「彻底」治疗房颤的新手段？多伦多大学医学院李仁科团队开发新型生物导电材料，有望成为心脏「电路」损伤相关疾病新一代解决方案

作者|赵欣   来源|生辉(ID：SciPhi) 

心脏跳动是生命的象征，而心脏的不规律跳动，或跳动过快、过慢则代表着心脏功能异常的出现，名为心律失常。

心律失常，是一种常见的心脏疾病，主要发病原因包括心肌纤维化和心肌梗塞（MI）后形成的瘢痕。这些非心脏肌肉组织阻塞了心脏传导脉冲通路，使得心脏收缩相关的心肌电信号发生非正常的传导 / 传播，导致心脏功能衰竭和突发心源性猝死。目前，临床上采用药物治疗、心脏除颤、或射频消融方法对心律失常进行治疗，但效果有限。

为更加有效地治疗心律失常，加拿大生命科学学院院士、多伦多大学医学院心脏外科教授、总医院高级研究员李仁科团队开发了一种新的方法 —— 将具有更高生物相容性、导电耐久性以及自掺杂能力的新型导电生物材料 —— 聚 - 3 - 氨基 - 4 - 甲氧基苯甲酸 - 明胶（PAMB-G）水凝胶以膜片的形式附着在患有心律不齐的大鼠心脏表面，可长期改善患大鼠的心脏功能，他们认为该研究成果为开发治疗心律不齐的新技术提供了方向。

近日，该研究成果以题为 Bio-Conductive Polymers for Treating Myocardial Conductive Defects：Long-Term Efficacy Study 的文章发表在 Advanced Hwalthcare Materials 上。

（来源：Advanced Hwalthcare Materials）

李仁科教授告诉生辉，“我们是用一种新的方法，把已经破坏掉的心脏导电系统重新连接起来，这样心脏就能够正常工作，这也是从根本上解决由心脏导电系统损伤引起的心脏疾病的治疗方法。”

图｜使用 PAMB-G 治疗心脏疾病的机理（来源：受访者提供）

一

让受损的心脏 “电路” 重新连通

“实际上，心脏跳动是整个心脏在一个传导系统的控制下，电脉冲从窦房结传到心房再到心室，使心房肌和心室肌形成有节律的收缩，由此实现把血液泵出心脏在全身循环的过程。正常心脏跳动有正常的心率。”

李仁科教授进一步解释说，“而心脏一旦患病，它的很多肌肉组织会被疤痕组织取代。由于导电速率不同的疤痕组织和健康心脏肌肉组织共同存在，整个心脏的导电速率会发生改变，病人就会感觉到心脏在乱跳，医学上称之为心律不齐，或心律失常。”

图｜多伦多大学医学院心脏外科教授李仁科（来源：受访者提供）

正如前文提到的，李仁科团队对于 PAMB-G 的研发，就是从 “重新连接受损的心脏导电系统” 出发。“经过长期研发，我们在一种导电聚合物（聚 3 - 氨基 - 4 - 甲氧基苯甲酸）上添加生物材料（明胶），合成了新型生物导电材料 PAMB-G，可以对由心脏导电系统损伤引起的心脏疾病形成有效的治疗。”

而对于这一材料的导电属性与生物相容性质，李仁科团队早在去年已经公布在 Biomaterials 上。具体而言，PAMB-G 生物导电膜具有导电性能均匀分布、长期生物相容性以及与心脏导电速率一致性。

图 | PAMB-G 结构及其在心肌梗死后恢复电脉冲传播、心肌收缩的机制（来源 ：相关论文）

对用于心脏导电系统的重新连接这一场景，材料具备以上三个性质显得尤为重要。李仁科教授解释说，“如果导电不均匀，有的地方导电快，有的地方导电慢，将会造成新的心律失常。”

生物相容性就更好理解了，对于植入体内的 “外来物”，导电聚合物要想在目标位置发挥理想效果，确保自己不被 “踢出” 体外的良好生物相容性无疑是大前提。“其实，导电聚合物在生物体内无法与组织兼容，也是它一直以来没有用到生物领域的原因。” 他提到，经过设计修改，通过 PAMB 与明胶共价连接而成的 PAMB-G 继承了明胶优异的生物组织相容性。

图 | PAMB-G 与明胶（Gelatin）结构对比（来源：相关论文）

在此前详细阐述材料性质的文章中，李仁科团队通过扫描电镜对比显示，PAMB-G 水凝胶与明胶（细胞外基质的必要成分，广泛用于细胞黏附和生长的支持）具有相似的、结构良好的物理结构。据此，他们得出 PAMB-G 具有优越生物相容性的结论。

另外，他们通过对比 PAMB-G 和明胶对体外小鼠跳动心脏的导电情况发现，PAMB-G 的导电性质明显优于明胶，是明胶的 13 倍，且可以通过改变材料厚度进行调节。

图 | PAMB-G 和明胶导电效果比较（来源：相关论文）

二

房颤新疗法？

“目前，我们正在探索这一生物导电材料用于心律失常的治疗，心房纤颤为其中进展最快的适应症。” 李仁科教授提到。

心房纤颤（atrial fibrillation，AF），简称房颤，为心房出现不规则、紊乱的跳动，也就是不规则的心房收缩，是临床中最常见的心律失常之一。在心血管患者中，房颤可引发附壁血栓、脱落，外周动脉栓塞等症状。

目前，临床对于房颤的治疗主要有 3 种方法：药物治疗、心脏除颤、射频消融等。这些治疗手段可以对房颤起到一定的效果，但或多或少存在一些弊端。如采用药物进行治疗，很难调节到最佳的心率值，长期使用将产生较强的副作用，且容易复发；而心脏除颤的应用场景则多为急救；在射频消融或者外科手术治疗下，可以通过电烧或者冷冻的方式将异位起搏点消除，进而消灭心脏紊乱跳动的 “根源”，但是用这种方式消除心肌细胞，同时也将出现相应的疤痕，对心脏造成进一步伤害。

在近日发表的文章当中，李仁科团队描述了其将 PAMB-G 用于房颤大鼠模型，并进一步研究其对于大鼠房颤治疗的有效性以及安全性的过程。

他们发布的研究结果显示，将生物导电材料 PAMB-G 注入到大鼠 MI 模型体内，能够对大鼠的心脏功能进行一定程度的恢复。李仁科教授也对 PAMB-G 在治疗房颤中的应用向生辉进行了讲解，“把 PAMB-G 膜放到心房上，就能够使整个心房具有一致的导电速率，整个心房正常跳动了，心室的跳动也就正常了。”

他们进一步研究表明，对 MI 大鼠进行 PAMB-G 有效治疗剂量治疗下，大鼠的心脏功能得到改善，阻塞的心脏电传导功能恢复。并且，经过 12 个月的治疗后，大鼠体重、器官 / 脑比、血液学、组织学参数、生殖器官特征未出现显著变化。

图｜静脉注射 PAMB-G 后大鼠的体重、器官 / 脑比和组织学变化（来源：相关论文）

李仁科教授进一步解释说，“在大鼠体内一年，相当于人体内的 20-30 年，保守来说也可以用到 10 年。因此，我们得出结论，PAMB-G 是一种无毒的、长期有效的生物导电材料，并且能够改善心脏功能。”

三

临床试验正在推进

根据世界卫生组织（WHO）报告显示，全球大约 9000 万人患有房颤，其中中国房颤患者超过 1000 万。随着人口老龄化情况的加剧，多见于老年人群体的房颤，患者数量也将不断扩大。

前文提到，目前临床中用于治疗房颤的方案有 3 种，但确切地说，真正能够从源头上减少房颤发生的治疗方法只有一个 —— 消融术。有统计数据估算，到 2030 年中国心脏电生理市场规模将达到 303 亿元，其中用于房颤治疗的将占 147.9 亿元。

面对患者群体日益增长这一现状，更加有效的治疗方案是迫切需要的。

对此，李仁科教授认为，通过使用具有优异导电性和生物相容性的材料（如 PAMB-G）将受损的心脏 “电路” 重新连接起来，有希望成为房颤治疗的新一代解决方案。他表示，使用 PAMB-G 可以有效治疗房颤，也能够提升患者心脏的整体功能。

同时，他也补充说，其实 PAMB-G 不仅局限于房颤的治疗，“它本质上是一个可用于治疗由导电系统不正常引发的各种心脏疾病的平台；也可以将这种材料做成 3D 结构，用于心房、心室的缺损等；另外，PAMB-G 也可以与各种机器结合使用，如附着到心脏起搏器之上，降低起搏器与心脏的界面阻力等。”

作为多伦多大学医学院心脏外科的教授，李仁科在多伦多总医院心外科工作已有 30 余年，他介绍到，关于 PAMB-G 的研究，他所带领的团队早在 2010 年已经开始，“从有这个想法开始，到概念验证至今，我们用了 10 年。现在 PAMB-G 在大动物（猪）身上的试验已经完成，效果也非常不错，相应的研究结果预计明年初进行公布。”

“我对 PAMB-G 在心脏疾病的治疗上充满信心，希望这个技术能够踏踏实实走下去，造福于人类。” 最后李仁科教授提到，目前，团队正在积极推进 PAMB-G 的临床试验。

参考资料：

https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2019.119672

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adhm.20210183

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0168365920300444

编者按：本文转载自微信公众号：生辉(ID:SciPhi)，作者：赵欣