摘要 血管生物力学主要探讨血管细胞如何感知力学刺激、力学如何影响疾病发生发展以及开发多种数理模型来分析力学因素对疾病的作用。近年来,血管生物力学领域的研究蓬勃发展,各科研团队从不同方向解析血管的力学生物学过程,以期深入了解血管生物力学因素影响各种血管疾病进程的调控机制,为心脑血管疾病的防治提供基于力学生物学的理论基础。本文基于国内外专家团队并结合本团队研究工作,对血管力学生物学领域近期的研究热点和新兴趋势进行总结探讨,为把握血管力学生物学领域热点和探索新的研究方向提供系统框架。
关键词:
血管生物力学
力学生物学
计算流体动力学
血管支架
动脉瘤
有限元分析
生物力学是研究生命体受力、形变和运动以及与其生理病理和环境之间关系的科学 [1] 。力学生物学在整个生物体、器官、细胞、蛋白质和基因水平上,研究了力学因素在各种生命过程以及相关疾病的发生发展中的作用 [2-3] 。研究心脑血管疾病发生发展的力学生物学机制,阐明细胞感受和响应力学微环境的细胞分子生物学机制,可以为血管疾病的诊断及治疗新药物和新技术的研发,提供基于力学生物学的理论和思路。
由正常血压和血流的脉动产生的剪切应力、周期性机械牵张力和静水压力会对血管产生影响。其中,血管内皮细胞主要受到剪切应力的影响,而血管平滑肌细胞主要受到脉动血压引起的周期性机械牵张力的影响。同时,血管壁的各类细胞还会受到血管组织微环境中应力的影响。细胞表面的力敏感受体可以感知血液动力学的力学变化,并通过衔接分子发出信号,从而激活下游信号分子,最终导致细胞形态和功能变化 [4] 。由这些力学变化所导致的血管细胞功能障碍,会引发诸如动脉粥样硬化(atherosclerosis,AS)、高血压等血管疾病。
剪切应力是指血液流动的切向力作用在每单位面积的内皮表面所产生的力,与血液黏度、血流速度以及血管直径有关。通常认为,在相对直的动脉段中剪切应力是单向且相对较高的,高层流剪切应力可保护血管,不易发生AS。然而,在形状不规则的血管区域产生的低剪切应力或振荡剪切应力却并非如此。低/振荡型剪切应力可促进AS的发生,低剪切应力通常发生在弯曲的内部区域和狭窄的上游,振荡剪切应力则通常出现在狭窄的下游、分叉的侧壁和分支点。周期性机械牵张力在AS形成、心血管重塑中具有重要作用。在血管壁中,周期性机械牵张力能够促进血管重塑和收缩 [5] 。同时,静水压力也存在于有液体的血管中。正常范围内的静水压力可以促进组织的发育和修复。但是,超出正常范围的病理性静水压力,能够改变离子通道的构象并调节离子跨膜转运,从而影响病理生理过程 [6] 。
血管组织力学在调节血管细胞表型和生理活动方面起着重要作用。动脉血管壁由内膜、中膜和外膜3个不同的层组成,其每层都由独特的细胞类型和基质微环境组成,发育、衰老或疾病对局部细胞活动均会产生不同的影响 [7] 。血管壁细胞,如内皮细胞和平滑肌细胞对力学的微小变化高度敏感 [8-9] 。动脉具有非线性力学特性,其硬度通常会随着血管壁应变的增加而增加。血管平滑肌细胞是动脉壁中最常见的细胞类型之一,其负责维持血管的生理功能,每个心动周期中血管平滑肌细胞可以承受高达15%的生理性应变。但是,尚不清楚血管的非线性力学特征在多大程度上可以归因于血管平滑肌细胞,以及二者之间的确切因果关系。通过使用细胞微双轴拉伸测量单个血管平滑肌细胞的应变力学性能发现,具有天然结构的血管平滑肌细胞的机械性能呈高度各向异性,肌动蛋白细胞骨架是大变形下细胞刚度和材料各向异性的主要贡献者,但在大变形拉伸过程中不会发生塑性变形或重塑 [10] 。当血管平滑肌细胞暴露于大应变(高达60%拉伸)时,细胞的应力-应变行为则呈线性 [10] 。因此,血管壁上的细胞如血管内皮细胞和血管平滑肌细胞如何感受力学,从而影响细胞的功能以及疾病的发生发展,仍然是需要深入探讨的问题。
已有研究表明,在支架植入后,血管内力学微环境的变化是引起支架内再狭窄(in-stent restenosis, ISR)的重要因素。在诸如炎症反应、药物抵抗、血栓、排异反应、细胞外基质作用等病理生理因素以及病人客观因素之外,支架植入后的局部血流动力学变化也是一个不可忽视的重要因素。尤其是在壁剪切应力较低的区域中,对血管壁的过度破坏和支架植入后血管中异常的血液动力学是造成ISR的重要原因 [11] 。支架材料表面的适当涂层和内壁快速内皮化有助于减少ISR的发生。内皮细胞和内皮祖细胞在支架材料上的黏附是血管形成过程中的第1步,将贻贝黏附蛋白Mfp-5与血管内皮细胞(VE)钙黏蛋白胞外域EC2-2融合的重组蛋白(VE-M)涂覆到支架表面,在动态条件下,VE-M能特异性地促进内皮细胞和内皮祖细胞的黏附和功能化 [12] 。此外,VE-M显著抑制血小板黏附,促进EC增殖,可作为血管植入物的潜在生物活性涂层 [13] 。理想的血管支架既能促进快速再内皮化又能抑制ISR。与传统的雷帕霉素药物洗脱支架(RES)相比,三氧化二砷药物洗脱支架(AES)能够更快地促进损伤内皮的愈合和再内皮化,因为三氧化二砷药物具有促进平滑肌细胞表型分化的作用,且伴随细胞骨架和弹性模量等细胞力学性质的改变 [14] 。Zhao等 [15] 利用转录组测序分析和相关生化分子技术初步解析出,细胞骨架F-actin和力学响应因子YAP可以介导三氧化二砷促进血管平滑肌细胞表型分化的作用机制。在脱细胞血管外静电纺丝聚(l-丙交酯-co-丙内酯)/明胶制备经肝素修饰后的双层组织工程血管支架(HBTEVs),可以提高脱细胞血管的生物力学强度和抗凝血活性 [16] 。锌及其合金已被证明是可生物降解心血管支架的有前途的候选材料。与纯锌相比,新型挤压Zn-0.02Mg-0.002Cu合金表现出更高的力学性能 [17] 。现阶段,生物可降解材料制成的生物可吸收支架,在心血管组织工程中越来越受到关注。但是,植入聚-L-乳酸(PLLA)支架在后期会出现严重的再狭窄。乳酸(LA)诱导TGF-β1信号导致的内皮-间充质转化(EndMT),导致血管纤维化,从而可能导致PLLA支架植入后的支架内狭窄 [18] 。而血管内力学环境的变化则与ISR有关。数值模拟结果表明,时间平均壁剪切应力(time-averaged wall shear stress, TAWSS)、振荡剪切指数(oscillatory shear index, OSI)和相对滞留时间(relative residence time, RRT)在支架入口处的分布与支架的其他区域明显不同。同时,在狭窄血管内,支架入口处的新生内膜增厚,会随着支架向血管轴向远端移动而加剧。研究表明,支架植入位置不当可加剧支架入口处再狭窄 [19] 。此外,在进行生物可吸收支架评估时,应考虑血管的力学特征 [20] 和支架的降解特征 [21] ,从而优化血管内支架的设计(如支架丝的长度、厚度、宽度等)。当生物可吸收支架植入血管后,血管腔内的静压和张力会增加,剪切应力也会随着内膜增生的增厚而相应持续变化。支架植入不仅可以影响紧密连接蛋白的表达,还可以加速内皮的修复过程 [22] 。因此,探讨支架植入后的血管力学变化,针对不同血管病变位置设计不同的支架,以及防止支架植入后血管内的再狭窄,是实现血管支架临床应用急需解决的问题。
人们普遍认为,颅内动脉瘤(intracranial aneurysm, IA)的发生、生长和破裂机制与血液动力学、生物力学参数有关。但生物力学和血流动力学因素对IA的影响尚不明确,揭示IA发生过程中涉及的生物力学机制,可能会为寻找IA早期诊断、疾病治疗打开一扇门。血流动力学的微相变化引发的内皮炎症是IA发生的主要原因。进一步而言,由于炎症细胞(单核细胞、巨噬细胞、中性粒细胞和淋巴细胞)渗透到血管壁结构中,所造成的动脉壁重建是动脉瘤发展和破裂的关键。血流动力学因素中的壁剪切应力(wall shear stress, WSS)是脑动脉瘤血流动力学的主要参数,WSS通过影响周围组织的生化反应,在血管生理和病理中起着至关重要的作用 [23] 。研究表明,IA最容易发生在动脉分叉和动脉弯曲的外壁。此外,靠近动脉弯曲处的狭窄区域也是IA发生的主要区域。尽管血管狭窄对动脉瘤的发生有影响,但它也可能是动脉瘤破裂的危险因素 [24] 。由于IA的患者特异性,评估IA的破裂风险存在影响因素多、临床经验要求高等困难。因此,如何更加精准评估力学作用对颅内动脉瘤破裂的影响,成为迫在眉睫的问题。
当前,细胞死亡的概念已经从细胞凋亡和坏死扩展到其他形式,包括坏死性凋亡、焦亡、自噬和铁死亡、铜死亡等。这些细胞死亡方式在生命的各个方面都起着至关重要的作用。AS和血管钙化(vascular calcification, VC)是引发心血管疾病高发病率和高死亡率的主要原因 [25] 。因为VC会增加AS斑块破裂和心血管细胞死亡的风险,血管平滑肌细胞(vascular smooth muscle cells, VSMCs)在协调内膜和中膜的VC中起着不可或缺的作用。在VSMCs钙化中,自噬在一定程度上能够改善VC,有利于细胞存活,但大多数程序性细胞死亡会伴有炎症介质和氧化应激的增加,对组织造成更大的损伤 [26] 。铁是一种氧化还原性金属,可以参与氧依赖性自由基的形成和脂质过氧化的传播。铁死亡是一种高度依赖铁的细胞死亡形式,其发生机制受多种因素影响。其中,不稳定的铁池起着至关重要的作用 [27] 。脂质过氧化是铁死亡的关键事件,细胞膜中的多不饱和脂肪酸容易发生脂质过氧化,增加细胞对铁死亡的脆弱性。铁死亡的另一个重要标志是抗氧化能力减弱 [28] 。铁死亡对炎症有促进作用,铁过载会通过其促进氧化和促炎的作用驱动AS和VC,且铁过载会损害内皮细胞来源的NO产生,从而增加活性氧(reactive oxygen species, ROS)的产生,介导内皮损伤以及单核细胞黏附和迁移,在AS病变样本中的铁水平明显更高 [29] 。VSMCs中铁的积累会提供促氧化微环境,从而促进泡沫细胞的发育和斑块的脆弱性。此外,铁刺激VSMCs会通过Fenton反应产生ROS,增加IL-24的表达水平,从而介导VSMCs的表型转化和钙化 [30] 。目前,血管生物力学因素如何影响铁死亡,从而引起疾病的发生发展,仍是一个值得深究的问题。
内皮细胞(endothelial cells, ECs)单层鳞状排列在血管的内表面,并与其他细胞共同组成血管系统。在生理环境中,ECs会感知各种力学刺激。ECs排列在血管腔内,且内皮直接接触血流。因此,ECs可以将血流动力学转导为生化信号级联,从而影响ECs的功能 [31-32] 。脉管系统中的血流动力学力可以改变血管细胞的功能,而暴露于高剪切应力和层流剪切应力中的ECs可以调节健康的生理功能。相反,位于动脉分叉、血管几何形状改变或动脉病理改变部位的ECs易受到损伤,从而导致血管疾病的发生发展。ECs成分参与力学传感和力学信号的传递。
生物力学作用不仅影响ECs功能 [33] ,还影响血管ECs对纳米颗粒的吞噬 [34] 。Plexins是细胞引导信号蛋白家族的关键细胞表面受体,可以通过调节细胞骨架和局灶黏附结构来调节细胞排列。PLXND1是ECs在体外和体内响应剪切应力所必需的蛋白,其可以调节AS病变的位点特异性分布 [35] 。盘状蛋白结构域受体1(DDR1)酪氨酸激酶是一种直接的力学传感器,剪切应力诱导内皮DDR1的激活会加剧AS的发展 [36] 。GTP酶激活SH3结构域结合蛋白2(G3BP2),是一种通过形成应激颗粒对环境应激作出反应的介质。G3BP2在经历振荡剪切应力的ECs中高度特异性表达。敲除G3BP2可以保护内皮屏障功能,减少单核细胞与ECs的黏附,从而显著降低AS病变。因此,G3BP2是调节ECs功能的关键力学调节基因,抑制ECs中G3BP2的表达是一种有前途的AS治疗策略 [37] 。层流剪切应力可以诱导TET1s表达,从而增加ECs中CX40的表达来保护血管内皮屏障,而TET1s过表达则可能是OSS诱导的AS治疗的核心步骤 [38] 。低剪切应力和振荡剪切应力可促进ECs对红细胞衍生的胞外囊泡的摄取,低剪切应力诱导的氧化应激是增加ECs摄取红细胞衍生的胞外囊泡的部分原因 [39] 。基于细胞囊泡可以靶向低剪切应力和低振荡剪切应力区域,红细胞膜和巨噬细胞膜包被的仿生纳米药物已被开发用于AS靶向治疗 [40-41] 。目前,虽然大量研究证明,力学作用对血管ECs产生影响,也在血管ECs表面鉴定出许多力敏感因子,但如何基于力学作用实现疾病的靶向治疗是一个值得研究的问题。
腹主动脉瘤(abdominal aortic aneurysm, AAA)是腹主动脉局部扩张超过其原始尺寸50%的血管疾病。如果不及时治疗,AAA就会破裂,导致死亡率高达90%,这使其成为血管外科的一个主要挑战。血流缓慢或再循环的区域,即瘀血,为血小板黏附和血栓形成提供了机会。腔内血栓(intraluminal thrombus, ILT)的形成增加了AAA的生长速度,并且ILT导致的局部缺氧会引起血管壁变薄。由于血流停滞创造了有利于血栓形成或生长的环境,就会导致AAA生长直至破裂 [42] 。动脉瘤壁破裂是一个复杂的过程,会受到诸多因素的影响,且相关因素之间的关系复杂,这在很大程度上使该问题难以得到完全解释。从力学角度来看,当作用于动脉瘤壁的应力超过主动脉壁的强度时,就会发生AAA破裂 [43] 。作用在壁上的应力高度依赖于AAA的几何形状,这也和AAA的生长和破裂风险息息相关。AAA中较低的、扰动的WSS会激活炎症标志物,这可能导致血管壁的变性和减弱以及ILT的形成 [44] 。但是,ILT对AAA进展和破裂的影响尚不明确。
有限元分析(finite element analysis, FEA)是一种工程技术,它通过考虑组织材料特性、血管几何形状和局部力学环境来近似求解力学平衡方程 [45] 。临床研究和动物实验表明,支架置入会引起局部力学环境的改变 [46] 。就现有的临床技术而言,医生不可能在手术中定量分析支架扩张对血管壁的损伤程度。而FEA可以用来研究扩张支架和AS组织之间的力学相互作用以及血流动力学状况 [47-48] 。通过FEA可以模拟不同材料和不同尺寸支架的力学性能,为支架的结构设计提供理论依据 [49-50] 。Qiao等 [51] 利用计算流体动力学模拟,定量评估和演示了左锁骨下动脉覆盖在胸主动脉夹层中的作用。Zhao等 [52] 使用FEA方法分析6种支架丝结构和连接方式对弯曲性能的影响;然后,通过分析支架丝的受力,建立描述结构参数对柔度影响的数学模型;进而对高应力区的出现及其在弯曲状态下的变化进行理论分析。利用FEA方法构建具有狭窄颈动脉生理曲率的血管模型,从固体力学和流体力学角度研究支架置入对支架和血管的影响,能够为支架治疗AS的可行性提供理论依据 [53] 。因而,FEA在血管生物力学模拟中变得越来越重要。开发与临床结果符合程度高的分析方法,考虑尽量多的影响参数,把FEA和临床研究结合起来,能够显著增加FEA方法的实用性。
血管疾病的发生发展,如AS和高血压,通常与不利的血管血流动力学和血管生物力学作用有关。在血流动力学研究中,仅通过临床观察很难区分细微的血流变化。因而,计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)可以作为定量血流动力学临床研究的有效替代,并有助于研究不易在体内测量的物理现象。有学者分析支架植入后血管中的流体力学,并研究不同的血管形态和支架直径对流体力学的影响 [54-55] 。通过CFD模拟可以获得详细的血流动力学特征,包括速度、压力和WSS相关的指标分布,该模拟已被广泛应用于健康和病变动脉的血流动力学定量评估 [56] 。CFD在临床决策和医疗设备开发中变得越来越有用。但是,建立可信度高的模型,从而把数值动脉模型和实验动脉模型耦合起来,这个问题亟待解决。
力在血管内无处不在,生物力学研究的里程碑之一就是意识到力学因素在血管发育与疾病发生发展过程中的重要性。血管生物力学领域涉及血管细胞如何感知力学刺激、如何将力学刺激转化为胞内信号,从而影响疾病发生发展过程以及开发多种数理模型来分析力学因素对疾病的作用等方面。通过对近年来血管生物力学研究文献的关键词分析,发现各团队的研究热点主要集中在① 血管壁:探讨血管壁细胞感应力学作用的机制以及力学作用对血管壁细胞产生的影响;② 血管支架:血管支架表面改性,血管支架的特征以及支架植入血管的位置对血管力学性能的影响;③ 颅内动脉瘤:通过FEA以及CFD来探讨力学作用对动脉瘤破裂的影响;④ 细胞死亡:探讨与力学相关的疾病如AS和血管钙化中细胞的死亡方式,主要涉及铁死亡。根据研究文献被引的频次分析,展现了该领域近期的新兴趋势主要有① ECs:血管生物力学作用对ECs的影响机制以及开发靶向力敏感因子的治疗策略;② AAA:探讨AAA上的力学作用对AAA破裂的影响;③ FEA:开发多种方法模型,模拟力学作用对疾病的影响;④ CFD:通过CFD模拟获得通过临床观察很难区分的细微的血流变化,并获得相应的血流动力学特征。深入研究力学作用对血管的影响,有助于了解力学作用影响血管细胞的机制,为心脑血管疾病的防治提供基于力学生物学的理论基础。
致谢： 感谢重庆大学邱菊辉研究员、胡子秋博士生和金凤实验室张力元助研对本文提供的帮助。
作者贡献声明： 张红萍、赵川榕负责数据资料收集、整理分析和论文初稿写作;王贵学负责选题设计、论文指导和修改。
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