心血管系統(tǒng)是脊椎動物胚胎發(fā)育的第一個功能器官系統(tǒng)，其主要功能是運輸、控制和維持全身的血流。由于不斷暴露在來源于血流量和壓力的多種機械力下，心血管系統(tǒng)是最容易受到機械力學刺激的系統(tǒng)之一。在這種情況下，心血管系統(tǒng)中的細胞由于心臟跳動產(chǎn)生的脈動變化以及血流產(chǎn)生的剪切應力等一直地受到力學刺激。一方面，流體剪切應力、血管壁機械牽張力、細胞與細胞之間的胞間力等外力組成了心血管系統(tǒng)的力學刺激。另一方面，心血管細胞力學描述了心血管的細胞或組織彈性的動力學。
心肌組織是由心肌細胞、心臟成纖維細胞、細胞外基質、血管等組成的復雜和高度層次化的組織，其組織結構與心臟的宏觀力學和形態(tài)特性密切相關。隨著心臟從單腔結構演變?yōu)槎嗍医Y構，心臟瓣膜開始控制心臟周期中的單向血流。在此期間，心室肌細胞以纖維的形式排列，在心臟壁內(nèi)形成復雜的層流模式，賦予了心臟包括各向異性、黏彈性在內(nèi)的多種力學性能。此外，細胞外基質維持了心臟完整性并支持其功能。心臟間質外基質主要由成纖維細胞樣細胞產(chǎn)生和維持，為心肌提供了必要的結構支持，保留了心室的力學特性。血流和基質成分的改變都將在一定程度上影響整個心臟的結構和功能。
血管在組織結構較高，特別是大組織和器官結構的產(chǎn)生中發(fā)揮著重要作用。所有組織生長需要建立足夠的血管結構。血管主要由血管內(nèi)皮細胞(endothelial cells，ECs)和周圍的平滑肌細胞(smooth muscle cells，SMCs)或周細胞組成。這些特殊組分維持了血管的黏彈性、各向異性等力學特性。EC排列在血管的內(nèi)表面，其在循環(huán)和周圍組織之間提供選擇性結構屏障，調節(jié)血管通透性和血流。血管內(nèi)皮功能可以通過血流速率、血管直徑或動脈力學特性變化來評估，這些特性與血管收縮和舒張活動有關。此外，SMCs是構成血管壁組織和維持血管張力的主要細胞成分。血管SMCs在組織發(fā)育過程中，不斷暴露于脈動牽張力等力學刺激中，這種力學作用至少在一定程度上促進了血管組織成分的發(fā)育。
心血管結構或可替代性的改變可以對心臟功能、血管收縮和擴張能力產(chǎn)生重要影響。特別是在病理情況下，了解心血管結構和力學特性的變化是闡明心血管疾病發(fā)生的必要條件，因為這些特性是正常心血管功能的關鍵決定因素。
2022年，關于心血管的生物力學與力學生物學研究主要集中在心血管組分、結構和功能方面。在生理或病理條件下，對心臟和血管壁的生物力學特性、血管內(nèi)的血流動力學參數(shù)、以及響應力學刺激后的生物學改變進行了廣泛研究。此外，在微流體技術、納米技術和生物成像技術等新技術的應用以及心血管生物力學建模領域也取得了進步。然而，機體自身存在的復雜力學環(huán)境導致體內(nèi)心血管力學生物學相關的研究較少。因此，體內(nèi)環(huán)境中不同力學條件下心血管損傷修復的力學生物學研究是未來重要的研究方向。
1 心血管生物力學研究
1.1 心臟結構和功能的生物力學特征
心臟具有復雜的三維結構，在整體器官水平上的功能來自于細胞亞結構到整個器官的內(nèi)在結構-功能的協(xié)調作用。然而，對人體心臟結構中細胞生物力學特征的研究還處于早期階段。在最近的報道中，Chen等[1]通過空間維度剖析了心肌細胞的異質性，并明確了心肌細胞和血管細胞的空間和功能分區(qū)。該項研究表明心房或心室內(nèi)存在明顯的空間異質性，為心臟不同分區(qū)的功能異質性提供了理論基礎。
心臟的基本功能是收縮功能，由此產(chǎn)生的收縮力是心臟的力學特性。心臟收縮是一種復雜的生物力學過程，需要心肌細胞的收縮和松弛協(xié)同作用，產(chǎn)生足夠的收縮力，將血液推向體循環(huán)和肺循環(huán)。以往研究更多的關注心臟的形態(tài)結構、心室大小和室壁厚度等因素對心臟收縮功能的影響，而缺乏對心臟收縮功能的直接表征。Salgado-Almario等[2]構建了一種新的斑馬魚品系，可用于斑馬魚心臟收縮期和舒張期鈣水平的成像。該研究通過將Ca2+水平和心臟收縮功能關聯(lián)起來，可實現(xiàn)對收縮功能的表征，有利于心力衰竭和心律失常等疾病病理生理學機制的闡明。此外，在心臟周期中，心臟收縮或舒張引起的血液流動與發(fā)育中的心臟壁不斷地相互作用，從而調節(jié)心臟發(fā)育的生物力學環(huán)境。因此，確定整個心臟壁的力學特性是十分重要的。Liu等[3]在健康的成年綿羊模型中研究了左心室和右心室的生物力學差異，觀察到右心室在縱向上比左心室順應性強，在周向上比左心室硬，這表明不同心室的力學特性對舒張期血液充盈的影響不同。未來的研究應該根據(jù)不同室壁的生物力學原理開發(fā)對應的特異性治療方法。
值得注意的是，心臟瓣膜是控制心臟血流的重要組成部分，其力學特征對心臟功能和心臟瓣膜疾病的發(fā)展都有重要影響。瓣膜的生物力學特征包括瓣膜的彈性和變形能力等。這些特征可以影響瓣膜的開合和阻力，進而影響心臟血液流動和血液循環(huán)。因此，揭示心臟瓣膜的生物力學特性具有重要意義。軟組織的力學性能是由其復雜、不均勻的組成和結構所驅動的。在一項二尖瓣小葉組織研究中，Lin等[4]開發(fā)了一種具有高空間分辨率的無損測量技術，證明了厚度變化可引起二尖瓣異質性的存在。此外，Klyshnikov等[5]利用數(shù)值模擬方法分析了主動脈瓣瓣膜移動性對瓣膜瓣葉裝置的應力-應變狀態(tài)和幾何形狀的影響，從應力-應變狀態(tài)分布的角度出發(fā)，該研究的仿真方法可以優(yōu)化心臟瓣膜假體的小葉裝置幾何形狀。由此可見，心臟結構和功能的生物力學特征是多方面因素的綜合反映，評估和解析心臟的結構和形狀有利于對心臟功能作用的闡明。
1.2 血管結構和功能的生物力學特征
血管包括心臟的血管和周圍的血管系統(tǒng)，這些血管的生物力學特征對心臟功能有重要影響。血管結構取決于血管的類型，其功能可分為血流動力學功能和血管功能兩部分。血管的彈性和柔韌性可以影響血管的阻力和血液流動速度，從而影響心臟負荷和排血量。此外，血管的厚度和硬度也會影響血壓和血液流動的速度。從生物力學和力學生物學角度去解析血管的結構和功能是目前研究的重要方向。在心血管疾病相關藥物的開發(fā)中，需要精確定位和分離冠狀動脈以測量其動態(tài)血管張力變化。然而，如何記錄離體血管的動態(tài)生物力學特性一直困擾著人們。Guo等[6]建立了一種冠狀動脈環(huán)張力測量的標準化和程序化方案，通過多重肌電圖系統(tǒng)監(jiān)測冠狀動脈環(huán)沿血管直徑的收縮和擴張功能，確保了生理、病理和藥物干預后血管張力記錄的真實性。
ECs和SMCs是血管結構和功能完整性所必需的主要細胞類型。ECs可調節(jié)血管張力和血管通透性，而SMCs負責維持正常的血管張力和結構的完整性。ECs可以分泌多種生物活性物質，如一氧化氮、血管緊張素等，對血管張力和血流動力學產(chǎn)生調節(jié)作用。ECs還能響應外部力學刺激，如流體剪切應力和壓力變化等，從而改變ECs的形態(tài)和功能，影響血管壁的生物力學特征。SMCs可以收縮和松弛，調節(jié)血管的管徑和血管阻力。除細胞因素外，血管的力學性質還受到血管壁中膠原和彈性蛋白的性質、空間排列等因素的影響。這是因為SMCs是高度可塑性的，它能響應細胞外基質(extracellular matrix，ECM)固有的力學信號。最近的一項研究顯示，現(xiàn)有的微血管網(wǎng)絡在力學刺激的加入或退出時表現(xiàn)出明顯的重塑，并且排列程度出現(xiàn)相應的增加或減少。在這個過程中，縱向張力可導致纖維蛋白原纖維的縱向排列[7]。正是這些細胞和細胞外組分賦予了血管的黏彈性、各向異性等力學特性。
總體而言，血管的結構和功能是復雜而多樣的，涉及到多種生物力學特性的相互作用。研究血管的生物力學特征可以幫助人們更好地理解血管疾病的發(fā)生和發(fā)展，為疾病的治療和預防提供科學依據(jù)。
1.3 心血管疾病與生物力學關系的研究進展
心血管疾病是一類常見的疾病，包括動脈粥樣硬化、動脈瘤、心肌梗死等。這些疾病的發(fā)生和發(fā)展與心血管系統(tǒng)的生物力學特性密切相關。在心血管生物力學與力學生物學領域，近年來對心血管疾病與生物力學關系的研究取得了許多進展。
1.3.1動脈粥樣硬化的生物力學特征研究
動脈粥樣硬化是一種常見的動脈疾病，其特征為動脈壁上的脂質沉積和炎癥反應，導致血管壁逐漸增厚和失去彈性。動脈粥樣硬化的發(fā)生和發(fā)展是一個復雜的過程，涉及多個生物力學因素的相互作用。
在動脈粥樣硬化中，SMCs從收縮表型轉變?yōu)楹铣杀硇?，而影響SMCs表型變化的因素尚未全部闡明。Swiatlowska等[8]發(fā)現(xiàn)基質硬度(stiffness)和血流動力學壓力(pressure)變化對SMCs表型具有重要影響。在動脈粥樣硬化發(fā)展過程中，在高血壓壓力與基質順應性(matrix compliance)共同的作用下，才會導致SMCs完整的表型轉換[8]。提高對冠狀動脈微結構力學的認識是開發(fā)動脈粥樣硬化治療工具和外科手術的基礎。雖然對冠狀動脈的被動雙軸特性已有廣泛的研究，但其區(qū)域差異以及組織微觀結構與力學之間的關系尚未得到充分的表征。Pineda-Castillo等[9]利用雙軸測試、偏振光成像和前室間動脈共聚焦顯微鏡來描述了豬前室間動脈近端、內(nèi)側和遠端區(qū)域的被動雙軸力學特性和微結構特性，為冠狀動脈旁路移植術中吻合部位的選擇和組織工程化血管移植物的設計提供指導。動脈粥樣硬化斑塊的破裂是引起患者死亡的主要原因；但目前尚不清楚這種異質的、高度膠原化的斑塊組織的破裂機制，以及破裂發(fā)生與組織的纖維結構之間的關系。為了研究斑塊的非均質結構和力學性質，Crielaard等[10]研制了力學成像管道(見圖1)。通過多光子顯微鏡和數(shù)字圖像相關分析，這條實驗管道能夠關聯(lián)局部主要角度和膠原纖維取向的分散度、斷裂行為和纖維斑塊組織的應變情況。這為研究人員更好地了解、預測和預防動脈粥樣硬化斑塊破裂提供了幫助。
圖1 在拉伸測試過程中斑塊組織樣本中的破裂起始和擴展[10]
除SMCs以外，最近的一項研究揭示了動脈粥樣硬化中ECs表面力學性質的變化。Achner等通過基于原子力顯微鏡的納米壓痕技術發(fā)現(xiàn)內(nèi)皮/皮層僵硬度的增加[11]。事實上，內(nèi)皮功能障礙在血管硬化中的作用一直是一個重要的研究方向。ECs的可塑性在動脈粥樣硬化的進展中起關鍵作用，暴露于擾動、振蕩剪切應力區(qū)域的內(nèi)皮細胞功能障礙是動脈粥樣硬化的重要驅動因素[12]。由此可見，未來的研究如能進一步明確ECs和SMCs對血管硬化相關心血管疾病的貢獻，則可能為恢復動脈粥樣硬化中的血管內(nèi)皮和平滑肌功能提供重要的靶點。
1.3.2動脈瘤的生物力學特征研究
主動脈SMCs在維持主動脈機械動態(tài)平衡方面起著至關重要的作用。動脈瘤主動脈的SMCs表型受到力學因素的影響，但是主動脈瘤中SMCs的骨架硬度的改變情況缺乏相關的數(shù)據(jù)。Petit等[13]以附著在不同基質硬度上的動脈瘤或健康SMCs為對象，通過原子力顯微鏡納米壓痕技術研究了細胞骨架硬度的區(qū)域差異性。該研究結果表明，動脈瘤SMCs和正常SMCs的平均硬度分布分別為16、12 kPa；然而，由于原子力顯微鏡納米壓痕硬度檢測值的大量分散，兩者之間的差異沒有統(tǒng)計學意義。在腹主動脈瘤中，Qian等[14]采用基于超聲波鑷(ultrasonic tweezer)的微力學系統(tǒng)探究了SMCs的力學特性(見圖2)。結果發(fā)現(xiàn)，動脈瘤病理發(fā)展中細胞骨架的變化改變了SMCs的細胞膜張力，從而調節(jié)了它們的力學特性。
圖2 基于超聲波鑷的微力學系統(tǒng)檢測腹主動脈瘤中SMC的力學特性[14]
a使用超聲波激發(fā)微泡通過整合素結合到PDMS微柱陣列上的SMCs膜上的微力學系統(tǒng)示意圖；b基于微柱的力學感受器和單細胞的超聲波鑷系統(tǒng)示意圖
二尖瓣主動脈瓣經(jīng)常與升胸主動脈瘤相關，但目前尚不清楚瓣尖融合模式對生物力學和升胸主動脈瘤微觀結構的影響。Xu等[15]通過雙向拉伸試驗對具有左右瓣尖融合以及右冠竇和無冠竇瓣尖融合的升胸主動脈瘤的力學行為進行了表征。此外，將材料模型與雙軸實驗數(shù)據(jù)進行擬合，得到模型參數(shù)，并使用組織學和質量分數(shù)分析來研究升胸主動脈瘤組織中彈性蛋白和膠原的基本微觀結構和干重百分比。其結果發(fā)現(xiàn)，兩種瓣尖融合模式對雙軸加載表現(xiàn)出非線性和各向異性的力學響應；在彈性性能方面，左右瓣尖融合的彈性性能劣化得更嚴重。由此可見，心血管結構自身生物力學特性的改變可能對動脈瘤的進展有很大影響。然而，主動脈血流動力學對升主動脈瘤動脈壁特性的影響尚不清楚。在最近的一項研究中，McClarty等[16]探究了升主動脈瘤血流動力學與主動脈壁生物力學特性的關系。其結果發(fā)現(xiàn)，血管壁的剪切應力與動脈壁黏彈性滯后和分層強度的局部退化有關，血流動力學指標可以提供對主動脈壁完整性的深入了解。因此，從血管自身結構特性以及血流動力學兩方面探究動脈瘤的形成機制具有重要意義。
1.3.3 心肌梗死的生物力學特性研究
心肌梗死是心肌細胞死亡的結果，通常是由于冠狀動脈阻塞引起的。心肌梗死可導致心力衰竭并降低射血分數(shù)。生物力學研究發(fā)現(xiàn)，冠狀動脈阻塞會導致心肌的缺血和再灌注損傷，這些過程涉及血流動力學和細胞力學等因素。在體循環(huán)過程中，心肌梗死后的血流動力學改變?nèi)绾螀⑴c并誘導心力衰竭的病理進展尚未全部闡明。Wang等[17]采用冠狀動脈結扎術建立了Wistar雄性大鼠心肌梗死模型。術后3、6周分別對左心室和外周動脈進行生理和血流動力學檢測，計算左心室肌纖維應力，并進行外周血流動力學分析。結果表明，心肌梗死明顯損害心功能和外周血流動力學，并改變相應的心壁和外周動脈壁的組織學特性，且隨時間延長而惡化。綜上所述，心功能障礙和血流動力學損害的相互作用加速了心梗引起的心衰的進展。
急性心肌梗死后，左室游離壁發(fā)生重塑，包括細胞和細胞外成分的結構和性質的變化，使整個左室游離壁具有不同的模式。心臟的正常功能受到左心室的被動和主動生物力學行為的影響，進行性的心肌結構重構會對左心室的舒縮功能產(chǎn)生不利影響。在這個過程中，左心室游離壁形成纖維性瘢痕。盡管在心肌梗死背景下對左室游離壁被動重構的認識取得了重要進展，但左室游離壁主動屬性的異質性重構及其與器官水平左心功能的關系仍未得到充分研究。Mendiola等[18]開發(fā)了心肌梗死的高保真有限元嚙齒動物計算心臟模型，并通過仿真實驗預測梗死區(qū)的膠原纖維跨膜方向對心臟功能的影響(見圖3)。結果發(fā)現(xiàn)，收縮末期梗死區(qū)減少的及潛在的周向應變可用于推斷梗死區(qū)的時變特性信息。這表明對局部被動和主動重構模式的詳細描述可以補充和加強傳統(tǒng)的左室解剖和功能測量。
圖3 代表性的嚙齒動物心臟計算模型在心肌梗死后不同時間點的短軸和長軸截面顯示收縮末期的周向、縱向和徑向應變[18]
上述研究表明，心臟疾病的發(fā)生和發(fā)展與心臟結構和功能的生物力學特征密切相關。任何影響心臟收縮和舒張過程的因素，都可能調控心臟的泵血功能和心臟負荷。這些因素可以影響心臟收縮的能力、心肌細胞的代謝和血流動力學參數(shù)，從而影響心臟的整體功能和疾病的進展?？傊?，通過深入研究這些生物力學特征，可以為心血管疾病的診斷和治療提供重要的理論和實踐基礎。
2 力學生物學在心血管細胞水平上的研究進展
2.1ECs水平上的研究進展
細胞的凋亡、通訊和增殖異常等表型變化是心血管疾病的一個重要機制。通過力學生物學的方法，研究人員可以模擬不同的細胞應力環(huán)境，探索細胞生長和凋亡的調控機制，并研究細胞在受外界力學刺激作用下的反應。
由于ECs直接暴露于血流中，因此ECs表型變化的力學生物學機制一直是心血管領域的研究熱點之一。紊亂擾動的血流改變了ECs的形態(tài)和細胞骨架，調節(jié)了它們的細胞內(nèi)生化信號和基因表達，從而導致血管ECs表型和功能的改變。在頸動脈結扎產(chǎn)生的動脈粥樣硬化模型中，Quan等[24]研究發(fā)現(xiàn)，在人和小鼠動脈和ECs的振蕩剪切應力暴露區(qū)，內(nèi)皮MST1的磷酸化被明顯抑制。該研究揭示，抑制MST1-Cx43軸是振蕩剪切應力誘導的內(nèi)皮功能障礙和動脈粥樣硬化的一個基本驅動因素，為治療動脈粥樣硬化提供了一個新的治療目標。另外一項研究從表觀修飾角度探究了剪切應力對ECs功能的影響[20]。Qu等[20]研究顯示，層流切應力通過增加內(nèi)皮細胞CX40的表達而誘導TET1s的表達，從而保護血管內(nèi)皮屏障，而TET1s過表達則可能是治療振蕩剪切應力誘導的動脈粥樣硬化的關鍵步驟。另一方面，病理性基質硬度可使ECs 獲得間充質特征[21]。動脈生成(arteriogenesis)在維持足夠的組織血供方面起著關鍵作用，并且與動脈閉塞性疾病的良好預后相關，但涉及動脈生成的因素尚不全部清楚。Zhang等[22]研究發(fā)現(xiàn)，在動脈阻塞性疾病中，KANK4將 VEGFR2偶聯(lián)到 TALIN-1，從而導致VEGFR2活化和EC增殖的增加。
除參與疾病病理進展以外，作用于ECs的化學和力學信號可協(xié)同地調節(jié)血管生成；然而血管生成的力學生物學機制尚不清楚。在傷口血管生成過程中，Yuge等[23]發(fā)現(xiàn)血流驅動的腔內(nèi)壓力負荷抑制了血流上游部位受損血管的伸長，而下游受損血管則主動伸長。分子生物學機制研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)-BAR 蛋白的 TOCA 家族是ECs遷移和力敏感細胞拉伸調節(jié)傷口血管生成所需的關鍵肌動蛋白調節(jié)蛋白。上述研究表明，由生物力學所觸發(fā)的細胞信號轉導對血管功能的調節(jié)具有重要作用。
2.2 SMCs水平上的研究進展
最近的一項研究發(fā)現(xiàn)，內(nèi)皮祖細胞(endothelial progenitor cells, EPCs)參與血管修復并調節(jié)SMCs的特性,與EPCs對損傷后新內(nèi)膜的形成有關。通過建立損傷和脂質誘導的動脈粥樣硬化模型，Mause等發(fā)現(xiàn)EPCs與SMCs在CXCL12-CXCR4軸的作用下共同參與血管表型的調控和血管平衡的維持[24]。冠狀動脈旁路移植術通過在阻塞的動脈周圍建立血管通路來恢復心臟的正常血流。既往的研究已經(jīng)證明力學刺激在靜脈移植術后的新生內(nèi)膜增生中起著關鍵作用；然而，在該過程中關于機械力調控SMCs表型變化的研究相對較少。Tang[25]等將單軸循環(huán)拉伸(15%，1Hz)，以及單軸循環(huán)拉伸(5%，1 Hz)或靜態(tài)條件應用于培養(yǎng)的SMCs，以探究由拉伸力引起SMC表型變化的力學生物學機制。結合代謝組學分析、RNA測序以及等離子體共振分析等技術方法，作者發(fā)現(xiàn)MFN2過表達或藥物抑制PFK1能夠抑制15%牽張誘導的SMCs增殖、遷移并減輕移植靜脈的新生內(nèi)膜增生。另外，SMCs可以響應細胞外基質(extracellular matrix, ECM)固有的力學信號而呈現(xiàn)出高度的可塑性。Wang等[26]探究了聚丙烯酰胺底物上由可變彈性模量所致SMCs表型變化的力學生物學機制。該研究發(fā)現(xiàn)，基質硬度通過DDR1-DNMT1力學信號轉導軸加劇了SMCs的促炎癥反應(見圖4)，這對于工程人造血管移植物和血管網(wǎng)絡的優(yōu)化具有潛在的意義。
圖4 DDR1-DNMT1機械轉導軸調控SMCs促炎癥表型轉換示意圖[26]
Liu等[27]使用不規(guī)則排列與周向排列的血管移植物來控制三維生長中的細胞幾何形狀，證明了DNMT1與細胞幾何形狀、血管收縮性密切相關。自噬是一種維持細胞穩(wěn)態(tài)的適應機制，其失調與多種心血管疾病有關。靜脈移植術后，血流動力學因素在新生內(nèi)膜增生中起關鍵作用，但其機制尚不清楚。2022年的一項研究探索了動脈循環(huán)拉伸對靜脈SMCs自噬的影響及其在靜脈移植后新內(nèi)膜形成中的作用。Chen等[28]在靜脈SMCs上加載 FX5000拉伸系統(tǒng)的(10%，1.25 Hz )循環(huán)拉伸，結果顯示這樣的力學參數(shù)加載在體外阻斷了細胞自噬流，調節(jié)了內(nèi)膜增生，而該過程是由p62/nrf2/slc7a11信號通路介導。
2.3心血管其他細胞水平上的研究進展
心血管環(huán)境的硬度在衰老和疾病過程中發(fā)生變化，并導致疾病的發(fā)生和發(fā)展。心臟成纖維細胞和心肌細胞是心血管系統(tǒng)中的重要細胞，它們也在心臟病和心血管疾病中扮演重要角色。研究表明，心臟成纖維細胞能夠感知力學環(huán)境的變化，從而分泌細胞因子參與心臟損傷或修復。Ebrahimighaei等發(fā)現(xiàn)YAP 介導的 RUNX2激活對心臟成纖維細胞具有促增殖作用，以響應增加的 ECM 硬度變化[29]。在另一項YAP的相關研究中發(fā)現(xiàn)，YAP 協(xié)同 TGFβ1信號促進人心肌纖維化三維模型中肌成纖維細胞活化和基質硬化[30]。然而，在生理硬度的工程化心臟基質中，Ploeg等[31]研究顯示，培養(yǎng)的成纖維細胞降低了肌成纖維細胞標志物基因表達，而成纖維細胞對拉伸或 TGFβ1的反應維持不變，表明這種新型心臟基質結構為研究心臟成纖維細胞功能和肌成纖維細胞分化提供了良好的生理模型。
在心肌細胞中，纖維連接蛋白的存在與纖維化區(qū)域增強的硬度相結合，將強烈影響心肌細胞的行為，并影響疾病的進展[32]。Lin等[33]使用選擇性HDAC6抑制劑處理的成年小鼠心室肌細胞表現(xiàn)出增加的肌原纖維硬度。而HDAC6在心肌細胞中的過度表達導致肌原纖維僵硬度降低，表明靶向 HDAC6可操縱心臟的彈性特性以治療基質硬度改變相關的心臟疾病。有趣的是，Pioner等[34]評估了剛度調節(jié)心肌細胞功能的另一種機制，即在缺乏肌營養(yǎng)不良蛋白的 hiPSC-CM 中，較硬的底物不能改變動作電位和鈣瞬變。這些發(fā)現(xiàn)強調了肌營養(yǎng)不良蛋白缺陷型心肌細胞不能調節(jié)其鈣穩(wěn)態(tài)以響應細胞外間質硬度的增加。此外，細胞牽引力對于功能性心肌細胞的分化和發(fā)育很重要。鑒于剛度感應機制是由整合素相關蛋白受體所介導，Rashid等[35]通過DNA 張力探針發(fā)現(xiàn)，心肌細胞成熟與整合素傳遞的牽張力有關。綜上所述，心血管中的不同類型細胞通過各種信號通路感知了周圍的力學環(huán)境變化，從而介導心血管的病理生理過程。闡明細胞的力學生物學機制，有利于揭示生物力學作用下的表型改變。
3 研究方法與技術方面的進展
心血管生物力學和力學生物學的研究方法不斷發(fā)展，主要包括計算模擬在體內(nèi)實驗或體外實驗中的應用進展。體內(nèi)實驗是研究者通過對動物模型或人體進行實驗，獲取心血管系統(tǒng)的生物力學特性和疾病機制的信息。這種方法可以直接觀察心血管系統(tǒng)的生理和病理變化，并且具有較高的生物學可靠性。體內(nèi)實驗的缺點在于它可能有一定的倫理問題，而且成本高昂。體外實驗是指利用細胞、組織或器官進行實驗，以研究心血管系統(tǒng)的生物力學特性和疾病機制。這種方法可以更加精細地研究心血管系統(tǒng)的某些方面，例如力學信號感受及轉導、血管內(nèi)皮功能等。此外，由于其可重復性較強，體外實驗成為了心血管生物力學研究中重要的一環(huán)?？傮w而言，涉及體內(nèi)和體外實驗的模擬相關研究技術和方法的創(chuàng)新都是為了了解組織結構、健康狀況和力學性能之間的相關性。本文從組織和器官兩個角度總結2022年心血管生物力學與力學生物學相關的研究方法與技術進展。
在心血管組織的力學特性研究中，利用生物力學等方法，可以研究心血管組織的力學特性，包括組織的彈性模量、硬度、黏性等參數(shù)。這對于改進材料模型和開發(fā)組織工程支架至關重要。由于基于結構的材料模型缺乏實驗獲得的結構參數(shù)，Pukaluk等[36]對人腹主動脈的內(nèi)層進行了等雙軸加載和多光子顯微鏡觀察。結果發(fā)現(xiàn)，膠原纖維和彈性蛋白纖維的波浪度參數(shù)都顯示出作為組織強度指標的潛力(見圖5)。這些數(shù)據(jù)解決了目前材料模型中的不足，并在主動脈中膜建立了多尺度機制。
圖5 在所有測試樣品的雙軸拉伸期間，每個拉伸步驟的膠原蛋白（綠色）和彈性纖維方向（紅色）的歸一化相對強度[36]
動脈粥樣硬化治療的標準方法是通過搭橋手術進行血管置換；然而，自體血管來源并不總是可行的。因此，組織工程血管正在成為一種潛在的替代來源，基于細胞治療和/或促血管生成的組織工程策略可以在一定程度上改善心臟功能。但缺乏能夠承受持續(xù)變形性和適應性機械力學特性的適當心肌組織材料，嚴重影響了心肌壁完整性、心臟的收縮-舒張周期和再生能力。最近，Bosch-Rué等[37]通過同軸擠壓方法在內(nèi)層和外層使用高濃度的膠原蛋白來開發(fā)組織工程血管樣結構，目的是將ECs和SMCs分別包裹在兩個不同的層面中。其結果顯示，兩種細胞均顯示出良好的活性；而20 mg/mL的膠原組織工程血管具有足夠的力學特性，能夠承受相當于動脈剪切應力的生理流速[37]。
為了支持心肌壁結構的機械性能，調控心肌功能的電傳導特性并維持心臟功能的完整性，Zheng等[38]基于改性透明質酸、明膠和Fe3+，通過離子相互作用和化學共價性，開發(fā)了一種具有良好處理性能的單一“一體式”原位雙交聯(lián)型導電水凝膠。該水凝膠不僅提供了自我修復和適應心肌收縮-舒張周期的機械性能，而且同時向纖維島和正常組織傳輸電信號(見圖6)。更為重要的是，該雙交聯(lián)導電水凝膠介導的協(xié)同肽和細胞療法使受損心肌的結構和功能得到部分恢復和再生，從而顯示出巨大的臨床轉化潛力。
圖6 具有多功能性的雙交聯(lián)導電水凝膠用于心肌修復示意圖[38]
再生療法是治療嚴重受損心肌的一種新的策略；而功能性心肌細胞的保有率是獲得良好治療效果的關鍵。因此，構建和移植一個類似于人類心肌的工程化成熟的三維心臟組織是至關重要的。Nakazato等[39]構建了一個旋轉壁血管生物反應器，用于生長大量的功能性心臟構筑物，以恢復受損大鼠心臟的功能。具體而言，研究人員將誘導的人多能干細胞來源的心肌細胞種植在聚乳酸-羥基乙酸共聚物纖維片上，以構建三維心臟組織，并在旋轉壁血管生物反應器中培養(yǎng)，隨后將組織移植到心肌梗死裸鼠模型中，然后進行心功能評價。其結果顯示，生物反應器處理組的細胞存活率、收縮特性和電學特性顯著改善，并可見成熟的心肌細胞。移植后4周，處理組的組織存活率和左心室射血分數(shù)顯著改善。由此可見，生物反應器中的動態(tài)培養(yǎng)可以為心肌的性能提供良好的培養(yǎng)環(huán)境，為治療心肌細胞損失所致的心力衰竭提供了一種功能性心肌生成手段。
此外，開發(fā)水凝膠補片來修復受損的心肌，也是彌補心肌再生能力受限的關鍵方法。盡管基于水凝膠的貼片在心肌梗死中已經(jīng)顯示出良好的治療效果，但機械、電和生物的協(xié)同作用與心臟電傳導和舒張期-收縮期功能之間的關系尚未全部闡明。Yu等[40]通過動態(tài)共價/非共價交聯(lián)方式開發(fā)了一種可注射的機械-電耦合水凝膠貼片，適合于細胞封裝和微創(chuàng)植入心包腔。其結果顯示，心包固定和水凝膠的自黏性能使該貼片能夠與周期性變形的心肌高度順應地進行界面耦合。不僅如此，自適應的水凝膠貼片能抑制心室擴張，同時協(xié)助心臟的搏動功能(見圖7)。
圖7 心包內(nèi)注射機械-電耦合水凝膠貼片用于心肌修復示意圖[40]
除上述方法外，3D工程心血管組織在替換受損結構方面顯示出巨大的前景。具體地說，組織工程血管移植物具有取代生物和合成移植物的潛力。Mayoral等通過3D打印、混合熔融沉積建模、靜電紡絲技術和干細胞接種制作了一種組織工程化體外血管貼片(見圖8)，用于評價3D生物技術在再生醫(yī)學中是否具有廣泛的應用潛力[41]。該研究獲取的參數(shù)是基于一名2個月大的患有主動脈弓發(fā)育不良患者的醫(yī)學圖像；其結果發(fā)現(xiàn)，患者特異性貼片顯示足夠的血流動力學特征、力學性能、生存力和功能。因此，這種創(chuàng)新的3D生物技術具有廣泛應用于再生醫(yī)學和預防心臟病的潛力。此外，該研究也為基于組織工程技術的個性化治療提供了理論依據(jù)。
圖8 基于3D 打印和靜電紡絲技術的組織工程化血管貼片制備[41]
由此可見，利用生物力學相關方法，可以評估不同種類的組織工程學技術的效果，并進一步優(yōu)化組織工程學的設計和構建。利用力學生物學方法則可以評估不同材料的力學特性以及材料與細胞間的相互作用，以選擇合適的生物材料和細胞類型來構建功能性的心血管組織。總之，心血管力學生物學在組織水平上的應用有助于深入了解心血管組織的力學特性和動態(tài)行為，為心血管疾病的研究和治療提供了理論和實驗基礎。
在器官水平上，心臟是一個高耗能的結構，由4個形態(tài)和功能上不同的腔室組成。心臟功能的執(zhí)行依賴于其內(nèi)部力學特性。從整體上評價力學特性改變所致的心臟病理生理反應，對于研究心臟疾病的發(fā)病機制以及新型心臟病診治手段的開發(fā)都有重要意義。
心臟移植術一直是終末期心臟病患者的選擇，但是由于供體源的匱乏和手術成本的高昂，心臟移植術并非是所有患者都適合和能夠接受的治療方式。隨著科技的不斷發(fā)展，心臟輔助裝置提供了一種心臟移植的替代治療方法。左心室輔助裝置已成為治療嚴重心力衰竭越來越重要的方法。Amstad等[42]基于一項回顧性分析，探討了心室輔助裝置患者在心臟康復過程中運動能力和生活質量的變化。其結果發(fā)現(xiàn)，心臟輔助裝置植入患者的運動能力和生活質量在統(tǒng)計學和臨床上呈現(xiàn)顯著的改善。在最近的一項離體豬心臟研究中，Dort等[43]描述了一種能夠提高離體跳動豬心臟泵血功能的新型室內(nèi)膜泵。通過研究血流動力學參數(shù)、動脈和冠狀靜脈血氧含量變化情況發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)膜泵在生理條件下提高了機械效率，因為心功能的顯著提高僅導致耗氧量的適度增加。此外，室內(nèi)膜泵在急性泵衰竭的情況下能迅速恢復心臟功能，這表明心臟輔助裝置在一定程度上能夠提高心臟的使用效率。在一項臨床研究中，Krauss等[44]發(fā)現(xiàn)心室輔助裝置的存在能夠改善兒科心臟移植患者的預后，為圍手術期患者帶來了幫助。當然，還需要更多的臨床和實驗室研究來驗證上述這些發(fā)現(xiàn)。
人工心臟等替代治療方法也逐漸成為了心臟病患者的治療選擇。作為一種機械循環(huán)支持裝置，人工心臟可用于雙心室性心衰患者。盡管人工心臟于2004年在美國被批準用于臨床移植，但大多數(shù)中心不采用人工心臟作為雙心室衰竭患者的標準治療策略。因此，關于全人工心臟移植的研究相對較少。Aeson全人工心臟已經(jīng)開發(fā)用于雙心室衰竭死亡風險患者。為評估該裝置的治療效果，Peronino等[45]在1年多的時間里評估了9個植入Aeson全人工心臟受試者的炎癥狀態(tài)，主要包括植入前后白細胞計數(shù)、炎性細胞因子測定和外周血單核細胞變化等指標。結果發(fā)現(xiàn)，心臟植入后的12個月內(nèi)，受試者外周血中沒有明顯的炎癥信號。另外一項研究證實了該人工心臟不會引起溶血，具有良好的血液相容性[46]。除Aeson人工心臟外，美國克利夫蘭醫(yī)學中心的連續(xù)流動全人工心臟也得到了廣泛研究。據(jù)報道，連續(xù)流動全人工心臟采用重新設計的右葉輪和馬達。然而，其脈動血流的評價尚未在體內(nèi)進行測試。Kuroda等[47]以小牛為對象，進行了為期30天的實驗研究。通過脈動研究發(fā)現(xiàn)，泵的最大流量和最小流量與基線相比都有顯著變化，而泵的平均流量沒有變化。連續(xù)流動全人工心臟顯示了正弦泵調速脈動循環(huán)的可行性?？傊?，心血管生物力學在器官水平上的應用可以幫助我們深入了解心血管系統(tǒng)的力學特性，為心血管疾病的研究和治療提供了理論和實驗基礎。
由此可見，基于計算機程序進行的心血管系統(tǒng)建模和仿真的計算模擬在未來可能會得到廣泛應用。這種方法可以定量分析心血管系統(tǒng)的生物力學特性，并預測器官和組織在不同疾病狀態(tài)下的行為。例如，心肌缺血的模擬可以幫助研究心肌缺血時的血流動力學特性，預測心肌缺血范圍和程度，優(yōu)化診斷和治療方案。此外，心肌力學性能的體內(nèi)評估對于患者特異性診斷和心臟疾病的預后至關重要，涉及心肌重塑，包括心肌梗死和心力衰竭。目前的方法使用耗時的逆有限元方法，包括重建心臟幾何結構和劃分網(wǎng)格、施加測量載荷和進行計算代價高昂的迭代有限元模擬。因此，亟需尋找更多的體內(nèi)計算模擬方法。Babaei等[48]構建了一種機器學習模型，根據(jù)所選定的幾何、結構和血流動力學指標，可以準確地預測被動心肌特性，從而繞過了心臟逆有限元方法中通常需要的詳盡步驟。該項研究彌補了舒張末期壓力-容積關系和內(nèi)在組織級特性之間的差距。相對于傳統(tǒng)的心功能指標，這些屬性提供了增量信息，改善了心臟疾病的臨床評估和預后。
總體而言，計算模擬在心血管生物力學領域的應用越來越廣泛，研究者們利用多種軟件和方法，例如如有限元法、多物理場耦合模擬、計算流體動力學，進行心血管系統(tǒng)的建模和仿真。這些方法和工具不僅可以研究心血管系統(tǒng)的生物力學特性和疾病機制，還可以指導臨床診斷和治療。
隨著心血管生物力學領域的發(fā)展，相關的研究技術不斷更新和完善，包括成像技術、材料測試技術和仿真軟件等。成像技術方面，包括超聲成像、磁共振成像、計算機斷層掃描等技術，可以非侵入性地獲取心血管系統(tǒng)的結構和功能信息，如血流速度、動脈壁厚度、血管直徑等。近年來，隨著技術的發(fā)展，例如超高頻超聲成像和功能性磁共振成像等技術的應用，使得心血管成像技術更加精細和靈敏。在材料測試技術方面，原子力顯微鏡、拉伸試驗和壓縮試驗等可以對心血管材料的力學特性進行測量和分析。這些技術的應用，有助于研究心血管組織的本質力學特性，并為材料模型的建立提供數(shù)據(jù)支持。有限元軟件、多物理場耦合等仿真軟件可以建立心血管系統(tǒng)的數(shù)學模型，并通過計算機仿真對其進行分析和優(yōu)化。這些軟件的應用，可以預測和模擬心血管系統(tǒng)的結構和功能，包括血流動力學、血管壁應力和應變分布等，為疾病機制的探究和新型醫(yī)療器械的設計提供基礎。
4 結論與展望
2022年，心血管生物力學和力學生物學的研究取得了許多重要的進展。在血管壁結構和功能的生物力學特征方面，研究已經(jīng)深入探索了血管壁中不同成分的作用，以及它們對血管彈性和穩(wěn)定性的貢獻。在心血管疾病與生物力學關系的研究中，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多與心血管疾病相關的生物力學特性，如動脈瘤形成和動脈粥樣硬化等。在心血管細胞水平上的應用方面，力學生物學已經(jīng)被廣泛應用于細胞形態(tài)學、細胞黏附和遷移等方面的研究。在心血管組織和器官水平上的應用方面，力學生物學已經(jīng)在心肌梗死、動脈瘤和動脈粥樣硬化等方面取得了顯著的進展。在研究方法方面，成像技術、材料測試技術和仿真軟件的發(fā)展為心血管生物力學和力學生物學的研究提供了有力的支持。
然而，心血管生物力學和力學生物學的研究仍面臨著許多挑戰(zhàn)和問題：① 數(shù)據(jù)獲取難度是一個重要的問題。心血管系統(tǒng)具有高度復雜的結構和功能，而獲取準確的生物力學數(shù)據(jù)是非常具有挑戰(zhàn)性的。例如，測量血管壁的厚度、硬度和應力分布需要使用成像技術和儀器，并且需要在實驗中處理一些復雜的因素，如流動和應力變化等；② 模型精度不足是另一個需要解決的問題。盡管現(xiàn)代計算機模擬技術已經(jīng)取得了很大的進展，但是仍然存在模型過于簡單、假設過多和參數(shù)選擇不準確等問題。這些問題可能會導致模擬結果與實際情況之間的差異，從而影響研究的可靠性和有效性；③ 個性化醫(yī)療也是一個需要解決的挑戰(zhàn)。
隨著心血管生物力學和力學生物學研究的深入，未來的研究方向包括但不限于：① 多尺度建模：當前的研究主要集中在細胞、組織和器官水平；但是在未來，研究將會更加關注不同尺度之間的相互作用。例如，如何在心臟水平上對細胞和組織力學特性進行建模，以及如何將這些模型應用于疾病預測和治療方案的優(yōu)化等問題，都是未來研究的重點。此外，未來還將加強多尺度建模與數(shù)據(jù)挖掘技術的結合，利用大數(shù)據(jù)分析和機器學習算法，將不同尺度的數(shù)據(jù)整合起來，以更好地理解心血管系統(tǒng)的生物力學特性和疾病機制；② 個性化醫(yī)療：由于每個人的心血管系統(tǒng)結構和功能都有所不同，因此在未來，研究將更加關注個性化醫(yī)療的實現(xiàn)。這意味著，基于個體的醫(yī)療方案將會更加精確和有效，包括個性化的預防措施、診斷方法和治療方案等。為了實現(xiàn)個性化醫(yī)療，需要采用多種技術，包括醫(yī)學影像學、基因組學、蛋白質組學、計算機模擬等，以建立個體化的心血管系統(tǒng)模型，并將其應用于治療方案的優(yōu)化和預測；③ 數(shù)據(jù)科學：未來的研究將更加注重數(shù)據(jù)科學的應用，例如，如何從大量的生物醫(yī)學數(shù)據(jù)中提取有用的信息，以輔助心血管生物力學和力學生物學的研究。總之，心血管生物力學和力學生物學的研究將為心血管醫(yī)學領域的發(fā)展提供重要的支撐和推動，未來有望在心血管疾病的預防和治療中發(fā)揮重要作用。
