幾種生理功能，例如調(diào)節(jié)體內(nèi)平衡、血管張力和血管完整性，由作用在動(dòng)脈壁上的不同機(jī)械應(yīng)力調(diào)節(jié)。將機(jī)械力轉(zhuǎn)變成細(xì)胞反應(yīng)被認(rèn)為在動(dòng)脈粥樣硬化的病理學(xué)中是至關(guān)重要的，影響疾病的發(fā)作和進(jìn)展。作用在動(dòng)脈壁上的主要力量包括由血壓引起的拉伸應(yīng)力，以及在致動(dòng)脈粥樣硬化的血流動(dòng)力學(xué)中最重要的壁剪應(yīng)力（WSS），這是一種由血流引起的對(duì)血管壁的切向力。
這種摩擦力的大小主要取決于血液粘度和速度梯度，以及血管幾何形狀，例如管腔半徑。WSS 的大小和方向由內(nèi)皮上的機(jī)械傳感器識(shí)別，即動(dòng)脈壁的內(nèi)層，并轉(zhuǎn)導(dǎo)為生化信號(hào)。許多與細(xì)胞形態(tài)、粘附、增殖和血栓形成有關(guān)的基因的表達(dá)受到剪切應(yīng)力誘導(dǎo)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的調(diào)節(jié)，表明 WSS 在生理階段和血管疾病進(jìn)展過程中的重要作用。因此，幾十年前，WSS 參與動(dòng)脈粥樣硬化斑塊的發(fā)展已經(jīng)在人類頸動(dòng)脈分叉處的尸檢標(biāo)本中得到證實(shí)，其中動(dòng)脈粥樣硬化病變主要發(fā)生在以低 WSS 和血流分離為特征的區(qū)域（圖1）。這些易發(fā)生動(dòng)脈粥樣硬化的情況可以在動(dòng)脈分支和分叉處的外壁發(fā)現(xiàn)，即頸動(dòng)脈竇。觀察到的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致了機(jī)械流體力可能參與動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)展的假設(shè)。
為了研究 WSS 在動(dòng)脈粥樣硬化形成中的作用，建立了實(shí)驗(yàn)流動(dòng)系統(tǒng)并結(jié)合多種成像方式來測量體內(nèi)和體外環(huán)境中的 WSS。此外，特定的動(dòng)物模型已用于探索血流動(dòng)力學(xué)對(duì)疾病進(jìn)展的影響。在臨床應(yīng)用方面，WSS 測量改善了頸動(dòng)脈和冠狀動(dòng)脈疾病患者的危險(xiǎn)分層。
埃爾朗根-紐倫堡大學(xué)醫(yī)學(xué)院心臟病學(xué)和心血管學(xué)系的一篇綜述中，簡要回顧了致動(dòng)脈粥樣硬化血流動(dòng)力學(xué)的發(fā)現(xiàn)，并描述了在臨床和心血管研究中常用和當(dāng)前測量 WSS 的技術(shù)，以研究血流動(dòng)力學(xué)如何參與動(dòng)脈粥樣硬化形成和斑塊進(jìn)展。特別關(guān)注了內(nèi)皮細(xì)胞的機(jī)械力激活，討論目前對(duì)其在動(dòng)脈粥樣硬化形成中作用的理解，突出內(nèi)皮糖萼（eGCX）作為機(jī)械傳感結(jié)構(gòu)的功能。
具有遺傳改變的脂質(zhì)代謝的動(dòng)物模型的建立有力地促進(jìn)了動(dòng)脈粥樣硬化研究的進(jìn)展。盡管這些模型闡明了高脂血癥在動(dòng)脈粥樣硬化發(fā)病機(jī)制中的作用，但這不能解釋血管中斑塊的定位。研究表明，動(dòng)脈粥樣硬化病變位于兔、豬、ApoE-缺陷小鼠和人類的分叉和動(dòng)脈分支的近端血管段。此外，據(jù)研究，動(dòng)脈壁上的局部血流動(dòng)力學(xué)力會(huì)影響內(nèi)皮的形態(tài)表型。兔主動(dòng)脈鑄型血管中的內(nèi)皮細(xì)胞（ECs）根據(jù)各自的血管段表現(xiàn)出不同的形態(tài)，這被認(rèn)為是由不同的局部 WSS 模式引起的。體外研究也證實(shí)了這種表型變化，這表明在靜態(tài)條件下培養(yǎng)的 ECs 呈鵝卵石狀結(jié)構(gòu)，而在均勻?qū)恿鳁l件下呈排列的紡錘狀結(jié)構(gòu)。
基于這些觀察，假設(shè)流體機(jī)械力改變了內(nèi)皮表型并參與了動(dòng)脈粥樣硬化的發(fā)展。為了解決這個(gè)問題，建立了有前途的體內(nèi)和體外模型來研究不同血流動(dòng)力學(xué)條件對(duì)血管細(xì)胞和細(xì)胞間相互作用的影響，這進(jìn)一步推動(dòng)了動(dòng)脈粥樣硬化的研究。
在 1970 和 1980 年代，首先制造了平行平板流動(dòng)室（PPFC）以及錐板粘度計(jì)和平板粘度計(jì)，用于在細(xì)胞單層上研究血液流動(dòng)對(duì)機(jī)械刺激的各種反應(yīng)。近幾十年來，已經(jīng)開發(fā)了一系列的體外系統(tǒng)來研究血流動(dòng)力學(xué)誘導(dǎo)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)。由于細(xì)胞功能通常取決于由流動(dòng)誘導(dǎo)的血流動(dòng)力學(xué)決定的細(xì)胞形狀和方向，因此研究人員已努力模擬在體內(nèi)環(huán)境中觀察到的復(fù)雜血流。使用錐板式剪切裝置或平行板流室可以誘導(dǎo)動(dòng)脈粥樣硬化易發(fā)性振蕩流。為了在考慮到各自血管幾何形狀的情況下分析細(xì)胞功能，3D 模型得到廣泛應(yīng)用。在這些模型中，基質(zhì)凝膠為細(xì)胞生長和形成結(jié)構(gòu)提供了 3D 支架。在由纖維蛋白或膠原蛋白組成的基質(zhì)上播種和培養(yǎng)的 ECs 可以侵入基質(zhì)并形成管狀結(jié)構(gòu)，用作血管生成的模型。3D 培養(yǎng)系統(tǒng)能夠使多種細(xì)胞類型與 ECs 共培養(yǎng)。此外，該系統(tǒng)可以與血流相結(jié)合，迄今為止已在各種環(huán)境中使用，例如用于表征血管前網(wǎng)絡(luò)形成過程中的細(xì)胞間信號(hào)傳導(dǎo)。3D 打印和組織工程是制造用于體外血流動(dòng)力學(xué)建模的新型 3D 管狀裝置的有前途的方法。3D 微流體腔室以及具有復(fù)雜幾何形狀的合成管狀分支血管，即體模（phantoms），已被制造出來，旨在用于心血管研究。此外，已經(jīng)建立了微流控系統(tǒng)中的人工狹窄血管或瓣膜，通常與 CFD 結(jié)合使用，重點(diǎn)研究血管直徑和/或狹窄程度的血流動(dòng)力學(xué)特性，這允許研究不同程度的狹窄對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化病變中 WSS 或剪切應(yīng)力梯度的影響。盡管體外模型和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究都集中在研究血流動(dòng)力學(xué)在動(dòng)脈粥樣硬化形成中的作用，但臨床實(shí)踐中 WSS 的測量對(duì)于冠狀動(dòng)脈和頸動(dòng)脈粥樣硬化的危險(xiǎn)分層特別有意義。已經(jīng)開發(fā)了各種技術(shù)來評(píng)估患者的 WSS。血管內(nèi)超聲（IVUS）是第一種用于測量患者冠狀動(dòng)脈 WSS 的成像方法。使用 IVUS 結(jié)合血管造影和血流測量，證明了低 WSS 與冠狀動(dòng)脈粥樣硬化斑塊進(jìn)展和冠狀動(dòng)脈重塑加速相關(guān)。除了 IVUS，OCT 是一種用于 3D 血管重建的標(biāo)準(zhǔn)化成像技術(shù)，它可以追蹤動(dòng)脈管腔。如 IVUS 所述，OCT 成像還需要與冠狀動(dòng)脈造影融合以重建 3D 血管幾何形狀，然后進(jìn)行基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）的 WSS 評(píng)估。在急性冠脈綜合征（ACS）患者中，OCT 和血管造影的組合顯示冠狀動(dòng)脈暴露于低 WSS 區(qū)域的斑塊進(jìn)展增強(qiáng)。除了通過血管造影與 IVUS/OCT 的融合進(jìn)行 3D 血管重建外，3D 定量冠狀動(dòng)脈造影為基于 CFD 的 WSS 測量提供了一種簡化的方法。此外，已經(jīng)建立了無創(chuàng)技術(shù)來識(shí)別由于局部血流動(dòng)力學(xué)條件而易于破裂的動(dòng)脈粥樣硬化病變。冠狀動(dòng)脈CT血管造影（CCTA）已成功應(yīng)用于 3D 血管重建的無創(chuàng)成像方法，通過將其與 CFD 結(jié)合使用來測量冠狀動(dòng)脈中的 WSS。近紅外光譜（NIRS）血管內(nèi)超聲的發(fā)展使斑塊成分的額外表征成為可能，例如脂質(zhì)含量。eGCX 在將機(jī)械力轉(zhuǎn)化為生化信號(hào)方面起著關(guān)鍵作用。盡管在體外和實(shí)驗(yàn)動(dòng)物研究中廣泛探索了其在剪切應(yīng)力機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)中的作用，但在人體中的研究仍然很少，因?yàn)?eGCX 降解的體內(nèi)測量仍然具有挑戰(zhàn)性。受損的 eGCX 可促進(jìn)脂質(zhì)積累和免疫細(xì)胞浸潤到動(dòng)脈壁，表明完整的 GCX 結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)脈粥樣硬化的保護(hù)作用。GCX 的降解和修復(fù)受損的 eGCX 可能是預(yù)防和治療動(dòng)脈粥樣硬化的有希望的治療策略。該研究回顧了以前在體內(nèi)和體外實(shí)驗(yàn)闡明血流動(dòng)力學(xué)和動(dòng)脈粥樣硬化之間關(guān)聯(lián)的研究。進(jìn)一步研究了從這些實(shí)驗(yàn)中獲得的知識(shí)在當(dāng)前和未來臨床應(yīng)用中的工作，特別關(guān)注 WSS 和 eGCX 作為機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)的關(guān)鍵參與者。除了臨床應(yīng)用外，WSS 及其介導(dǎo)的細(xì)胞反應(yīng)的研究還使研究人員能夠闡明各種血流動(dòng)力學(xué)參數(shù)和細(xì)胞成分（如 eGCX）在動(dòng)脈粥樣硬化形成中的作用。盡管對(duì)機(jī)械傳感和轉(zhuǎn)導(dǎo)如何參與動(dòng)脈粥樣硬化斑塊發(fā)展的理解仍然有限，但通過實(shí)驗(yàn)動(dòng)物模型或體外模型確定了 WSS 誘導(dǎo)的幾種途徑，以模擬人類血管系統(tǒng)中的剪切應(yīng)力條件。關(guān)于血流動(dòng)力學(xué)和介導(dǎo)的機(jī)械轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑的“動(dòng)態(tài)流動(dòng)"知識(shí)有助于更深入地了解血管疾病的病理學(xué)，并可能有助于制定預(yù)防疾病發(fā)作和進(jìn)展的治療策略。參考文獻(xiàn)：Urschel K, Tauchi M, Achenbach S, Dietel B. Investigation of Wall Shear Stress in Cardiovascular Research and in Clinical Practice-From Bench to Bedside. Int J Mol Sci. 2021 May 26;22(11):5635. doi: 10.3390/ijms22115635. PMID: 34073212; PMCID: PMC8198948.
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