（1生物医用材料改性技术国家地方联合工程实验室 山东 德州 251100）（2天津市胸科医院 天津 300051）
【摘要】血流动力学对维持血管稳态具有重要作用，对平滑肌细胞的功能和结构产生很大的影响。冠脉搭桥、介入手术等都会破坏局部力学环境，引起的血管平滑肌细胞过度增殖、迁移及表型转换是诸多心血管疾病术后不良事件产生的重要原因。因此，研究血流动力学影响平滑肌细胞的因素及其机制对于再狭窄、动脉粥样硬化等心血管疾病具有重要意义。本文从主要力学因素、分子机制、研究模型等方面综述研究进展，为冠脉搭桥手术操作及临床预后提供参考。
【关键词】冠脉搭桥；血管平滑肌细胞；血流动力学
【中图分类号】R318.01 【文献标识码】A 【文章编号】2095-1752（2018）15-0015-02
前言
冠状动脉搭桥手术(coronary artery bypass graft, CABG)是取病人自身的血管（乳内动脉、大隐静脉等）或者使用血管替代品，将狭窄冠状动脉的远端和主动脉连接起来，让血液绕过狭窄部分，到达缺血部位，改善心肌血液供应，进而达到缓解心绞痛，改善心脏功能，提高患者生活质量及延长寿命的目的。搭桥手术会损伤冠状动脉和桥血管,同时冠状动脉病变持续进展,移植血管桥发生加速粥样硬化病变等,影响术后近、远期血管通畅率和生存率。术后动脉桥10年内发生再狭窄率为5%～10%；静脉桥再狭窄率第1年接近15%～30%,10年内发生阻塞率高达50%[1]。再狭窄是一个复杂的生物学过程,血管内皮细胞(endothelial cell,EC)损伤诱发血管痉挛、炎症和血栓形成、血管平滑肌细胞(smooth muscle cell,SMC)迁移和过度增殖、脂质和细胞外基质过度沉积、粥样硬化等病理过程,是导致术后再狭窄的关键因素[2]。其中SMC的迁移和过度增殖是血管再狭窄的重要标志环节。正常生理情况下，收缩型SMCs为正常血管所含有的主要类别，排列方向与血液流向垂直，一定程度上决定血管的收缩与扩张能力。一旦血管出现损伤等，收缩型SMCs转换为合成型SMCs，迅速增殖、迁移发挥修复功能。研究结果表明，两种不同表型的SMCs在不同情况下可发生表型转换[3]。血液动力学刺激在表型转换和增殖、迁移中起着重要的始动作用。
1.影响SMCs的力学因素及其机制
随着心脏周期性的泵出血流至血管中，层流的血液对血管内膜和内膜下的SMCs产生的主要是剪切力和周向应力，力学刺激转化为细胞内的生物学信号，调控相关基因的表达及细胞增殖、迁移、凋亡和胶原代谢等。
血流剪切力是血流与血管内皮间产生的平行于管壁的摩擦力，其与血液特性、血流速度和血管形态有密切关系。血流剪切力与血液黏滞度(μ)和血流量(Q)成正比,与血管半径(r)的三次方成反比。静脉系统血流剪切力一般为(1～6)dynes/cm2,动脉系统一般为(10～70)dynes/cm2(1dynes/cm2=10-5N)。研究认为, 低水平剪切力(<4dynes/cm2)可能诱导动脉粥样硬化的发生及斑块的成长,一定范围(10～70)dynes/cm2的高水平剪切力则有抗动脉粥样硬化作用,且对狭窄血管呈正性重塑作用。一般的，血流剪切力不会直接作用于血管SMCs，而是作用于ECs，进而通过内皮因子的分泌影响SMCs的增殖、迁移等。当心血管疾病患者进行CABG手术后，局部的血流微环境会发生巨大变化，桥血管的脚趾、脚跟和接口对冲血管壁两侧部位由于血管角度、血管壁引导、阻碍等，容易出现涡流，或者出现静止区域，剪切力明显减弱，造成内皮功能障碍，提高内皮细胞活性因子如血小板源生长因子（platelet-derivedgrowthfactor，PDGF）、内皮素-1( endothlin-1)、β转化生长因子（transforming growth factor beta，TGF-β）、血管紧张素II等表达水平,并通过自分泌和旁分泌途径激活细胞骨架相关的信号事件（ERK1/2-Akt磷酸化途径等）,最终引起细胞内微丝、微管的解聚与重新排布，从而引发SMCs由收缩型向增殖型转化，显著促进SMCs增殖和迁移。高剪切应力之所以能够抑制SMCs的增殖和迁移，是通过上调NO、组织因子途径抑制剂-2，同时下调TGF-β1、PDGF受体、MMP-2、MMP-14以及Akt蛋白的去磷酸化实现的。除了剪切力产生的影响，震荡流作为典型的非层状剪切力，也会刺激中膜SMCs异常反应。它能刺激中膜中已分化的收缩型SMCs转化为易增殖、迁移的合成型SMCs，其主要是通过磷酸肌醇3-激酶（phosphoinositide 3-kinase, PI3K）、Akt蛋白信号通路和ERK1/2信号通路实现的。此外，CABG破坏内膜会导致SMCs直接暴露在血流动力学环境中，可能会促进SMCs的表型转化，进而造成SMCs增殖、迁移。
随着心脏周期性的泵出血流至血管中，脉动会对血管壁产生周期性的沿血管壁切线方向的周向应力。此外，血流还会对血管产生垂直于血管壁的压力。CABG术后，血管缝合处受到血管壁重叠、挤压及缝合线等的影响，周向应力会发生改变。桥接静脉比动脉壁薄、弹性低，在血流量大、壁压高且有周期脉动的动脉血管段，易造成内皮损伤及功能障碍，桥血管中膜的SMCs发生表型转换，异常增殖及迁移，使得静脉桥比动脉桥发生再狭窄、血管堵塞的风险高出3～4倍。
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2.主要研究模型
目前，主要力学因素研究模型有体外模拟、计算机数学模型和体内动物模型三大类。
2.1 体外模拟装置
体外模拟装置是搭建能够模拟细胞在体内微环境的力学加载装置，是血流动力学因素对血管疾病研究的基础，主要包含剪切力模拟装置、拉伸仪等。剪切力模拟装置使用压力泵模拟血液流动、脉动并控制流速，培养腔则为细胞提供特定的模拟生长环境，通过电脑控制系统进行数据控制、监测。拉伸仪通过构建种植细胞生物膜或组织，对其施加力学拉伸，模拟血管周向应力等。诸多体外模拟流动腔结果显示，剪切力能够诱导SMCs的收缩与排列，并伴随着Rho蛋白激酶1（rho-associated kinase 1,ROCK1）的上调和再分配以及肌球蛋白磷酸酶1和肌球蛋白轻链（myosin light chain,MLC）的活化。此外，模拟血管脉动产生的周向应力与血管壁压显示，在近生理范围内的应力刺激下，SMCs能够保持收缩型表型，不易发生增殖和迁移。而病理性的周向应力等刺激导致SMCs表型转换，Ca2+通道及Rho信号途径引起的应力纤维数量减少导致合成型SMCs弹性模量仅为收缩型的一半，SMCs结构功能发生显著改变。
2.2 数学模型
计算机模拟以其高精度、灵活等优点成为体外研究的重要技术手段。一般的，数学模型通过采集大量临床数据，结合血管管道设计、波动血流模拟、血液分流以及流体力学软件分析等方式获得。该模型以二维或三维几何构型模拟生理真实的血液流动，以Navier-Stokes偏微分方程组，通过有限差分法、有限体积法及有限元分析法等计算血流动力学，并得到诸如流形、压力及壁面剪切力等的时空分布。Koyama等使用患者CT数据及计算机辅助设计出3D计算机血流动力学模型对CABG血管吻合口设计的血流动力学进行模拟。通过对流场及相关指标的模拟检测发现，当移植血管端口垂直于动脉血管时，能够获得较大的剪切力值和较小的震荡剪切指数。这也意味着，该种吻合设计理论上能够更好地抑制SMCs细胞的增殖和迁移，提高移植物血管的远期通畅率。Longest等将计算流体动力学和闭环生理模型联系起来，量化诸如血管壁剪切力、震荡剪切、血管壁应变等相关指标，对动静脉移植的远期通畅率进行模拟研究。其结果显示，与动脉移植物相比，静脉移植物在振荡剪切指数与之并无显著差异，而静脉移植血管内剪切力显著降低，可能会引起SMCs的异常增殖与迁移，这说明静脉移植比动脉移植有更高的再狭窄风险。数值模拟模型往往是进行简化处理，这也会导致分析结果与体外模拟、动物实验和手术操作存在较大偏差。
2.3 动物模型
动物实验具有更客观、真实的特点，是血流动力学研究的重要手段。如何有效、真实反映临床手术操作和预后，模式动物的选择与模型的建立至关重要。动物模型主要包括血流模型、血压模型、血管缩窄模型及在体条件下不同部位的狭窄模型等。Liu等应用腹主动脉缩窄构建大鼠模型，其病理切片结果显示，病理性机械拉伸造成基质金属蛋白酶-2（matrix metalloproteinases-2，MMP-2）、脯氨酰-4-羟化酶β1（Prolyl-4-hydroxylase β1，P4Hβ1）、I型及III型胶原酶的表达增加，引起血管重构。
3.总结
血液流动所产生的力学效应是影响血管内各类细胞正常功能的重要影响因素。SMCs作为血管内膜受损后主要的增殖、迁移细胞，在血管内再狭窄的形成中起到关键作用。研究结果表明，CABG术后所产生的低剪切力、涡流区域以及非正常生理范围的周向应力和管壁压力均能导致SMCs发生增殖与迁移。震荡流作为术后常见的血流动力形式，也会刺激中膜SMCs发生表型转换，引起过度增殖。研究血流动力学与动脉粥样硬化形成及术后桥血管狭窄之间的关系,可为预防CABG术后狭窄提供一种新方法、新思路。比如测算患者血压、血流剪切力、周向应力等，结合血液学分析及新陈代谢水平,通过有限元计算机数值模拟技术建立生物力学模型,以选取更适合的桥血管或进行适当处理，也是今后个性化精准治疗的方向。总之,关于血流动力学对血管生物学作用的研究有广泛的应用前景。
【参考文献】
[1] Goldman S,Zadina K,Moritz T,et al.Long-term patency of saphenous vein and left internal mammary artery grafts after coronary artery bypass surgery: results from a department of veterans affairs cooperative study.J Am Coll Cardiol,2004,44:2149 - 2156.
[2] Reho JJ,Zheng X,Fisher SA et al.Smooth muscle contractile diversity in the control of regional circulations[J]. American journal of physiology. Heart and circulatory physiology, 2014, 306(2): H163-172.
[3] Qiu J,Zheng Y,Hu J,et al.Biomechanical regulation of vascular smooth muscle cell functions:from in vitro to in vivo understanding[J].J R Soc Interface,2014,11(90): 20130852.
基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC1102500）
论文作者:尹玉霞1,席亚东1,郭志刚2（通讯作者）,张海军1（通
论文发表刊物:《医药前沿》2018年5月第15期
论文发表时间:2018/5/31
标签：血管论文; 动力学论文; 表型论文; 狭窄论文; 细胞论文; 动脉论文; 模型论文; 《医药前沿》2018年5月第15期论文;