双心室起搏不应期电刺激的急性血液动力学变化和计算机仿真研究

　　作者：舒娟，王东琦，金印彬，杨琳，薛小临，马奕，苏显明，赵小静，崔长琮 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及心脏绝对不应期电刺激对心功能的影响，通过计算机仿真研究，探讨绝对不应期电刺激的离子流作用机制。 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双心室起搏，通过漂浮导管观察起搏前后5min的血流动力学和心电图变化的指标。应用计算机仿真技术，观察心脏绝对不应期电刺激前后钙浓度的变化。 结果 双心室起搏时，心脏每分输出量(cardiac output, CO)、心脏排血指数(cardiac index, CI)分别增加16.2%、16.8%，肺毛细血管嵌压(pulmonary capillary wedge pressure, PCWP)下降，跨室壁复极离散度(transmural dispersion of repolarization, TDR)变小，绝对不应期电刺激使仿真的心室肌细胞在绝对不应期正向波刺激，可明显增加Ca2+内流。 结论 双心室起搏可增加心肌收缩功能，减小跨室壁复极离散度。心脏绝对不应期电刺激可触发电压依赖性钙通道开放，使心肌钙浓度增加，增强衰竭心室肌细胞的收缩功能。

　　【关键词】 双心室起搏;绝对不应期电刺激;心脏再同步治疗; 钙浓度;计算机仿真

　　changes of biventricular pacing in patients withsick sinus syndrome and its ionic mechanism

　　SHU Juan1, WANG Dongqi1, JIN Yinbin1, YANG Lin1, XUE Xiaolin1,

　　MA Yi1, SU Xianming1, ZHAO Xiaojing2, CUI Changcong1

　　(1. Department of Cardiology, the First Affiliated Hospital, Medical School of

　　Xi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 observe the acute homodynamic changes of biventricular pacing (BivP) in patients with sick sinus syndrome (SSS) and investigate the Ca2+ changes during absolute refractory period electrical stimulation (ARPES) by applying computer simulation. Methods The hemodynamic parameters and ECG changes were measured in ten SSS patients five minutes before and after BivP connecting RVA and LVB. The extent of contraction and Ca2+ transient (CaT) changes during ARPES were recorded through computer simulation. Results During BivP cardiac output per minute and cardiac index increased by 16.2% and 16.8%, respectively. In contrast, pulmonary capillary wedge pressure and transmural dispersion of repolarization decreased. The inward calcium current was increased by applying repolarization stimulation during ARPES. Conclusion Appropriate biventricular pacing may strengthen contractility and decrease transmural dispersion of repolarization. ARPES can trigger voltagedependent calcium channel to open, thus increasing inward calcium current and contractility of myocytes in failure ventricles.

　　KEY WORDS: biventricular pacing; absolute refractory period electrical stimulation; cardiac synchronization therapy; calcium concentration; computer simulation

　　慢性心力衰竭(chronic heart failure, CHF)位居心血管疾病死亡病因之首，虽心脏再同步治疗(cardiac resynchronization therapy, CRT)采用双心室起搏(biventricular pacing, BivP)使左右心室的再同步性改善，QRS变窄[1]，但仍有20%～30%患者心功能改善与QRS波的变窄无相关性[23]。

　　研究表明[49]，心脏绝对不应期的电刺激(absolute refractory period electrical stimulation , ARPES)可以触发细胞膜上的电压依赖性钙通道(IcaL)开放，使钙浓度增加，产生钙瞬变(CaT)，增加心肌的收缩功能。因此，BivP改善心功能可能也与ARPES有关。我们观察BivP对病态窦房结综合征(sick sinus syndrome, SSS)患者的急性血流动力学变化，并通过ARPES对心功能及心室肌细胞钙离子流的计算机仿真研究，探讨绝对不应期电刺激的离子流机制。

　　1 对象与方法

　　1.1 BivP急性血液动力学变化的测定 选择心功能正常且QRS正常、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。患者在知情同意书上鉴字后，用自制Y形转换器，分别连接经冠状静脉的电极。以70次/min的同一起搏频率，分别行右心室心尖部(right ventricle apex, RVA)、右室流出道(right ventricle outflow tract, RVOT)、左室后外侧基底部(left ventricle base, LVB)、右室双部位(RVA+RVOT)和BivP (RVA+LVB，其中LVB设为S1刺激，RVA为S2刺激)，S1与S2的间期约10ms，采用正向波刺激法，其刺激脉宽为0.5ms，脉冲为2.5mV。用SwanGanz漂浮导管热稀释法测定起搏后5min的心脏每分输出量(cardiac output, CO)、心脏排血指数(cardiac index, CI)、肺动脉压(pulmanary artery pressure, PAP)和肺毛细血管嵌压(pulmanary capillary wedge pressure, PCWP);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)和跨室壁复极离散度(transmural dispersion of repolarization, TDR)，即T波顶点至T波终点间期(TpTe)[10] 。

　　1.2 LR91模型的仿真算法 LR91模型 (1991年发表的模型 )是基于用 HodgkinHuxley公式对心室动作电位进行数值重建形成的[11]。LR91动作电位模型实现了6种跨膜电流，并且考虑了细胞膜内Ca2 +浓度的改变。膜电位 (V) 的变化率用公式表示：dV/dt= -(1/C) (Iion+ Ist)。其中C=1μA/cm2 是膜电容。 Ist(μA/cm2 )为 单位面积上的刺激电流强度，Iion(μA/cm2) 为六种跨膜离子电流的总和，Iion=INa+ ISi+ IK + IK1 + IKP+ Ib;快速内向Na+电流 INa=GNam3·h·j (V- ENa );L型 Ca2+电流 ISi=G Na·f (V-ESi);时间依赖型延迟整流 K+电流 IK =GKx·x1 (V- EK );时间非依赖型 K+电流 IK1 =GK1 K1∞·(V-EK1);平台期 K+电流 IKp = 0.0183Kp(V-EKP );总的背景电流 Ib=0.03921(V+59.87)。m、h、j、d、f和x为门控因子 ，d和f分别为 L型 Ca2+电流的激活和失活门控因子。

　　通过在绝对不应期加不同方式的刺激研究细胞膜内Ca2+浓度的变化情况。首先通过改变绝对不应期刺激的波形(脉冲=2.5mV，宽度=0.5ms，其计算机仿真的数据与SSS 患者相同)寻找哪种波形的刺激可引起细胞膜内Ca2+浓度的增加(图1)，然后调节绝对不应期刺激的位置，寻找最佳的刺激时间点。图1 3种绝对不应期电刺激波形

　　心肌细胞兴奋过程中细胞膜内 Ca2+ 浓度越高，心肌细胞的收缩能力越强。为研究绝对不应期刺激对细胞膜内Ca2+浓度的影响，我们采用Ca2+浓度的时间积分[12]来判断哪种绝对不应期刺激方式效果最好。Area表示Ca2+浓度曲线与时间轴之间的面积。

　　1.3 统计学分析 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。采用方差分析，以P<0.05为差异有统计学意义。

　　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。 表1 不同部位起搏对CO、CI、PWP和QRSd、QTd、TDR的影响

　　2.2 绝对不应期刺激波形对细胞膜内Ca2+浓度的影响 在绝对不应期加不同方式的电刺激对动作电位和细胞膜内的Ca2+浓度将产生不同的影响。从图2可以看出 ，在绝对不应期加正向波刺激时可以使细胞膜内Ca2+浓度的峰值增大 ，Ca2+浓度曲线与时间轴之间的面积增大;在绝对不应期加负向波刺激时，细胞膜内Ca2+浓度的峰值减小，Ca2+浓度曲线与时间轴之间的面积减小;在绝对不应期加双向波刺激时，Ca2+浓度曲线与时间轴之间的面积与不加绝对不应期刺激接近。可见，要想通过在绝对不应期加电刺激的方法提高心肌组织的收缩力，所加刺激必须为正向波刺激方式。故Ca2+浓度与刺激波形有关。

　　2.3 绝对不应期刺激位置对细胞膜内Ca2+浓度的影响 对处于静息状态的心室肌细胞，加除极化刺激引起细胞兴奋，产生动作电位，延时20ms后，加正向波刺激(脉冲=2.5mV，宽度= 0.5ms)，用Ca2+浓度曲线与时间轴之间的面积(area, mMs)来分析绝对不应期刺激位置对细胞膜内Ca2+浓度的影响。结果显示，动作电位0相后160ms左右加正向波刺激可使Ca2+浓度曲线与时间轴之间的面积最大;当在动作电位0相后180ms加正向波刺激时，由于进入相对不应期，正向波刺激使心肌细胞很快复极，Ca2+浓度曲线与时间轴之间的面积显著减小。故Ca2+浓度与0相后的时间有关(表2)。表2 正向波刺激位置与细胞膜内Ca2+浓度的关系

　　3 讨 论

　　目前认为CRT治疗CHF的机制是心房和或心室再同步化[1]。许多研究表明CRT治疗对不同病因的心衰患者多数可获益[34];反之大约有20%～30%的心衰患者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，可能还在其他机制参与(如心房也存在再同步化问题)。本课题组的既往研究也有同样看法[7]。

　　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，相当于动作电位2位相或ST段。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(-50mV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。

　　ARPES可增强衰弱心肌的收缩力，当心室肌细胞受到电信号的刺激时(如膜电位上升至-50mV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[1012]。[Ca2+]的瞬时变化称为CaT。

　　本研究结果表明，BivP能明显改善心功能和室内传导正常的SSS患者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。本研究室已研究证明[810]，同一部位S1S2先后刺激，S2进入S1的绝对不应期，或S1S2从两个不同部位同步或先后刺激，S1和S2也可以进入对方的绝对不应期，不引起有效的心肌除极，但可引起离子流变化。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，使钙浓度增加，产生 CaT，增加心肌的收缩功能，故BivP起搏可能也与ARPES有关。

　　我们应用计算机仿真研究来说明正常心室肌细胞的绝对不应期电刺激改变细胞膜内Ca2+ 浓度的机理，也证明ARPES可引起Ca2+内流加大和胞膜内Ca2+浓度增加。正向波刺激虽然导致Ca2 +通道的激活因子d减小，但正向波刺激使细胞膜内电位变负，增强了Ca2+内流的电驱动力，总的结果使Ca2+内向电流增加。负向波刺激虽然有使Ca2+ 通道激活因子d增加，但由于在绝对不应期能开放的Ca2+通道都已经基本开放，因此在绝对不应期加负向波刺激不会使Ca2+通道激活因子d增加，又因为负向波刺激使细胞膜内电位变正，减弱了Ca2+内流的电驱动力，其结果使Ca2+内向电流减小。在心肌兴奋的绝对不应期给予电刺激，虽然不会引发兴奋，但可通过电机械偶联机制增强心肌收缩力，改善心脏功能。这些结果为应用研究指明了方向。本实验还存在一定的局限性，由于采用的心室肌细胞模型较为简单，进一步研究应采用人类心力衰竭的计算机仿真模型。另外需建立心肌细胞以及组织的电机械模型，将刺激与心肌收缩有效的连接起来，进一步研究绝对不应期刺激与心肌收缩力的关系，以及多部位同步刺激的结果。

　　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，而QRS波的宽度的缩短率对预测疗效可能更有价值，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>60ms更有价值。推测ARPES能触发IcaL通道开放和产生CaT，而BivP是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。 本文通过临床及计算机仿真技术进一步说明了IcaL的开放导致Ca2+浓度的变化即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。

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