体外心脏震波治疗——晚期冠心病
患者的新曙光
Cardiac shock wave therapy--dawn of
late-stage of coronary artery disease
贾娜 何青
作者单位：100730 北京医院心内科 国家老年医学中心
通讯作者：何青，电子信箱：heqingli2001@126.com
体外心脏震波治疗(cardiac shock wave therapy，CSWT)是中国近十年来，针对严重冠心病的一种新的治疗方法。其作用机制是采用物理学的方法，对缺血心肌局部进行低能量冲击波刺激，通过多种作用机制改善心肌血流灌注。CSWT为严重冠心病尤其是晚期的顽固性心绞痛、缺血性心力衰竭患者带来了曙光。CSWT的研究在欧洲、亚洲开展的较多。相关基础研究和临床研究均显示了其有效性和安全性。我们自2012年开展CSWT相关工作，在临床应用方面进行了尝试和研究，同时从动物实验和分子生物学研究角度，步步深入地探讨了震波可能的机制。初步结果显示心脏震波治疗具有良好的效果。
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体外震波的实验室研究
既往研究证明，震波(SW)治疗可以上调血管内皮细胞血管内皮生长因子表达水平；增强内皮型一氧化氮合酶活性，促进一氧化氮生成；并通过诱导基质细胞衍生因子(stromal cell-derived factor 1, SDF1)表达，促进内皮祖细胞归巢；SW还可拮抗血管内皮细胞局部炎症反应，降低炎症细胞因子[包括白细胞介素(IL)-1α、IL-4、IL-6、IL-12p70、IL-13、IL-17及干扰素γ(IFN-γ)等]的表达，最终促进缺血部位血管形成，抑制缺血心肌局部炎症反应，改善心肌缺血状态。我们的研究着重于探讨SW治疗对心肌细胞凋亡和自噬的调控。
1.1 SW治疗在缺血缺氧诱导的细胞凋亡和细胞自噬中的作用
大量研究显示，细胞凋亡在冠心病的病理生理过程中起着重要的作用。有证据表明，缺血、缺氧、再灌注损伤、氧化应激等因素均可引起心肌及内皮细胞凋亡。多种因素例如氧化应激、缺氧、化学及物理毒性损伤等可通过线粒体及内质网途径的激活而启动细胞凋亡。多项研究报道，抑制细胞凋亡可以阻断心力衰竭的发展并改善心功能。我们选用大鼠心肌细胞来源的细胞系H9c2为研究对象，建立缺血缺氧损伤模型，给予不同剂量SW治疗，观察其对调亡的影响。结果提示，缺血缺氧可诱导H9c2细胞发生凋亡，表现为细胞活力下降、细胞凋亡率增加，凋亡相关蛋白Bax及活化Caspase-3的表达升高，抗凋亡蛋白Bcl-2的表达降低，并可促进细胞内的活性氧产生增多。而SW可减轻缺血缺氧诱导的H9c2细胞的凋亡，并且细胞内的活性氧产生也明显减少。与单纯缺血缺氧组相比，SW处理组Bax蛋白表达下降，Cleaved-Caspase-3蛋白表达降低，Bcl-2蛋白表达升高，提示SW可能通过降低凋亡相关蛋白表达，升高抗凋亡蛋白表达，减少细胞内活性氧的产生，达到减轻心肌细胞凋亡的作用[1]。与单纯缺血缺氧组相比，SW处理组的H9c2细胞磷酸化AKT蛋白表达升高，提示PI3K-AKT通路可能参与了对SW减轻心肌细胞凋亡的调控。
在自噬方面的研究中，同样条件对细胞进行缺氧处理后，发现H9c2细胞活力和ATP水平随着缺氧时间延长逐渐降低，LC3B-Ⅱ/LC3B-Ⅰ比值自缺氧6 h开始增强，24 h达高峰，之后逐渐呈下降趋势。当给予一定能量的SW治疗后，LC3B-Ⅱ/Ⅰ比值和自噬小泡数量明显提高，原本降低的细胞活性和细胞内ATP水平较前有所回升；缺氧后，细胞内磷酸化AMPK、Beclin-1和HIF-1α表达上调，而磷酸化mTOR和Sirt1下调。SW治疗可进一步增强磷酸化AMPK的上调和磷酸化mTOR的下调，增强Sirt1的表达增加，降低HIF-1α的表达。据此推测，心肌细胞缺氧时自噬活动上调，SW治疗能够通过AMPK/mTOR信号通路进一步增强心肌细胞自噬，并改善细胞活力和细胞内ATP水平；SW治疗可能通过Sirt1和HIF-1α通路促进细胞存活，发挥心脏保护作用[2]。
1.2 SW治疗对急性心肌梗死大鼠心肌细胞凋亡的作用及机制研究
我们采用急性心肌梗死(AMI)大鼠模型，观察SW对AMI后心肌细胞凋亡的影响。结果提示，AMI死后，梗死边缘区心肌细胞线粒体Cyt C向胞浆释放，凋亡蛋白Bax的表达增高，Caspase-3剪切活化，抗凋亡蛋白Bcl-2的表达减少，促进大鼠梗死边缘区心肌细胞凋亡，造成心梗后心肌细胞的持续损失和功能降低。CSWT可以减少线粒体Cyt C向胞浆释放，降低凋亡蛋白Bax的表达及Caspase-3的剪切活化，升高抗凋亡蛋白Bcl-2的表达，减轻梗死边缘区心肌细胞的凋亡。进一步调控机制的探索提示，CSWT可能通过抑制JNK信号通路，并抑制凋亡信号的激活，达到心肌保护的作用。目前，CSWT尚未应用于AMI患者的临床治疗，我们的研究结果为CSWT在临床上的应用提供了新的思路和基础依据。
1.3 SW治疗的安全性研究
SW具有非选择性对组织、细胞的作用，它可以直接影响细胞膜、细胞骨架及微血管，这对于处于缺血状态的肌组织是否会产生不良的影响？ CSWT在发挥其治疗作用的同时，SW的机械剪切力、空穴效应是否导致额外的组织损伤？我们的动物实验研究提示，治疗剂量的CSWT对大鼠是一项安全的治疗方法。SW未引起大鼠的血流动力学改变，治疗前后心电图未观察到异常改变，血肌钙蛋白也无显著变化；心肌组织病理形态学特征无明显改变，心肌组织HE染色提示对照组和震波组类似，心肌纤维排列规律，胞浆均匀，细胞核无异常，未见心肌细胞变性、坏死，心肌间质未见炎症细胞浸润；心肌组织Masson染色显示对照组和SW组均未发现胶原纤维染色异常，提示SW治疗未引起心肌组织炎性反应及纤维化表现[3]；心肌细胞凋亡率无明显增加；心肌细胞线粒体胞浆中Cyt C的分布无明显变化；心肌细胞凋亡相关蛋白(Bcl-2、Bax和Cleaved-Caspase-3)的表达也无明显变化。我们还采用扫描电镜对SW后的心肌细胞进行超微结构的观察，结果分析发现，SW治疗后AMI大鼠心肌梗死边缘区血管新生现象明确，且较单纯AMI大鼠血管新生现象明显；CSWT对于心肌细胞的作用在微观结构上(光镜水平)不明显，但采用扫描电镜技术，可观察到经SW治疗后心肌细胞超微结构存在一定的损伤，但根据超微结构损伤程度的半定量评估体系，对照组和SW组心肌超微结构损伤评分无差异，心肌损伤程度未见显著增加。提示CSWT后心肌组织病理学无明显变化[4]。
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体外心脏震波的临床研究
在临床实践中，有些严重冠心病患者虽经历了药物治疗，冠状动脉介入治疗(PCI)或旁路移植手术(CABG)，仍然有反复心绞痛发作，严重影响生活质量。我们的临床研究探讨了CSWT应用于这类患者的临床有效性和安全性。
入选患者包括经冠状动脉造影证实为严重血管病变(冠脉多支病变、弥漫病变)的冠心病患者，往往经PCI/CABG治疗，又出现心绞痛发作；不适宜或不愿行PCI/CABG术者，如不能耐受手术或不能耐受术后必须的药物治疗患者；患者存在具有客观检查所证实的确切的可逆性心肌缺血区域。排除标准包括：AMI后3个月内；PCI/CABG术后3个月内；心脏移植术后、金属瓣膜置换术后；存在心腔内血栓；难以控制的心力衰竭、严重心律失常；心脏起搏器/ICD植入者；感染性心内膜炎未愈；严重的慢性阻塞性肺病；恶性肿瘤或肿瘤切除术后5年内等。患者均经正规的冠心病二级预防药物治疗。
评估体系包括了临床评估、影像学评估和血液生化指标等，以了解CSWT的有效性和安全性。治疗方案采用3个月疗程法，共治疗9次。每次2个节段，每个节段治疗9个点，每个点发放SW 200次，能量为0.09 mJ/mm2。
首批共纳入15例顽固心肌缺血患者，比较SW治疗前后的疗效。结果显示，治疗后4个月患者CCS分级、NYHA分级、SAQ评分和硝酸甘油使用量均有显著改善，超声心动评估左室舒张末内径(LVEDD)略有增加而左室射血分数(LVEF)有所改善，但均未达统计学差异。治疗节段心肌核素静息评分和负荷评分显著改善，治疗节段心肌静息缺血面积和负荷缺血面积显著改善，静息室壁运动幅度和增厚率显著改善。安全性研究提示SW治疗对心率、血压和氧饱和度无明显影响，血CK、CK-MB、TnT、ALT、CRP和hs-CRP也无显著变化[5]。有11例患者完成了一年随访，结果显示，与治疗前相比CCS分级、NYHA分级、6 min步行试验仍有改善，心肌灌注评分在静息和负荷状态均有明显好转，缺血面积在负荷状态有明显减小，在静息状态有减少但无显著差异。治疗节段室壁的运动幅度在静息状态有明显改善，在一年时有好转，但无显著差异[6]。
为进一步探讨治疗效果，我们还设计了随机对照双盲研究，以评估SW治疗的真实疗效。患者分层入组，完成两个周期的治疗，分别为真实震波治疗和安慰效应震波治疗。终点评价体系同前。预计两年将完成30例患者的研究，最终结果有待2020年展现(试验编号：ChiCTR-INR-16009777)。
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讨论
冠心病是严重威胁人类健康的心血管疾病。尽管近年来针对冠心病的药物治疗、PCI和外科研究都取得了很大进展，但严重冠心病患者，或冠心病晚期患者人数逐渐增多。这类患者仅依赖单纯的药物治疗，生活质量差，死亡率高。CSWT是近年来针对严重冠心病患者的新的治疗手段，目前已在日本、德国、瑞士等10余个国家开展。2000年德国埃森大学心血管中心研究者首次报道低能量的冲击波可以上调体外培养的上皮细胞的血管内皮生长因子，拉开了体外SW促进血管新生、改善组织缺血研究的序幕[7]。我国上海和昆明先后引进该项设备，我院于2012年开展CSWT治疗。
CSWT改善临床预后的机制，既往的研究分为以下方面：(1)促进缺血心肌组织血管新生，改善侧支循环。很多研究均验证了SW治疗后缺血心肌组织血管内皮生长因子的表达明显增加[8]；缺血心肌侧支血管较治疗前明显增多，局部毛细血管密度及缺血心肌局部血流明显增加[9,10]。(2)促进干细胞分化。中国和意大利学者发现SW干预可以促进祖细胞的增殖与分化，内皮细胞的增殖、分化也明显增强[11,12]。2013年日本学者发现，SW治疗通过上调缺血组织SDF-1的表达而促进外周血中内皮祖细胞的动员以及向缺血组织的归巢。提示SW治疗可以促进内源性及外源性干细胞的增殖、向缺血组织的迁移及分化[13]。(3)减轻组织炎症反应及氧化应激。日本学者用缺血性心衰猪模型，研究发现SW治疗组抗炎因子IL-10 mRNA的转录活性明显升高，促进炎症反应的MMP-9明显降低；线粒体氧化应激蛋白表达减低[14]。提示CSWT可能减轻炎症、氧化应激，改善线粒体功能。德国学者也提出SW可能通过TLR3通路抑制炎症反应[15]。2014年日本学者发现大鼠AMI后第3天，SW治疗组缺血心肌中性粒细胞及巨噬细胞浸润减低，具有抗炎作用的M2型巨噬细胞浸润增加，梗死边缘区促炎因子减少[16]。(4)减轻心肌纤维化。意大利的研究显示，较高能量的SW可通过促进TGF-β及Ⅰ型和Ⅲ型胶原的合成而促进组织修复，低能量体外SW可能通过减少治疗区域成纤维细胞数量而减轻心肌纤维化[17]。日本学者也证实，AMI后SW组第28天大鼠左室纤维化面积SW组明显少于对照组，左室纤维化减轻[16]。(5)减轻左室重构，改善心脏功能。很多研究均发现SW治疗后伴随血管新生，LVEF改善，室壁增厚指数提高，左室舒张末容积减少[9,18]。奥地利学者采用直接心外膜SW治疗猪缺血性心衰模型，结果显示SW治疗后6周LVEF由43%增加至62%[19]。
随着CSWT研究的不断增多，几项荟萃分析研究也浮出水面。整体的临床结局，CSWT组明显优于对照组。对心肌灌注的改善最为明显，对活动耐量有中等程度的提高，部分研究显示可改善心功能[20,21]。
根据其他学者的研究基础，我们在探讨作用机制方面将目光对准心肌细胞的凋亡和自噬通路。我们的研究提示，SW治疗可通过降低凋亡相关蛋白，上调抗凋亡蛋白，增强心肌细胞自噬，改善细胞活力和细胞内ATP水平发挥保护作用。我们的研究结果证实了SW治疗的有效性和安全性，为SW治疗临床应用提供了新的依据。
CSWT具有无创、无痛和安全的优点，为严重冠心病尤其是晚期患者的心绞痛、心力衰竭提供一个新的治疗手段，开创了一种全新的冠心病治疗理念。CSWT主要用于慢性心肌缺血、稳定性心绞痛患者。2012年俄罗斯、德国将CSWT扩展应用于缺血性心力衰竭患者的治疗。其他学者也尝试治疗下肢动脉疾病。2017年日本学者将研究扩展至心肌梗死急性期患者。各国专家还在不断扩展SW治疗的应用范围，期望给患者带来更多的获益，SW治疗必将有着更为广阔的应用前景。
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本文来源：贾娜, 何青. 体外心脏震波治疗——晚期冠心病患者的新曙光[J]. 中国心血管杂志, 2018, 23(3): 190-193.
