《Acta Biomaterialia》：Regional mechanical and microstructural variations in ascending thoracic aortic aneurysms influenced by tricuspid and bicuspid aortic valves
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本研究聚焦于升胸主动脉瘤（ATAA）的区域生物力学异质性，并探讨其与微观结构改变及合并症（尤其是二瓣式主动脉瓣BAV）的关联。研究团队对10名患者ATAA壁的六个不同区域进行了平面双轴拉伸测试和双光子显微镜分析，旨在确定适用于广泛拉伸范围和比例的材料本构模型参数。结果表明，BAV患者存在显著的个体间及区域内机械特性差异，尤其是外曲率纵向相邻区域受影响明显。组织刚度主要受壁厚影响，而BAV可能通过改变血流动力学，导致近端主要区域刚度增加及中部/远端主要区域的各向同性力学行为。该研究强调了在构建患者或人群特异性计算模型以改进ATAA风险分层和管理时，考虑区域变异和微结构变化的必要性。
想象一下，人体内一条关键的生命管道——胸主动脉，在血压的持续冲击下，像一个吹起的气球，悄然膨大。这种被称为胸主动脉瘤（TAA）的疾病通常没有明显症状，一旦破裂或发生夹层，死亡率可高达惊人的97%-100%。更令人担忧的是，其年发病率正在上升。目前，临床决策主要依赖动脉瘤的最大直径（通常超过50-55毫米）作为手术干预的阈值，但这个单一的形态学指标并不能完全反映动脉壁内部发生的关键生物力学和微观结构病变，导致风险预测存在偏差。
因此，基于力学生物学的本构模型和指标，作为一种能够表征血管壁微观结构变化与宏观力学行为关联的新方法，正逐渐成为改善心血管疾病风险预测的有望途径。特别是在二瓣式主动脉瓣（BAV）患者中——这是一种影响约1%-2%人群的常见先天性心脏病，其发生主动脉瘤和急性主动脉综合征的风险更高，发病年龄也比三瓣式主动脉瓣（TAV）患者早10-15年。BAV相关的主动脉病变机制，很可能与异常血流动力学引起的局部壁面剪切应力变化，进而导致胶原和弹性蛋白降解酶上调，削弱主动脉壁结构有关。了解不同区域主动脉壁的力学和微观结构特性，对于开发个性化的计算模型和更精准的风险评估工具至关重要。
为了深入探索这一问题，来自挪威科技大学的研究团队在《Acta Biomaterialia》发表了一项重要研究。他们旨在揭示由二瓣式和三瓣式主动脉瓣影响的升胸主动脉瘤（ATAA）中，区域机械性能和微观结构的变异规律。
研究人员开展了一项结合多模态实验与理论建模的研究。首先，他们从10名接受主动脉瘤手术的患者（其中8名为BAV，2名为TAV）以及4名健康对照捐献者身上，采集了完整的升胸主动脉样本。为了全面评估空间异质性，他们从每个样本中精确截取了六个特定区域（前壁、后壁、小曲率、近端大曲率、中部大曲率、远端大曲率）的组织块。随后，对每个区域样本进行了平面双轴拉伸测试，以获取其在不同拉伸比下的非线性、各向异性力学响应。同时，利用双光子显微镜（特别是其中的二次谐波产生成像技术），对胶原纤维和弹性蛋白的微观结构进行了三维成像。通过基于傅里叶变换的图像分析方法，量化了胶原纤维的主取向和弥散度，并拟合了冯·米塞斯分布函数来描述其统计学特征。最后，他们建立了一个基于微观结构的本构模型，将力学测试数据与成像分析得到的纤维分布参数相结合，用以描述和分析不同区域、不同患者群体（BAV vs. TAV）主动脉组织的力学行为及其与微观结构的关系。
研究结果揭示了以下关键发现：
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显著的个体间与区域内异质性：ATAA壁的力学特性和微观结构在患者间及同一动脉的不同区域间存在显著差异。尤其是在BAV患者中，这种差异更为明显，常常在外曲率的纵向相邻区域（如近端大曲率与中部大曲率）表现出截然不同的力学响应。
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壁厚是组织刚度的主要影响因素：统计分析表明，主动脉壁的厚度是决定其组织刚度的最显著因素。而壁厚本身又受到主动脉瓣表型和区域位置（如曲率不同）的共同影响。
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BAV显著改变区域力学行为与微观结构：
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力学行为：与TAV患者相比，BAV患者的ATAA组织在近端大曲率区域表现出更高的刚度，而在中部大曲率和远端大曲率区域则呈现出更强的各向同性行为（即不同方向的力学响应相近）。
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微观结构基础：这种力学行为的差异与胶原纤维的排列方式密切相关。BAV患者主动脉根部附近的近端区域表现出更强的周向纤维排列，而远端外曲率区域则呈现出更复杂的多向纤维增强模式。相比之下，其他区域的胶原纤维分布则保持稳定且具有单一或双主导方向。研究表明，BAV相关的各向同性力学行为很可能源于其引起的血流动力学改变后，组织形成的这种多向胶原纤维强化机制。
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成功建立并验证了微观结构驱动的本构模型：该研究采用的模型能够通过反映胶原纤维空间分布的本构参数，精确地描述和预测ATAA组织的力学响应，证实了将微观结构信息整合到力学模型中的有效性和必要性。
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关键影响因素识别：除了主动脉瓣表型和壁厚外，高血压和年龄也被确定为影响不同区域组织刚度的重要决定性因素。
综上所述，本研究系统地揭示了ATAA患者主动脉壁生物力学和微观结构存在的显著区域性差异，尤其是在BAV患者中，这种差异更为复杂和突出。研究通过整合多轴力学测试、高分辨率成像和理论建模，成功地将组织的宏观力学行为与其微观胶原纤维结构联系起来。其核心结论是，BAV通过改变局部血流动力学，诱导了主动脉壁特定的胶原纤维重构模式（如近端的周向强化和远端的复杂多向强化），从而导致了区域特异性的力学性能改变（如刚度增加和各向同性行为）。该发现强调了，在评估ATAA风险和发展个体化或人群特异性的计算模型时，必须充分考虑这些区域变异和微观结构变化。这为未来开发超越单纯基于直径的、更精确的风险分层工具和个性化手术指南提供了重要的生物力学和微结构理论基础，有望最终改善ATAA患者的临床管理和预后。
