【学问科普】心血管生物力学取力学生物学2022年

　　心血管系统是脊椎动物胚胎发育的第一个功能器官系统，其次要功能是运输、节制和维持的血流。因为不竭正在来历于血流量和压力的多种机械力下，心血管系统是最容易遭到机械力学刺激的系统之一。正在这种环境下，心血管系统中的细胞因为心净跳动发生的脉动变化以及血流发生的剪切应力等永世地遭到力学刺激。一方面，流体剪切应力、血管壁机械牵张力、细胞取细胞之间的胞间力等外力构成了心血管系统的力学刺激。另一方面，心血管细胞力学描述了心血管的细胞或组织弹性的动力学。心肌组织是由心肌细胞、心净成纤维细胞、细胞外基质、血管等构成的复杂和高度条理化的组织，其组织布局取心净的宏不雅力学和形态特征亲近相关。跟着心净从单腔布局演变为多室布局，心净瓣膜起头节制心净周期中的单向血流。正在此期间，心室肌细胞以纤维的形式陈列，正在心净壁内构成复杂的层流模式，付与了心净包罗各向同性、黏弹性正在内的多种力学机能。此外，细胞外基质维持了心净完整性并支撑其功能。心净间质外基质次要由成纤维细胞样细胞发生和维持，为心肌供给了需要的布局支撑，保留了心室的力学特征。血流和基质成分的改变都将正在必然程度上影响整个心净的布局和功能。血管正在组织布局较高，出格是大组织和器官布局的发生中阐扬着主要感化。所有组织发展需要成立脚够的血管布局。血管次要由血管内皮细胞（endothelial cells，ECs）和四周的滑润肌细胞（smooth muscle cells，SMCs）或周细胞构成。这些特殊组分维持了和四周组织之间供给选择性布局樊篱，调理血管通透性和血流。血管内皮功能能够通过血流速度、血管曲径或动脉力学特征变化来评估，这些特征取血管收缩和舒张勾当相关。此外，SMCs是形成血管壁组织和维持血管张力的次要细胞成分。血管SMCs正在组织发育过程中，不竭于脉动牵张力等力学刺激中，这种力学感化至多正在必然程度上推进了血管组织成分的发育。心血管布局或可替代性的改变能够对心净功能、血管收缩和扩张能力发生主要影响。出格是正在病理环境下，领会心血管布局和力学特征的变化是阐明心血管疾病发生的需要前提，由于这些特征是一般心血管功能的环节决定要素。2022年，关于心血管的生物力学取力学生物学研究次要集中正在心血管组分、布局和功能方面。正在心理或病理前提下，对心净和血管壁的生物力学特征、血管内的血流动力学参数、以及响应力学刺激后的生物学改变进行了普遍研究。此外，正在微流体手艺、纳米手艺和生物成像手艺等新手艺的使用以及心血管生物力学建模范畴也取得了前进。然而，机体本身存正在的复杂力学导致体心里血管力学生物学相关的研究较少。因而，体内中分歧力学前提下心血管毁伤修复的力学生物学研究是将来主要的研究标的目的。心净具有复杂的三维布局，正在全体器官程度上的功能来自于细胞亚布局到整个器官的内正在布局-功能的协调感化。然而，对人体心净布局中细胞生物力学特征的研究还处于晚期阶段。正在比来的报道中，Chen等[1]通过空间维度分解了心肌细胞的异质性，并明白了心肌细胞和血管细胞的空间和功能分区。该项研究表白心房或心室内存正在较着的空间异质性，为心净分歧分区的功能异质性供给了理论根本。心净的根基功能是收缩功能，由此发生的收缩力是心特的力学特征。心净收缩是一种复杂的生物力学过程，需要心肌细胞的收缩和败坏协同感化，发生脚够的收缩力，将血液推向体轮回和肺轮回。以往研究更多的关心心净的形态布局、心室大小和室壁厚度等要素对心净收缩功能的影响，而缺乏对心净收缩功能的间接表征。Salgado-Almario等[2]建立了一种新的斑马鱼品系，可用于斑马鱼心净收缩期和舒张期钙程度的成像。该研究通过将Ca2+程度和心净收缩功能联系关系起来，可实现对收缩功能的表征，有益于心力弱竭和心律变态等疾病病理心理学机制的阐明。此外，正在心净周期中，心净收缩或舒张惹起的血液流动取发育中的心净壁不竭地彼此感化，从而调理心净发育的生物力学。因而，确定整个心净壁的力学特征是十分主要的。Liu等[3]正在健康的成年绵羊模子中研究了左心室和左心室的生物力学差别，察看到左心室正在纵向上比左心室性强，正在周向上比左心室硬，这表白不齐心室的力学特征对舒张期血液充盈的影响分歧。将来的研究该当按照分歧室壁的生物力学道理开辟对应的性医治方式。值得留意的是，心净瓣膜是节制心净血流的主要构成部门，其力学特征对心净功能和心净瓣膜疾病的成长都有主要影响。瓣膜的生物力学特征包罗瓣膜的弹性和变形能力等。这些特征能够影响瓣膜的开合和阻力，进而影响心净血液流动和血液轮回。因而，心净瓣膜的生物力学特征具有主要意义。软组织的力学机能是由其复杂、不服均的构成和布局所驱动的。正在一项二尖瓣小叶组织研究中，Lin等[4]开辟了一种具有高空间分辩率的无损丈量手艺，证了然厚度变化可惹起二尖瓣异质性的存正在。此外，Klyshnikov等[5]操纵数值模仿方式阐发了自动脉瓣瓣膜挪动性对瓣膜瓣叶安拆的应力-应变形态和几何外形的影响，从应力-应变形态分布的角度出发，该研究的仿实方式能够优化心净瓣膜假体的小叶安拆几何外形。由此可见，心净布局和功能的生物力学特征是多方面要素的分析反映，评估息争析心净的布局和外形有益于对心净功能感化的阐明。血管包罗心净的血管和四周的血管系统，这些血管的生物力学特征对心净功能有主要影响。血管布局取决于血管的类型，其功能可分为血流动力学功能和血管功能两部门。血管的弹性和柔韧性能够影响血管的阻力和血液流动速度，从而影响心净负荷和排血量。此外，血管的厚度和硬度也会影响血压和血液流动的速度。从生物力学和力学生物学角度去解析血管的布局和功能是目前研究的主要标的目的。正在心血管疾病相关药物的开辟中，需要切确定位和分手冠状动脉以丈量其动态血管张力变化。然而，若何记实离体血管的动态生物力学特征一曲搅扰着人们。Guo等[6]成立了一种冠状动脉环张力丈量的尺度化和法式化方案，通过多沉肌电图系统监测冠状动脉环沿血管曲径的收缩和扩张功能，确保了心理、病理和药物干涉后血管张力记实的实正在性。ECs和SMCs是血管布局和功能完整性所必需的次要细胞类型。ECs可调理血管张力和血管通透性，而SMCs担任维持一般的血管张力和布局的完整性。ECs能够排泄多种生物活性物质，如一氧化氮、血管严重素等，对血管张力和血流动力学发生调理感化。ECs还能响应外部力学刺激，如流体剪切应力和压力变化等，从而改变ECs的形态和功能，影响血管壁的生物力学特征。SMCs能够收缩和败坏，调理血管的管径和血管阻力。除细胞要素外，血管的力学性质还遭到血管壁中胶原和弹性卵白的性质、空间陈列等要素的影响。这是由于SMCs是高度可塑性的，它能响应细胞外基质（extracellular matrix，ECM）固有的力学信号。比来的一项研究显示，现有的微血管收集正在力学刺激的插手或退出时表示出较着的沉塑，而且陈列程度呈现响应的添加或削减。正在这个过程中，纵向张力可导致纤维卵白原纤维的纵向陈列[7]。恰是这些细胞和细胞外组分付与了血管的黏弹性、各向同性等力学特征。总体而言，血管的布局和功能是复杂而多样的，涉及到多种生物力学特征的彼此感化。研究血管的生物力学特征能够帮帮人们更好地舆解血管疾病的发生和成长，为疾病的医治和防止供给科学根据。心血管疾病是一类常见的疾病，包罗动脉粥样软化、动脉瘤、心肌梗死等。这些疾病的发生和成长取心血管系统的生物力学特征亲近相关。正在心血管生物力学取力学生物学范畴，近年来对心血管疾病取生物力学关系的研究取得了很多进展。动脉粥样软化是一种常见的动脉疾病，其特征为动脉壁上的脂质堆积和炎症反映，导致血管壁逐步增厚和得到弹性。动脉粥样软化的发生和成长是一个复杂的过程，涉及多个生物力学要素的彼此感化。正在动脉粥样软化中，SMCs从收缩表型改变为合成表型，而影响SMCs表型变化的要素尚未完全阐明。Swiatlowska等[8]发觉基质硬度（stiffness）和血流动力学压力（pressure）变化对SMCs表型具有主要影响。正在动脉粥样软化成长过程中，正在高血压压力取基质性（matrix compliance）配合的感化下，才会导致SMCs完整的表型转换[8]。提高对冠状动脉微布局力学的认识是开辟动脉粥样软化医治东西和外科手术的根本。虽然对冠状动脉的被动双轴特征已有普遍的研究，但其区域差别以及组织微不雅布局取力学之间的关系尚未获得充实的表征。Pineda-Castillo等[9]操纵双轴测试、偏振光成像和前室间动脉共聚焦显微镜来描述了猪前室间动脉近端、内侧和远端区域的被动双轴力学特征和微布局特征，为冠状动脉旁移植术中吻合部位的选择和组织工程化血管挪动物的设想供给指点。动脉粥样软化斑块的分裂是惹起患者灭亡的次要缘由；但目前尚不清晰这种异质的、高度胶原化的斑块组织的分裂机制，以及分裂发生取组织的纤维布局之间的关系。为了研究斑块的非均质布局和力学性质，Crielaard等[10]研制了力学成像管道（见图1）。通过多光子显微镜和数字图像相关阐发，这条尝试管道可以或许联系关系局部次要角度和胶原纤维取向的分离度、断裂行为和纤维斑块组织的应变环境。这为研究人员更好地领会、预测和防止动脉粥样软化斑块分裂供给了帮帮。除SMCs以外，比来的一项研究了动脉粥样软化中ECs概况力学性质的变化。Achner等通过基于原子力显微镜的纳米压痕手艺发觉内皮/皮层生硬度的添加[11]。现实上，内皮功能妨碍正在血管软化中的感化一曲是一个主要的研究标的目的。ECs的可塑性正在动脉粥样软化的进展中起环节感化，于扰动、振荡剪切应力区域的内皮细胞功能妨碍是动脉粥样软化的主要驱动要素[12]。由此可见，将来的研究如能进一步明白ECs和SMCs对血管软化相关怀血管疾病的贡献，则可能为恢复动脉粥样软化中的血管内皮和滑润肌功能供给主要的靶点。自动脉SMCs正在维持自动脉机械动态均衡方面起着至关主要的感化。动脉瘤自动脉的SMCs表型遭到力学要素的影响，可是自动脉瘤中SMCs的骨架硬度的改变环境缺乏相关的数据。Petit等[13]以附着正在分歧基质硬度上的动脉瘤或健康SMCs为对象，通过原子力显微镜纳米压痕手艺研究了细胞骨架硬度的区域差同性。该研究成果表白，动脉瘤SMCs和一般SMCs的平均硬度分布别离为16、12 kPa；然而，因为原子力显微镜纳米压痕硬度检测值的大量分离，两者之间的差别没有统计学意义。正在腹自动脉瘤中，Qian等[14]采用基于超声波镊（ultrasonic tweezer）的微力学系统探究了SMCs的力学特征（图2）。成果发觉，动脉瘤病剃头展中细胞骨架的变化改变了SMCs的细胞膜张力，从而调理了它们的力学特征。a利用超声波激发微泡通过整合素连系到PDMS微柱阵列上的SMCs膜上的微力学系统示企图；b基于微柱的力学感触感染器和单细胞的超声波镊系统示企图二尖瓣自动脉瓣经常取升胸自动脉瘤相关，但目前尚不清晰瓣尖融合模式对生物力学和升胸自动脉瘤微不雅布局的影响。Xu等[15]通过双向拉伸试验对具有摆布瓣尖融合以及左冠窦和无冠窦瓣尖融合的升胸自动脉瘤的力学行为进行了表征。此外，将材料模子取双轴尝试数据进行拟合，获得模子参数，并利用组织学和质量分数阐发来研究升胸自动脉瘤组织中弹性卵白和胶原的根基微不雅布局和干沉百分比。其成果发觉，两种瓣尖融合模式对双轴加载表示出非线性和各向同性的力学响应；正在弹性机能方面，摆布瓣尖融合的弹性机能劣化得更严沉。由此可见，心血管布局本身生物力学特征的改变可能对动脉瘤的进展有很大影响。然而，自动脉血流动力学对升自动脉瘤动脉壁特征的影响尚不清晰。正在比来的一项研究中，McClarty等[16]探究了升自动脉瘤血流动力学取自动脉壁生物力学特征的关系。其成果发觉，血管壁的剪切应力取动脉壁黏弹性畅后和分层强度的局部退化相关，血流动力学目标能够供给对自动脉壁完整性的深切领会。因而，从血管本身布局特征以及血流动力学两方面探究动脉瘤的构成机制具有主要意义。心肌梗死是心肌细胞灭亡的成果，凡是是因为冠状动脉堵塞惹起的。心肌梗死可导致心力弱竭并降低射血分数。生物力学研究发觉，冠状动脉堵塞会导致心肌的缺血和再灌注毁伤，这些过程涉及血流动力学和细胞力学等要素。正在体轮回过程中，心肌梗身后的血流动力学改变若何参取并心力弱竭的病理进展尚未完全阐明。Wang等[17]采用冠状动脉结扎术成立了Wistar雄性大鼠心肌梗死模子。术后3、计较左心室肌纤维应力，并进行外周血流动力学阐发。成果表白，心肌梗死较着损害心功能和外周血流动力学，并改变响应的心壁和外周动脉壁的组织学特征，且随时间耽误而恶化。综上所述，心功能妨碍和血流动力学损害的彼此感化加快了心梗惹起的心衰的进展。急性心肌梗身后，左室逛离壁发生沉塑，包罗细胞和细胞外成分的布局和性质的变化，使整个左室逛离壁具有分歧的模式。心净的一般功能遭到左心室的被动和自动生物力学行为的影响，进行性的心肌布局沉构会对左心室的舒缩功能发生晦气影响。正在这个过程中，左心室逛离壁构成纤维性瘢痕。虽然正在心肌梗死布景下对左室逛离壁被动沉构的认识取得了主要进展，但左室逛离壁自动属性的异质性沉构及其取器官程度左心功能的关系仍未获得充实研究。Mendiola等[18]开辟了心肌梗死的高保实无限元啮齿动物计较心净模子，并通过仿实正在验预测梗死区的胶原纤维跨膜标的目的对心净功能的影响（图3）。成果发觉，收缩末期梗死区削减的及潜正在的周向应变可用于揣度梗死区的时变特征消息。这表白对局部被动和自动沉构模式的细致描述能够弥补和加强保守的左室剖解和功能丈量。图3 代表性的啮齿动物心净计较模子正在心肌梗身后分歧时间点的短轴和长轴截面显示收缩末期的周向、纵向和径向应变[18]上述研究表白，心净疾病的发生和成长取心净布局和功能的生物力学特征亲近相关。任何影响心净收缩和舒张过程的要素，都可能调控心净的泵血功能和心净负荷。这些要素能够影响心净收缩的能力、心肌细胞的代谢和血流动力学参数，从而影响心净的全体功能和疾病的进展。总之，通过深切研究这些生物力学特征，可认为心血管疾病的诊断和医治供给主要的理论和实践根本。细胞的凋亡、通信和增殖非常等表型变化是心血管疾病的一个主要机制。通过力学生物学的方式，研究人员能够模仿分歧的细胞应力，摸索细胞发展和凋亡的调控机制，并研究细胞正在受力学刺激感化下的反映。因为ECs间接于血流中，因而ECs表型变化的力学生物学机制一曲是心血管范畴的研究热点之一。紊乱扰动的血流改变了ECs的形态和细胞骨架，调理了它们的细胞内生化信号和基因表达，从而导致血管ECs表型和功能的改变。正在颈动脉结扎发生的动脉粥样软化模子中，Quan等[24]研究发觉，正在人和小鼠动脉和ECs的振荡剪切应力区，内皮MST1的磷酸化被较着。该研究，MST1-Cx43轴是振荡剪切应力的内皮功能妨碍和动脉粥样软化的一个根基驱动要素，为医治动脉粥样软化供给了一个新的医治方针。别的一项研究从表不雅润色角度探究了剪切Qu等[20]研究显示，层流切应力通过添加内皮细胞CX40的表达而TET1s的表达，从而血管内皮樊篱，而TET1s过表达则可能是医治振荡剪切应力的动脉粥样软化的环节步调。另一方面，病基质硬度可使ECs 获得间充质特征[21]。动脉生成（arteriogenesis）正在维持脚够的组织血供方面起着环节感化，而且取动脉闭塞性疾病的优良预后相关，但涉及动脉生成的要素尚不完全清晰。Zhang等[22]研究发觉，正在动脉堵塞性疾病中，KANK4将 VEGFR2偶联到 TALIN-1，从而导致VEGFR2活化和EC增殖的添加。除参取疾病病理进展以外，感化于ECs的化学和力学信号可协同地调理血管生成；然而血管生成的力学生物学机制尚不清晰。正在伤口血管生成过程中，Yuge等[23]发觉血流驱动的腔内压力负荷了血流上逛部位受损血管的伸长，而下逛受损血管则自动伸长。生物学机制研究发觉，F-BAR 卵白的 TOCA 家族是ECs迁徙和力细胞拉伸调理伤口血管生成所需的环节肌动卵白调理卵白。上述研究表白，由生物力学所触发的细胞信号转导对血管功能的调理具有主要感化。比来的一项研究发觉，内皮祖细胞（endothelial progenitor cells， EPCs）参取血管修复并调理SMCs的特征，取EPCs对毁伤后新内膜的构成相关。通过成立毁伤和脂质的动脉粥样软化模子，Mause等发觉EPCs取SMCs正在CXCL12-CXCR4轴的感化下配合参取血管表型的调控和血管均衡的维持[24]。冠状动脉旁移植术通过正在堵塞的动脉四周成立血管通来恢复心净的一般血流。既往的研究曾经证明力学刺激正在静脉移植术后的重生内膜增生中起着环节感化；然而，正在该过程中关于机械力调控SMCs表型变化的研究相对较少。Tang[25]等将单轴轮回拉伸（15％，1Hz），以及单轴轮回拉伸（5％，1 Hz）或静态前提使用于培育的SMCs，以探究由拉伸力惹起SMC表型变化的力学生物学机制。连系代谢组学阐发、RNA测序以及等离子体共振阐发等手艺方式，做者发觉MFN2过表达或药物PFK1可以或许15%牵张的SMCs增殖、迁徙并减轻移植静脉的重生内膜增生。别的，SMCs能够响应细胞外基质（extracellular matrix， ECM）固有的力学信号而呈现出高度的可塑性。Wang等[26]探究了聚丙烯酰胺底物上由可变弹性模量所致SMCs表型变化的力学生物学机制。该研究发觉，基质硬度通过DDR1-DNMT1力学信号转导轴加剧了SMCs的促炎症反映（Liu等[27]利用犯警则陈列取周向陈列的血管挪动物来节制三维发展中的细胞几何外形，证了然DNMT1取细胞几何外形、血管收缩性亲近相关。自噬是一种维持细胞稳态的顺应机制，其失调取多种心血管疾病相关。静脉移植术后，血流动力学要素正在重生内膜增生中起环节感化，但其机制尚不清晰。2022年的一项研究摸索了动脉轮回拉伸对静脉SMCs自噬的影响及其正在静脉移植后新内膜构成中的感化。Chen等[28]正在静脉SMCs上加载 FX5000拉伸系统的（10%，1。25 Hz ）轮回拉伸，成果显示如许的力学参数加载正在体外阻断了细胞自噬流，调理了内膜增生，而该过程是由p62/nrf2/slc7a11信号通介导。心血管的硬度正在衰老和疾病过程中发生变化，并导致疾病的发生和成长。心净成纤维细胞和心肌细胞是心血管系统中的主要细胞，它们也正在心净病和心血管疾病中饰演主要脚色。研究表白，心净成纤维细胞可以或许力学的变化，从而排泄细胞因子参取心净毁伤或修复。Ebrahimighaei等发觉YAP 介导的 RUNX2激活对心净成纤维细胞具有促增殖感化，以响应添加的 ECM 硬度变化[29]。正在另一项YAP的相关研究中发觉，YAP 协同 TGFβ1信号推进肌纤维化三维模子中肌成纤维细胞活化和基质软化[30]。然而，正在心理硬度的工程化心净基质中，Ploeg等[31]研究显示，培育的成纤维细胞降低了肌成纤维细胞标记物基因表达，而成纤维细胞对拉伸或 TGFβ1的反映维持不变，表白这种新型心净基质布局为研究心净成纤维细胞功能和肌成纤维细胞分化供给了优良的心理模子。正在心肌细胞中，纤维毗连卵白的存正在取纤维化区域加强的硬度相连系，将强烈影响心肌细胞的行为，并影响疾病的进展[32]。Lin等[33]利用选择性HDAC6剂处置的成年小鼠心室肌细胞表示出添加的肌原纤维硬度。而HDAC6正在心肌细胞中的过度表达导致肌原纤维生硬度降低，表白靶向 HDAC6可心净的弹性特征以医治基质硬度改变相关的心净疾病。风趣的是，Pioner等[34]评估了刚度调理心肌细胞功能的另一种机制，即正在缺乏肌养分不良卵白的 hiPSC-CM 中，较硬的底物不克不及改变更做电位和钙瞬变。这些发觉强调了肌养分不良卵白缺陷型心肌细胞不克不及调理其钙稳态以响应细胞外间质硬度的添加。此外，细胞牵引力对于功能性心肌细胞的分化和发育很主要。鉴于刚度机制是由整合素相关卵白受体所介导，Rashid等[35]通过DNA 张力探针发觉，心肌细胞成熟取整合素传送的牵张力相关。综上所述，心血管中的分歧类型细胞通过各类信号通了四周的力学变化，从而介导心血管的病理心理过程。阐明细胞的力学生物学机制，有益于生物力学感化下的表型改变。心血管生物力学和力学生物学的研究方式不竭成长，次要包罗计较模仿正在体内尝试或体外尝试中的使用进展。体内尝试是研究者通过对动物模子某人体进行尝试，获取心血管系统的生物力学特征和疾病机制的消息。这种方式能够间接察看心血管系统的心理和病理变化，而且具有较高的生物学靠得住性。体内尝试的错误谬误正在于它可能有必然的伦理问题，并且成本昂扬。体外尝试是指操纵细胞、组织或器官进行尝试，以研究心血管系统的生物力学特征和疾病机制。这种方式能够愈加精细地研究心血管系统的某些方面，例如力学信号感触感染及转导、血管内皮功能等。此外，因为其可反复性较强，体外尝试成为了心血管生物力学研究中主要的一环。总体而言，涉及体内和体外尝试的模仿相关研究手艺和方式的立异都是为了领会组织布局、健康情况和力学机能之间的相关性。本文从组织和器官两个角度总结2022年心血管生物力学取力学生物学相关的研究方式取手艺进展。正在心血管组织的力学特征研究中，操纵生物力学等方式，能够研究心血管组织的力学特征，包罗组织的弹性模量、硬度、黏性等参数。这对于改良材料模子和开辟组织工程支架至关主要。因为基于布局的材料模子缺乏尝试获得的布局参数，Pukaluk等[36]对人腹自动脉的内层进行了等双轴加载和多光子显微镜察看。成果发觉，胶原纤维和弹性卵白纤维的海浪度参数都显示出做为组织强度目标的潜力（图5 正在所有测试样品的双轴拉伸期间，每个拉伸步调的胶原卵白（绿色）和弹性纤维标的目的（红色）的归一化相对强度[36]动脉粥样软化医治的尺度方式是通过搭桥手术进行血管置换；然而，自体血管来历并不老是可行的。因而，组织工程血管正正在成为一种潜正在的替代来历，基于细胞医治和/或促血管生成的组织工程策略能够正在必然程度上改净功能。但缺乏可以或许承受持续变形性和顺应性机械力学特征的恰当心肌组织材料，严沉影响了心肌壁完整性、心净的收缩-舒张周期和再生能力。比来，Bosch-Rué等[37]通过同轴挤压方式正在内层和外层利用高浓度的胶原卵白来开辟组织工程血管样布局，目标是将ECs和SMCs别离包裹正在两个分歧的层面中。其成果显示，两种细胞均显示出优良的活性；而20 mg/mL的胶原组织工程血管具有脚够的力学特征，可以或许承受相当于动脉剪切应力的心理流速[37]。为了支撑心肌壁布局的机械机能，调控心肌功能的电传导特征并维持心净功能的完整性，Zheng等[38]基于改性通明质酸、明胶和Fe3+，通过离子彼此感化和化学共价性，开辟了一种具有优良处能的单一“一体式”原位双交联型导电水凝胶。该水凝胶不只供给了修复和顺应心肌收缩-舒张周期的机械机能，并且同时向纤维岛和一般组织传输电信号（图6）。更为主要的是，该双交联导电水凝胶介导的协同肽和细胞疗法使受损心肌的布局和功能获得部门恢复和再生，从而显示出庞大的临床潜力。再生疗法是医治严沉受损心肌的一种新的策略；而功能性心肌细胞的保有率是获得优良医治结果的环节。因而，建立和移植一个雷同于人类心肌的工程化成熟的三维心净组织是至关主要的。Nakazato等[39]建立了一个扭转壁血管生物反映器，用于发展大量的功能性心净建立物，以恢复受损大鼠心净的功能。具体而言，研究人员将的人多能干细胞来历的心肌细胞种植正在聚乳酸-羟基乙酸共聚物纤维片上，以建立三维心净组织，并正在扭转壁血管生物反映器中培育，随后将组织移植到心肌梗死裸鼠模子中，然后进行心功能评价。其成果显示，生物反映器处置组的细胞存活率、收缩特征和电学特征显著改善，并可见成熟的心肌细胞。移植后4周，处置组的组织存活率和左心室射血分数显著改善。由此可见，生物反映器中的动态培育可认为心肌的机能供给优良的培育，为医治心肌细胞丧失所致的心力弱竭供给了一种功能性心肌生成手段。此外，开辟水凝胶补片来修复受损的心肌，也是填补心肌再生能力受限的环节方式。虽然基于水凝胶的贴片正在心肌梗死中曾经显示出优良的医治结果，但机械、电和生物的协同感化取心净电传导和舒张期-收缩期功能之间的关系尚未完全阐明。Yu等[40]通过动态共价/非共价交联体例开辟了一种可打针的机械-电耦合水凝胶贴片，适合于细胞封拆和微创植入心包腔。其成果显示，心包固定和水凝胶的自黏机能使该贴片可以或许取周期性变形的心肌高度地进行界面耦合。不只如斯，自顺应的水凝胶贴片能心室扩张，同时协帮心净的搏能（除上述方式外，3D工程心血管组织正在替代受损布局方面显示出庞大的前景。具体地说，组织工程血管挪动物具有代替生物和合成挪动物的潜力。Mayoral等通过3D打印、夹杂熔融堆积建模、静电纺丝手艺和干细胞接种制做了一种组织工程化体外血管贴片（图8），用于评价3D生物手艺正在再生医学中能否具有普遍的使用潜力[41]。该研究获取的参数是基于一名2个月大的患有自动脉弓发育不良患者的医学图像；其成果发觉，患者性贴片显示脚够的血流动力学特征、力学机能、力和功能。因而，这种立异的3D生物手艺具有普遍使用于再生医学和防止心净病的潜力。此外，该研究也为基于组织工程手艺的个性化医治供给了理论根据。由此可见，操纵生物力学相关方式，能够评估分歧品种的组织工程学手艺的结果，并进一步优化组织工程学的设想和建立。操纵力学生物学方能够评估分歧材料的力学特征以及材料取细胞间的彼此感化，以选择合适的生物材料和细胞类型来构立功能性的心血管组织。总之，心血管力学生物学正在组织程度上的使用有帮于深切领会心血管组织的力学特征和动态行为，为心血管疾病的研究和医治供给了理论和尝试根本。正在器官程度上，心净是一个高耗能的布局，由4个形态和功能上分歧的腔室构成。心净功能的施行依赖于其内部力学特征。从全体上评价力学特征改变所致的心净病理心理反映，对于研究心净疾病的发病机制以及新型心净病诊治手段的开辟都有主要意义。心净移植术一曲是终末期心净病患者的最佳选择，可是因为供体源的匮乏和手术成本的昂扬，心净移植术并非是所有患者都适合和可以或许接管的医治体例。跟着科技的不竭成长，心净辅帮安拆供给了一种心净移植的替代医治方式。左心室辅帮安拆已成为医治严沉心力弱竭越来越主要的方式。Amstad等[42]基于一项回首性阐发，切磋了心室辅帮安拆患者正在心净康复过程中活动能力和糊口质量的变化。其成果发觉，心净辅帮安拆植入患者的活动能力和糊口质量正在统计学和临床上呈现显著的改善。正在比来的一项离体猪心净研究中，Dort等[43]描述了一种可以或许提高离体跳动猪心净泵血功能的新型室内膜泵。通过研究血流动力学参数、动脉和冠状静脉血氧含量变化环境发觉，室内膜泵正在心理前提下提高了机械效率，由于心功能的显著提高仅导致耗氧量的适度添加。此外，室内膜泵正在急性泵衰竭的环境下能敏捷恢复心净功能，这表白心净辅帮安拆正在必然程度上可以或许提高心净的利用效率。正在一项临床研究中，Krauss等[44]发觉心室辅帮安拆的存正在可以或许改善儿科心净移植患者的预后，为围手术期患者带来了帮帮。还需要更多的临床和尝试室研究来验证上述这些发觉。人工心净等替代医治方式也逐步成为了心净病患者的医治选择。做为一种机械轮回支撑安拆，人工心净可用于双心室性心衰患者。虽然人工心净于2004年正在美国被核准用于临床移植，但大大都核心不采用人工心净做为双心室衰竭患者的尺度医治策略。因而，关于全人工心净移植的研究相对较少。Aeson全人工心净曾经开辟用于双心室衰竭灭亡风险患者。为评估该安拆的医治结果，Peronino等[45]正在1年多的时间里评估了9个植入Aeson全人工心净受试者的炎症形态，次要包罗植入前后白细胞计数、炎性细胞因子测定和外周血单核细胞变化等目标。成果发觉，心净植入后的12个月内，受试者外周血中没有较着的炎症信号。别的一项研究了该人工心净不会惹起溶血，具有优良的血液相容性[46]。除Aeson人工心净外，美国克利夫兰医学核心的持续流动全人工心净也获得了普遍研究。据报道，持续流动全人工心净采用从头设想的左叶轮和马达。然而，其脉动血流的评价尚未正在体内进行测试。Kuroda等[47]以小牛为对象，进行了为期30天的尝试研究。通过脉动研究发觉，泵的最大流量和最小流量取基线比拟都有显著变化，而泵的平均流量没有变化。持续流动全人工心净显示了正弦泵调速脉动轮回的可行性。总之，心血管生物力学正在器官程度上的使用能够帮帮我们深切领会心血管系统的力学特征，为心血管疾病的研究和医治供给了理论和尝试根本。心肌缺血的模仿能够帮帮研究心肌缺血时的血流动力学特征，预测心肌缺血范畴和程度，优化诊断和医治方案。选定的几何、布局和血流动力学目标，能够精确地预测被动心肌特征，从而绕过了心净逆无限元方式中凡是需要的详尽步调。跟着心血管生物力学范畴的成长，相关的研究手艺不竭更新和完美，包罗成像手艺、材料测试手艺和仿实软件等。成像手艺方面，包罗超声成像、磁共振成像、计较机断层扫描等手艺，能够非侵入性地获取心血管系统的布局和功能消息，如血流速度、动脉壁厚度、血管曲径等。近年来，跟着手艺的成长，例如超高频超声成像和功能性磁共振成像等手艺的使用，使得心血管成像手艺愈加精细和活络。正在材料测试手艺方面，原子力显微镜、拉伸试验和压缩试验等能够对心血管材料的力学特征进行丈量和阐发。无限元软件、多物理场耦合等仿实软件能够成立心血管系统的数学模子，并通过计较机仿实对其进行阐发和优化。这些软件的使用，能够预测和模仿心血管系统的布局和功能，包罗血流动力学、血管壁应力和应变分布等，为疾病机制的探究和新型医疗器械的设想供给根本。2022年，心血管生物力学和力学生物学的研究取得了很多主要的进展。正在血管壁布局和功能的生物力学特征方面，研究曾经深切摸索了血管壁中分歧成分的感化，以及它们对血管弹性和不变性的贡献。正在心血管疾病取生物力学关系的研究中，人们曾经发觉了很多取心血管疾病相关的生物力学特征，如动脉瘤构成和动脉粥样软化等。正在心血管细胞程度上的使用方面，力学生物学曾经被普遍使用于细胞形态学、细胞黏迁徙等方面的研究。正在心血管组织和器官程度上的使用方面，力学生物学曾经正在心肌梗死、动脉瘤和动脉粥样软化等方面取得了显著的进展。正在研究方式方面，成像手艺、材料测试手艺和仿实软件的成长为心血管生物力学和力学生物学的研究供给了无力的支撑。然而，心血管生物力学和力学生物学的研究仍面对着很多挑和和问题：① 数据获取难度是一个主要的问题。心血管系统具有高度复杂的布局和功能，而获取精确的生物力学数据常具有挑和性的。例如，硬度和应力分布需要利用高端的成像手艺和仪器，而且需要正在尝试中处置一些复杂的要素，如流动和应力变化等；② 模子精度不脚是另一个需要处理的问题。虽然现代计较机模仿手艺曾经取得了很大的进展，可是仍然存正在模子过于简单、假设过多和参数选择不精确等问题。这些问题可能会导致模仿成果取现实环境之间的差别，从而影响研究的靠得住性和无效性；③ 个性化医疗也是一个需要处理的挑和。多标准建模：当前的研究次要集中正在细胞、组织和器官程度；可是正在将来，研究将会愈加关心分歧标准之间的彼此感化。例如，若何正在心净程度上对细胞和组织力学特征进行建模，以及若何将这些模子使用于疾病预测和医治方案的优化等问题，都是将来研究的沉点。此外，将来还将加强多标准建模取数据挖掘手艺的连系，操纵大数据阐发和机械进修算法，将分歧标准的数据整合起来，以更好地舆解心血管系统的生物力学特征和疾病机制；个性化医疗：因为每小我的心血管系统布局和功能都有所分歧，因而正在将来，研究将愈加关心个性化医疗的实现。这意味着，基于个别的医疗方案将会愈加切确和无效，包罗个性化的防止办法、诊断方式和医治方案等。为了实现个性化医疗，需要采用多种手艺，包罗医学影像学、基因组学、卵白质组学、计较机模仿等，以成立个别化的心血管系统模子，并将其使用于医治方案的优化和预测；数据科学：将来的研究将愈加沉视数据科学的使用，例如，若何从大量的生物医学数据中提取有用的消息，以辅帮心血管生物力学和力学生物学的研究。总之，心血管生物力学和力学生物学的研究将为心血管医学范畴的成长供给主要的支持和鞭策，将来无望正在心血管疾病的防止和医治中阐扬主要感化。