心房颤动(AF)常与心力衰竭(HF)患者共存。心律恢复在HF合并AF患者中日益被视为具有预后意义的策略。然而，与其他常见共病如慢性肾病或2型糖尿病相比，HF与AF之间的相互作用，特别是AF对HF发展和进展的影响尚未完全理解，且一直被低估。
近期，包括CASTLE-HTx试验在内的多项研究证明，对AF进行导管消融并减轻AF负担，即使在终末期HF患者中也能改善预后。这与AF消融后左心室收缩功能改善相关。这些结果明确强调了探索终末期HF中AF的大部分未知机制的必要性。
为研究持续性AF对严重HF中心室功能的影响，我们按照先前描述的方法，从9名患者的终末期HF心脏（新鲜摘除）中分离出15个人类心室小梁，以及从4名非HF器官捐献者（非衰竭[NF]）中分离出7个小梁。NF样本取自因非心脏医学或技术原因无法进行心脏移植的患者。HF患者队列的平均年龄为60.4±1.6岁（平均值±标准误），左心室射血分数为28.0±3.2%，44.4%的病例为缺血性心肌病。所有患者均接受指南导向的药物治疗，无显著差异。分离的小梁通过体外电刺激进行AF模拟，使用特制起搏系统（C-Pace EM, IonOptix, Westwood, MA, USA），刺激间隔不规则（60次/分钟，搏动间变异性40%），对照组则使用规则间隔（60次/分钟）。在基线以及连续起搏2、4和8小时后间歇性评估各组在60次/分钟下的收缩力。
为研究人类HF中AF的细胞机制，我们利用了总共9次分化的人诱导多能干细胞衍生心肌细胞(hiPSC-CM)，这些细胞来自2名患有家族性扩张型心肌病(DCM)的终末期HF患者，以及1名健康对照患者的3次分化。心肌细胞(CM)分化和细胞培养按先前描述进行。使用C-Pace EM起搏系统对培养中的hiPSC-CM进行48小时慢性AF模拟（90次/分钟，搏动间变异性30% vs. 规则60次/分钟）。
使用Ca²⁺敏感染料Fura-2，按照其他文献所述，在48小时AF模拟后研究DCM和健康hiPSC-CM中的细胞内Ca²⁺循环。
采用电压钳模式的膜片钳方法，按照既定方案，在48小时AF或对照刺激后记录DCM和健康hiPSC-CM中的动作电位(AP)。
所有程序均按照《赫尔辛基宣言》进行，并获得哥廷根大学伦理委员会（参考号：10/9/15，31/9/00）和格拉茨医科大学伦理委员会（参考号：28-508 ex 15/16）的批准。
与对照组相比，8小时心房颤动模拟导致人类终末期HF小梁的收缩力显著下降（图1）。此外，由于AF模拟，舒张功能迅速恶化，表现为舒张张力显著增加和松弛减慢，与对照刺激相比（图1）。相比之下，NF心脏的小梁对AF模拟未表现出负面的收缩反应（图1），这表明在已有HF的情况下，仅因AF即可导致心室功能迅速恶化。
图1：心房颤动(AF)对终末期心力衰竭人类心室心肌的影响。(A) 8小时AF模拟或对照刺激后的原始抽搐记录，终末期心力衰竭患者心室小梁在2、4和8小时AF模拟（心律失常[Arr]，60次/分钟，搏动间变异性40%）或对照刺激（对照[Ctrl]，60次/分钟）后的标准化发展力、舒张张力和松弛速度的平均值。N = 8个小梁/7名患者对照刺激 vs. 8/8 AF模拟。(B) 相应实验和原始抽搐，非心力衰竭器官捐献者心室小梁的标准化发展力、舒张张力和松弛速度的平均值。N = 4个小梁/3名捐献者对照刺激 vs. 3/3 AF模拟。(C) 两名家族性扩张型心肌病(DCM)患者和一名健康捐献者的人诱导多能干细胞衍生心肌细胞(hiPSC-CM)中的慢性AF模拟（Arr，90次/分钟，搏动间变异性30%）或对照刺激（60次/分钟）。原始Ca²⁺瞬变，Ca²⁺瞬变幅度和Ca²⁺瞬变衰减时间（sin exp τ）的平均值。N = 110个心肌细胞/9次分化DCM对照刺激 vs. 82/9 DCM AF模拟，以及36/3健康对照刺激 vs. 42/3健康AF模拟。(D) AF模拟后DCM hiPSC-CM中咖啡因诱导的Ca²⁺瞬变和SERCA活性（Ksys–Kcaff）的平均值。N = 15个心肌细胞/7次分化DCM对照刺激 vs. 13/7 DCM AF模拟。(E) 慢性AF模拟后DCM和健康hiPSC-CM的膜片钳动作电位记录和动作电位持续时间(APD)90%的平均值。N = 47个心肌细胞/8次分化DCM对照刺激 vs. 37/9 DCM AF模拟，以及25/3健康对照刺激 vs. 19/3健康AF模拟。统计检验如下：A+B：双向方差分析，采用Sidak多重比较校正；D：嵌套t检验；C+E：嵌套单向方差分析，采用Sidak多重比较校正。P值在各图中表示，若p < 0.05则认为具有统计学显著性。HFrEF，射血分数降低的心力衰竭；NF，非衰竭。
在48小时AF模拟或节律性对照刺激后，对DCM和健康hiPSC-CM进行Ca²⁺循环测量，以研究潜在的细胞机制。在DCM hiPSC-CM中，连续48小时AF模拟导致收缩期Ca²⁺释放显著减少，表现为Ca²⁺瞬变幅度降低（图1），与对照刺激相比。同时，在DCM hiPSC-CM中，AF模拟后舒张期细胞内Ca²⁺清除（清除常数τ）明显慢于对照刺激（图1）。后者可能与AF模拟后SERCA2a活性降低有关，导致肌浆网Ca²⁺再摄取减慢，通过快速高剂量咖啡因应用评估得出（图1）。同样，这些效应在健康hiPSC-CM中经过48小时AF模拟后无法观察到（图1）。
此外，DCM hiPSC-CM中的膜片钳实验显示，与DCM hiPSC-CM中的节律性刺激相比，48小时AF模拟后动作电位持续时间（90%）显著延长，但在健康hiPSC-CM中则没有（图1）。这些效应共同说明了AF对人类衰竭心肌相比健康心肌的有害影响。
我们基于人类心肌的转化实验表明，AF导致人类HF中快速而严重的心室收缩功能障碍和细胞功能重塑。由于Ca²⁺是心肌收缩功能的主要决定因素，这可以通过DCM hiPSC-CM在AF模拟早期阶段的不良Ca²⁺循环改变来机械性解释。此外，AF模拟诱导了hiPSC-CM中AP的明显延长，这构成了HF的电生理标志。有趣的是，在NF心肌和健康hiPSC-CM中，无法观察到这些效应。
我们团队最近的实验工作显示，长期AF模拟对Ca²⁺处理和AP形态产生类似的HF典型效应，尽管在健康CM中仅在更长的7天AF模拟期后才出现。从机制上讲，活性氧生成增加以及Ca²⁺/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II（CaMKII）的氧化调节，加上参与Ca²⁺稳态（例如SERCA2a活性降低）和电生理学的蛋白质的差异调节，已被证明是所观察到的改变的因果机制。支持这一通路和AF诱导改变的重要性，AF模拟后CaMKII和AMP激活蛋白激酶活性增加与Ca²⁺循环改变和脂肪酸及葡萄糖代谢紊乱相关，在新生大鼠CM模型中伴随着促凋亡通路。
最为重要的是，我们在此证明，在已有HF的情况下，AF对心肌功能的不良影响比在健康心肌中更早且更严重地显现。这突显了HF心室心肌对AF的脆弱性，并结合CASTLE-AF或CASTLE-HTx等近期临床研究，强调了在已有HF中及时恢复心律和减轻AF负担的重要性。
致谢
我们衷心感谢Y. Metz、J. Heine和D. Riedl提供的专业技术支持。开放获取资金由Projekt DEAL提供并组织。
资金支持
S.P.由Else-Kröner-Fresenius基金会和德国心脏基金会/德国心脏研究基金会资助。K.S.B.和S.S.由德国研究基金会(DFG)通过研究资助SO 1223/4-1及F. Thyssen基金会（编号10.19.2.026MN）以及合作研究中心1213-肺动脉高压和肺心病DFG的项目B10N&B07资助。
利益冲突： K.S.B.报告在提交的稿件之外，获得了诺华(Novartis)和BioNTech的研究支持以及诺华的演讲酬金。S.S.报告获得了勃林格殷格翰(Boehringer Ingelheim)、阿斯利康(AstraZeneca)、柏林化学(Berlin-Chemie)、诺华、百时美施贵宝(Bristol Myers Squibb)和礼来(Lilly)的演讲/咨询酬金。其他所有作者均无披露事项。
参考文献
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