纳秒脉冲电场增强心肌细胞选择性并促进拉曼光谱检测的凋亡性细胞死亡

脉冲电场消融(PFA)技术在临床广泛应用，但不同脉冲持续时间对心肌细胞和内皮细胞的选择性杀伤机制尚不明确。本研究系统比较了纳秒脉冲电场(nsPEF)与微秒脉冲电场(μsPEF)对心脏细胞的杀伤效率和死亡通路差异。结果表明，nsPEF通过诱导细胞凋亡并增强心肌细胞选择性，显著降低内皮损伤，为改善心脏消融安全性和耐久性提供了新策略。

　　

心脏电生理领域近年来迎来了一项革命性技术——脉冲电场消融(Pulsed Field Ablation, PFA)，它通过高压电脉冲在细胞膜上形成微孔（电穿孔效应）来选择性破坏异常电信号传导的心肌组织。与传统热消融相比，PFA具有组织选择性高、操作时间短、避免热损伤等优势。目前临床主要采用微秒级脉冲电场(μsPEF)，但新兴的纳秒脉冲电场(nsPEF)技术因其更短的脉冲宽度和独特的生物效应正进入临床试验阶段。然而，两种脉冲宽度对心肌细胞和血管内皮细胞的选择性杀伤差异及其分子机制尚不明确，这直接关系到消融后组织修复、血栓形成和心律失常复发等临床问题。

为系统解析这一关键问题，来自德国图宾根大学医院的研究团队在《EP Europace》发表了最新成果。研究人员通过体外细胞模型（人源心肌细胞AC16和人脐静脉内皮细胞HUVEC）、离体小鼠心脏实验以及拉曼光谱技术，对比分析了nsPEF与μsPEF在细胞致死效应、膜通透性变化和细胞死亡通路激活等方面的差异。

研究主要采用以下关键技术：

1. 1.

   自定义电穿孔系统与电极阵列，可精确控制纳秒(300 ns)和微秒(100 μs)脉冲参数；

2. 2.

   高通量荧光成像（Hoechst/PI/YO-PRO-1染色）定量细胞死亡和膜通透性动力学；

3. 3.

   离体心脏电消融与TTC染色评估病灶时空演化；

4. 4.

   共聚焦拉曼光谱成像分析细胞成分分子变化（首次应用于PFA机制研究）；

5. 5.

   电场仿真(Sim4Life)量化空间电场分布。样本来源包括商业化细胞系和小鼠心脏组织。

细胞死亡动力学研究

通过时间序列成像发现，心肌细胞死亡在nsPEF和μsPEF暴露后24小时达到峰值，且呈持续上升趋势（例如8 kV/cm nsPEF处理后死亡率从2小时26.8%升至24小时83.5%）。相反，内皮细胞死亡在6小时内即达平台期，表明两种细胞类型对电脉冲的应激响应存在本质差异。

离体病灶形成动力学

小鼠心脏实验显示，两种脉冲均在1小时后出现可见消融灶，4小时内病灶面积和形态因子显著增加（nsPEF面积达10.1 mm2，μsPEF达15.8 mm2），证实电消融效应具有时间依赖性扩展特征。

细胞类型选择性差异

剂量效应曲线揭示关键发现：μsPEF对内皮细胞的半数有效剂量(ED₅₀=1.18 kV/cm)显著低于心肌细胞(ED₅₀=1.28 kV/cm)，而nsPEF对两种细胞的杀伤效率无显著差异（ED₅₀≈7.25 kV/cm）。这表明μsPEF对内皮细胞具有更高杀伤力，可能加剧血管损伤和血栓风险。

膜通透性与死亡关联机制

nsPEF诱导的膜通透性变化与细胞死亡高度同步（心肌细胞ED₅₀渗透性7.29 kV/cm vs 致死性7.43 kV/cm），而μsPEF虽引起更早膜透化（ED₅₀≈0.85 kV/cm），但致死剂量更高，提示大量细胞可修复膜损伤并存活，这可能是临床观察到“心肌顿抑”现象的基础机制。

拉曼光谱揭示死亡通路差异

通过创新性应用拉曼显微光谱，研究发现：μsPEF处理组细胞色素c(Cytochrome c)的751 cm^-1和1129 cm^-1特征峰（对应还原态Fe²⁺形式）显著增强，而nsPEF组则显示580 cm^-1峰（氧合态形式）优势。生化研究表明还原态细胞色素c会抑制凋亡小体形成，而氧合态形式促进凋亡。这表明nsPEF倾向于激活程序性凋亡死亡通路，而μsPEF可能引发更剧烈的非调控性死亡。

本研究首次系统比较了纳秒与微秒脉冲电场在心脏消融中的细胞选择性效应和分子机制，揭示了脉冲持续时间是决定细胞死亡通路和组织选择性的关键因素。nsPEF凭借其诱导凋亡、增强心肌选择性和减少内皮损伤的优势，为下一代心脏消融技术提供了理论依据和优化方向。该研究不仅为临床PFA技术改进提供了实验证据，也为理解电脉冲-生物分子互作机制开辟了拉曼光谱学新应用场景。未来研究需进一步在在体模型中验证nsPEF的长期安全性和抗心律失常效能，并探索脉冲参数与细胞命运调控的精确关联。