%-30%的心衰患者经CRT治疗后并无改善[2];提示其治疗机制和预测疗效除心室再同步化以外，可能还有其他机制参与。本课题组的既往研究也有同样看法[9]。

　　对在体动物及离体乳头肌的实验已表明，ARPES可增强衰弱心肌的收缩力，也称为心脏收缩功能调整[7-12]。当心室肌细胞受到电信号的刺激时(如膜电位上升至-50 mV左右)，细胞膜上的ICa-L开放，细胞外的钙电流快速流入细胞内，并且触发肌浆网上的瑞兰道受体开放，使细胞内游离钙浓度([Ca2+])由10-7瞬时升高为10-5，引起肌钙蛋白产生一次收缩运动。收缩完成后细胞内游离钙再由胞浆内转入肌浆网和转出细胞外，使[Ca2+]再由10-5瞬时下降为10-7，完成一次心动过程。[Ca2+]的瞬时变化称为Ca-T。周而复始的电收缩偶联和Ca-T形成了心肌细胞的收缩和舒张[6]。ARPES对单细胞舒缩功能和Ca-T的影响罕见报道。本研究以荧光比值(F360/F380)变化来反映[Ca2+]变化，结果表明在衰竭心室肌细胞动作电位的绝对不应期内给予的与S1同频率的适宜S2刺激，可增强单个心室肌细胞缩短幅值，同时缩短和复长速度增加;说明心室肌细胞舒缩能力的变化与[Ca2+]和Ca-T的变化同步。

　　绝对不应期指心肌细胞除极后对电刺激绝不再发生应激反应的时间间期，相当于2位相或ST段的早期，因此ARPES不会引起心室夺获，但是可引起离子流的变化。因为ICa-L是电压依赖性通道电流，只要有微小的电压变化(-50左右)就可以引起ICa-L再次开放，并触发瑞兰道受体从肌浆网释放储存的钙，产生钙瞬变。著名电生理学家Arthur J Moss指出：“心脏并没有患老年性痴呆，它在心室起搏后具有电的和机械的记忆功能，表现为持续的复极变化和舒张功能异常，心电图的LBBB和T波倒置，其物质基础是影响复极变化的离子通道蛋白质的变化”[14]。而钙通道变化对心功能的影响最为重要[15]。心电图上QRS的宽度和形态可以反映心室除极的变化，而ST段和T波的形态异常则代表了参与心肌复极的离子流的变化[16]。反之，参与心肌除复极的离子功能的改善,可以使障碍的心功能有一定程度的恢复。我们应用计算机仿真研究也证明ARPES可引起Ca2+内流加大和胞膜内Ca2+浓度增加[17]。本文研究表明，BivP能明显改善心功能和室内传导正常的病窦病人的急性血液动力学变化，提示BivP可能通过ARPES来提高心脏的收缩功能。

　　目前，认为心电图的QRS波的宽度不一定能预测BivP-CRT的治疗效果[18]，而QRS波的宽度的缩短率对预测疗效可能更有价值[19]，利用组织多普勒、实时多普勒和三维超声心动图等观察心室的不同步或不协调运动，特别是室间隔-左室侧壁延长时间>60 ms更有价值[20]，本实验结果表明ARPES能触发ICa-L通道开放和产生Ca-T，而BivP时一个电信号必然进入另一个电信号的绝对不应期，同样能触发ICa-L开放和产生Ca-T，因此ICa-L和Ca-T可能是BivP除了心室再同步化以外的另一个重要的离子流机制。

　　【参考文献】

　　[1]Hunt SA. American college of cardiology; american heart association task force on practice guidelines (writing committee to update the 2001 guidelines for the evaluation and management of heart failure) [J]. J Am Coll Cardiol, 2005, 46(6):81-82.

　　[2]Hummel JP, Lindner JR, Belcik JT, et al. Extent of myocardial viability predicts response to biventricular pacing in ischemic cardiomyopathy [J]. Heart Rhythm, 2005, 2(11):1211-1217.

　　[3]Jarcho JA. Resynchronizing ventricular contraction in heart failure [J]. N Engl J Med, 2005, 352 (15):1594-1599.

　　[4]Bristow MR, Saxon LA, Boehmer J, et al. Cardiac resynchronization therapy with or without an implantable defibrillator in advanced chronic heart failure [J]. N Engl J Med, 2004, 350(21):2140-2150.

　　[5]Cleland JG, Daubert JC, Erdmann E, et al. The effect of cardiac resynchronization on morbidity and mortality in heart failure [J]. N Engl J Med, 2005, 352(15):1539-1548.

　　[6]Bers DM. Cardiac excitation-contraction coupling [J]. Nature, 2002, 415(6868):198-205.

　　[7]Burkhoff D, Felzen B, Shimizu J, et al. Electric currents applied during the refractory period can modulate cardiac contractility in vitro and in vivo [J]. Heart Fail Rev, 2001, 6(1):27-34.

　　[8]Pappone C, Vicedomini G, Salvati A, et al. Electrical modulation of cardiac contractility: Clinical aspects in congestive heart failure [J]. Heart Fail Rev, 2001, 6(1):55-60.

　　[9]Zhu CZ, Cui CC, Zhang QF, et al. A comparative study of acute hemodynamic effects of multi-site cardiac pacing in patients with cardiac function NYHA classⅠtoⅡ without bundle branch block [J]. South China J Cardiol, 2001, 2(1):101-105.

　　[10]Zhang HZ, Cui CC, Zhao XJ, et al. Effects of electric stimulations applied during absolute refractory period on ventricular muscle from rabbits [J]. South China J Cardiol, 2002,3(1):115-117.

　　[11]张海柱，崔长琮，赵晓静，等. 绝对不应期电刺激对正常兔在体心脏心功能的影响 [J]. 中华心律失常学杂志, 2004, 8(1):70-71.

　　[12]赵晓静，崔长琮，张海柱，等. 绝对不应期电刺激对正常豚鼠心室肌细胞舒缩及钙瞬变的影响 [J]. 中国心脏起搏与心电生理杂志, 2003, 17(2):294-296.

　　[13]Bardy GH, Lee KL, Mark DB, et al. Amiodarone or an implantable cardioverter defibrillator for congestive heart failure [J]. N Engl J Med, 2005, 352(3):225-237.

　　[14]Moss AJ. The heart does not have Alzheimer’s disease. Electrical and mechanical cardiac memoring after ventricular pacing [J]. J Am Coll Cardiol, 2004, 44(9):1889-1890.

　　[15]Plotnikov AN, Yu H, Geller JC, et al. Roles of L-type calcium channels in pacing-induced short-term and long-term cardiac memory in canine heart [J]. Circulation, 2003, 107(22):2844-2849.

　　[16]王东琦，姚青海，崔长琮，等. 心电图心室复极波的细胞离子流机制与临床 [J]. 中华心律失常学杂志, 2005, 9(6):478-482.

　　[17]金印彬，杨琳，崔长琮，等. 绝对不应期电刺激对心室肌细胞内Ca2+浓度影响的计算机仿真研究 [J]. 中华心律失常学杂志, 2006, 10(1):45-49.

　　[18]Bleeker GB, Schalij MJ, Molhoek SG, et al. Relationship between QRS duration and left ventricular dyssynchrony in patients with end-stage heart failure [J]. J Cardiovasc Electrophysiol, 2004, 15 (5):544-548.

　　[19]Lecoq G, Leclercq C, Leray E, et al. Clinical and electrocardiographic predictors of a positive response to cardiac resynchronization therapy in advanced heart failure [J]. Eur Heart J, 2005, 26 (11):1094-1100.

　　[20]Yu CM, Zhang Q, Fueng WH, et al. A novel tool to assess systolic asynchrony and identify responders of cardiac resynchronization therapy by tissue synchronization imaging [J]. J Am Coll Cardiol, 2005, 45 (5):677-668.