《Journal of Neuroscience Methods》：Research Progress In Vivo, In Vitro, and In Silico Models of Intracranial Atherosclerotic Stenosis
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本综述系统评述了颅内动脉粥样硬化性狭窄（ICAS）这一全球卒中主要病因的实验模型研究进展。文章深入探讨了多种体内（如兔、大鼠、小鼠、犬、小型猪及食蟹猴等）和体外（如氧化低密度脂蛋白介导的内皮细胞损伤模型）模型的构建方法、优势与局限，并详细介绍了零维、一维、三维计算流体力学（CFD）及流固耦合（FSI）等计算机模型在模拟ICAS血流动力学中的应用。作者强调，开发能够准确模拟人类ICAS病理特征且可靠、经济的实验模型，对于深入理解其发病机制、发现新的治疗靶点以及评估新兴疗法的安全性与有效性至关重要。本文为ICAS研究者根据具体实验目的选择合适的模型提供了全面的指导和建议。
引言
颅内动脉粥样硬化性狭窄（ICAS）是全球范围内缺血性卒中的主要原因，其复发风险高，给家庭和医疗系统带来沉重负担。然而，由于获取组织病理学样本困难且缺乏足够的实验模型，对其病理生理学的研究受到限制。ICAS在亚洲人群中尤为常见，中国的患病率高达46.6%。与颅外动脉粥样硬化狭窄（ECAS）相比，ICAS病变以增殖性纤维化为主要特征，复杂病变较少，脂质浸润和内膜或外膜的炎症相对不明显。颅内动脉在胚胎起源、解剖结构、组织成分和代谢方面均与颅外动脉存在显著差异，这可能是其相对抵抗动脉粥样硬化发生、发病较颅外动脉晚约20年的原因之一。
动脉粥样硬化的机制与风险因素
ICAS导致缺血性卒中的主要机制包括：斑块破裂导致原位血栓形成引发灌注衰竭、斑块延伸覆盖穿支动脉开口导致分支闭塞性疾病，以及动脉到动脉的栓塞。动脉粥样硬化的形成经历炎症浸润、细胞增殖、纤维斑块形成、斑块破裂和血栓形成等多个过程。内皮-间质转化（EndMT）是动脉粥样硬化的始动因素。内皮损伤、单核细胞（巨噬细胞）活化、泡沫细胞形成和斑块破裂常加速ICAS的形成。高胆固醇血症，特别是低密度脂蛋白（LDL）升高，是动脉粥样硬化发生发展的主要原因。氧化低密度脂蛋白（oxLDL）是动脉粥样硬化的重要化学诱导剂。年龄、高血压、糖尿病、高血脂、吸烟、心血管疾病史等是ICAS的重要风险因素。此外，微小RNA（miRNAs）在调控单核细胞、血管内皮细胞（ECs）、血管平滑肌细胞（VSMCs）和巨噬细胞功能，从而影响动脉粥样硬化进程中扮演重要角色。
常见的动物物种与模型构建方法
兔模型
兔因其脂质代谢过程与人类相似且对动脉粥样硬化敏感，是研究ICAS的常用模型。
WHHL兔：这是一种遗传性高脂血症兔模型，其低密度脂蛋白（LDL）受体功能缺陷，血浆LDL水平高于正常，类似于人类家族性高胆固醇血症。WHHL兔可自发形成脑动脉粥样硬化，病变结构与人类ICAS相似。为加速病变，研究者常通过肾动脉狭窄手术诱导高血压，形成高脂血症合并高血压的复合模型，使动脉粥样硬化病变更早出现在椎基底动脉系统及Willis环附近。
球囊损伤兔：通过高脂饮食喂养并结合球囊导管损伤颅内动脉（如椎动脉）内皮，可成功诱导ICAS模型。该模型利用高顺应性球囊，在一定程度上模拟了内皮损伤后斑块形成的过程。其优点是建模相对简便，但形成的狭窄程度通常较轻，且斑块病理类型较为单一。
高血压兔：通过银夹缩窄双侧肾动脉诱导高血压，并辅以高胆固醇饮食，可在特定易感部位（如基底动脉-大脑后动脉分叉处）形成主要由平滑肌细胞和泡沫细胞组成的动脉粥样硬化病变。
载脂蛋白E敲除兔：利用锌指核酸酶（ZFN）技术构建的ApoE基因敲除兔，表现出胆固醇急剧升高等脂代谢紊乱，可用于ICAS研究。与WHHL兔相比，其ICAS发生率和病变数量可能较低。
小鼠和大鼠模型
小动物模型成本低、易操作、生命周期短且易于基因改造，但其颅内动脉对动脉粥样硬化病变有天然抵抗力。
高脂血症与L-NAME给药大鼠：L-NAME（NG-硝基-L-精氨酸甲酯）是一氧化氮合酶抑制剂，可诱导血管内皮功能障碍和炎症。高胆固醇饮食联合L-NAME给药，可在不进行手术的情况下引起大鼠脑中动脉（MCA）和基底动脉内膜增厚和管腔狭窄。
实验性高血压大鼠：通过手术造成肾血管性高血压，并灌胃高脂乳剂，可成功复制出符合临床病理变化的脑动脉粥样硬化模型，病变可见内皮细胞变性坏死、纤维帽样结构等。
自发性高血压大鼠：此类大鼠在高脂高胆固醇饮食下，可在基底动脉等部位出现环状脂肪沉积，但其肠系膜动脉粥样硬化通常也非常显著，这与ICAS患者情况有所不同。
载脂蛋白E缺陷小鼠：ApoE-/-小鼠是高脂饮食下研究动脉粥样硬化的经典模型，但其病变主要发生在颅外动脉，颅内动脉仅偶见小脂滴沉积，难以形成完整的动脉粥样硬化病变。
血栓模型：通过微导管将血栓置于MCA造成栓塞，能更准确地模拟临床卒中，梗死区域更均匀、位置更可预测。
其他动物模型
犬模型：长期喂食致动脉粥样硬化饮食可诱导犬发生ICAS，病变可见动脉壁破坏增厚、胆固醇裂隙、脂质沉积及细胞增殖。但该模型动物同样会发生严重的颅外动脉病变。
微小型猪模型：猪的饮食和生命节律与人类相似，喂食高脂高胆固醇饲料并添加胆酸钠可在较短时间内诱导出与人类非常相似的动脉粥样硬化病变，包括动脉中膜增厚、脂质积聚和泡沫细胞浸润。微小型猪体型小便于操作，是研究环境因素对动脉粥样硬化影响的良好模型，但其也存在颅外动脉粥样硬化的问题。
食蟹猴模型：在动脉粥样硬化饮食基础上，通过手术造成胸主动脉缩窄诱导高血压，可导致食蟹猴在主要颅内动脉形成严重的动脉粥样硬化病变，甚至出现显著管腔狭窄和血管闭塞。该模型能可靠地进展为晚期ICAS，有助于探索晚期病变的病理学。
公鸡模型：高胆固醇饮食喂养的公鸡可在脑膜小血管内观察到脂质沉积，但未见明显的动脉粥样硬化宏观迹象。
体外模型
血管内皮功能障碍是动脉粥样硬化发生的必要条件。oxLDL介导的内皮细胞损伤模型是经典的体外模型。oxLDL通过其受体LOX-1被内皮细胞摄取，引发内皮细胞表面黏附分子激活，触发单核细胞黏附和迁移至内皮下层，进而转化为泡沫细胞。oxLDL诱导内皮损伤的机制涉及过量活性氧（ROS）产生、炎症和内质网（ER）应激等。调控RNA（如miRNA、lncRNA、circRNA）以及外泌体介导的细胞间通讯也参与其中。
计算机模型
计算机模型为研究ICAS的血流动力学提供了非侵入性手段。
零维模型：基于Windkessel效应，用电学元件（电阻R、电容C、电感L）模拟血管阻力、顺应性和血液惯性。模型结构简单，计算效率高，常用于模拟Willis环的血流分布和动脉闭塞的影响，但无法反映脉冲波传播和沿血管的血流动力学参数变化。
一维模型：使用简化的Navier-Stokes方程，可以反映血流动力学参数沿动脉的变化，能够模拟脉冲波在Willis环中的传输、多条动脉狭窄的影响、侧支血流模式等生理病理现象，并能非侵入性地估算更多难以测量的血流动力学参数。
三维计算流体力学模型：基于动脉三维几何结构，求解Navier-Stokes方程，能够精确描述局部流场，估算壁面剪应力（WSS）、压力等关键血流动力学参数。CFD模型可用于研究斑块生长、支架植入后内膜增生（支架内再狭窄）等。其构建通常包括从医学影像中重建动脉几何结构、网格划分、设置边界条件和血液属性、求解流体动力学方程以及后处理获取血流动力学参数等步骤。目前多数研究采用通用的边界条件、刚性血管壁和牛顿流体假设。虽然CFD模型能提供丰富的局部血流信息，但其耗时、复杂且常缺乏患者特异性数据。
流固耦合模型：同时考虑血流和动脉壁的弹性变形及其相互作用，能更准确地模拟流场，特别是在动脉壁或栓子弹性作用不可或缺的情况下，但计算成本更高。
特异性PDMS血管模型：基于患者特异性CT血管成像（CTA）或数字减影血管造影（DSA）影像，制作复刻病变血管几何形状的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模型，并在其内壁种植内皮细胞进行灌注培养。这种模型能将血流动力学环境与细胞生物学反应直接关联，为机制研究和药物发现提供了新颖平台。
模型评估与选择策略
ICAS的临床检测方法包括DSA、MRA、CTA、经颅多普勒（TCD）等。TCD基于血流速度、频谱变化等诊断血管狭窄，在严重狭窄诊断中准确性较高，且便携，更广泛应用于小动物的颅内血流检测。计算机模拟，特别是CFD，可以非侵入性地估算病灶血流动力学参数，如WSS和LDL在血管壁的滤过率，这些参数与斑块的形成和稳定性密切相关。未来需要将CFD模型与相位对比MRI等金标准测量值进行验证，并探索采用机器学习等方法降低计算开销。
挑战与未来方向
ICAS相关卒中在全球负担重，亟需更有效的疗法，这有赖于能准确再现其核心特征的实验模型。评估动物模型需建立综合框架，涵盖影像学生物标志物、行为改变、血液生化参数和组织病理学特征。模型的选择应基于实验目的：研究流行病学病因可选择大型动物的自然诱导法；探索病理机制可选用基因修饰动物；验证治疗技术则优先选择大型动物。兔模型在脂代谢模拟、手术可操作性和检测适用性方面具有平衡优势，是ICAS研究的理想模型之一。未来需要通过整合多组学数据、患者特异性边界条件、非牛顿流体模型以及进行更严格的临床验证，来改进模型，从而深化对ICAS病理生物学的理解，推动新的卒中治疗策略的开发。
