使用超声矢量血流成像技术检测门静脉壁剪切应力与门静脉狭窄大鼠肝脏再生之间的相关性

《Ultrasound in Medicine & Biology》：Correlation Between the Portal Venous Wall Shear Stress Using Ultrasound Vector Flow Imaging and Liver Regeneration in Rats With Portal Vein Stenosis

　　

彭志汉|杨凤玲|罗燕|肖红|朱晓霞|范红霞|杨佳丽|马琳

四川大学华西医院超声科，成都，四川，中国

摘要

目的

本研究旨在利用超声矢量流成像（V FLOW）技术，定量评估不同程度和部位的门静脉狭窄（PVS）大鼠模型中的门静脉壁剪切应力（WSS），并探讨V FLOW得出的WSS参数与肝脏再生之间的关系。

方法

75只雄性Sprague–Dawley大鼠被分配到部分肝切除术（PH）组（n=15）或中度和重度PVS组（PVS_M和PVS_S，分别n=30）。PVS分别发生在门静脉干或非干部位（n=15）。所有大鼠均接受了70%的肝切除术，随后在PVS组中诱导狭窄。使用V FLOW技术在术前及术后第1、2、3、7和14天测量门静脉WSS。在PVS大鼠中，分别获取狭窄前（WSS_pre）和狭窄后（WSS_post）的WSS，并计算WSS比值（WSSR＝WSS_post/WSS_pre）。在相应时间点处处死大鼠，以评估肝脏再生率（LRR）和增殖细胞核抗原（PCNA）。比较WSS、LRR和PCNA的时间变化，并分析WSS与LRR和PCNA之间的相关性。

结果

成功建立了60只中度或重度PVS的大鼠模型，PVS比值分别为56.57% ± 3.50%和68.21% ± 1.89%。随着狭窄程度的增加，肝脏再生能力下降，PVS_S组在术后第7天和第14天的LRR明显低于PVS_M组和PH组（p < 0.05）。PVS_S组的PCNA表达也显著低于PVS_M组。V FLOW技术在各种类型的PVS中获得了稳定的WSS测量结果。在PVS大鼠中，WSS_pre在第7天显著降低，而WSS_post在前三天内升高。在PVS_M中，干部狭窄导致WSS_pre降低且WSSR升高（p < 0.05）。WSS_post和WSSR与LRR（r = –0.60和–0.572，p < 0.05）及PCNA（r = –0.558和–0.534，p < 0.05）均呈现显著负相关。WSSR在诊断LRR和PCNA表达方面表现最佳，曲线下面积（AUC）分别达到0.813和0.907。

结论

V FLOW检测到的PVS中的门静脉WSS_post和WSSR与LRR和PCNA呈负相关，表明WSS在非侵入性评估肝脏再生方面具有潜在价值。

引言

良好的肝脏再生对于活体供体肝脏移植（LDLT）后的良好预后至关重要[1,2]。门静脉狭窄（PVS）是LDLT后主要的血管并发症之一，通常发生在吻合处，发生率为0.6%–3.0%。轻度PVS一般不影响肝脏再生和功能，但如果PVS严重，则会抑制肝脏再生，导致门脉高压、小肝综合征和移植物功能障碍[3], [4], [5]。因此，识别具有临床意义的PVS并预测再生失败对于术后管理至关重要。

超声广泛用于PVS监测，主要通过直径狭窄比率（DSR）、加速velocity比率（AVR）和其他多普勒衍生指数[6], [7], [8]进行。然而，传统超声仅能捕捉宏观血管形态和流速，无法表征对内皮功能有关键影响的生物力学环境。

壁剪切应力（WSS）是流动血液对血管壁施加的切向力（单位为Pa或N/m2），是内皮功能的重要调节因素[9,10]。因此，WSS的病理改变会引发不良的血管重塑，导致动脉内膜增厚、动脉粥样硬化斑块形成、动脉瘤扩张和支架内再狭窄[11], [12], [13], [14]。在肝硬化中，门脉高压导致的WSS降低与血流紊乱和血栓风险相关[15,16]。然而，PVS后门静脉WSS的变化及其与肝脏再生的潜在关系尚不清楚。理论上，不同类型和部位的PVS会导致门静脉WSS的不同变化。因此，研究不同类型PVS后的门静脉WSS变化及其与肝脏再生之间的相关性，有望提供更可靠、无创的指标，以便在PVS存在的情况下评估LDLT后的肝脏再生情况，从而进行早期术后干预，提高患者生存率。

临床上，WSS的测量主要基于医学成像技术，包括磁共振成像、计算机断层扫描和超声。矢量流成像（V Flow）的最新进展利用多角度引导超声波的传输和接收，克服了传统彩色多普勒的角度依赖性[17], [18], [19]。该技术提供了更全面和定量的血管内血流动力学评估，允许独立于角度地测量血流速度矢量。矢量速度场可以计算WSS等血流动力学参数，从而为无创、定量评估提供了有用工具[17,18]。

由于肝病的病因多种多样且临床研究受伦理限制，动物模型仍然是再生研究的重要工具。大鼠的70%部分肝切除术（PH）是一种成熟的研究肝脏再生的模型[20]，而部分门静脉结扎是诱导PVS的常用方法[21]。

因此，在本研究中，我们使用分级部分结扎建立了不同严重程度和位置的PVS大鼠模型。利用V FLOW量化每种条件下的门静脉WSS，并评估肝脏再生情况，以分析WSS变化与再生能力之间的关联。这项工作旨在提供机制上的见解，并提出新的无创血流动力学指标，用于评估LDLT后的PVS和肝脏再生。

部分片段

动物

健康的成年雄性Sprague–Dawley大鼠（200–400克，7–14周龄，无特定病原体）从成都大朔生物科技有限公司购买，并饲养在华西医学中心的实验动物中心。所有动物均可自由获取水和食物，饲养环境为12小时光照和23°C的明暗周期。实验前大鼠至少适应环境一周。

大鼠被随机分配到PH组（n=15）和PVS组

PVS模型的建立

在70%肝切除术后，我们在60只大鼠中成功建立了不同部位和严重程度的PVS模型，包括30只中度PVS（PVS_M组）和30只重度PVS（PVS_S组）。根据狭窄部位，15只大鼠被分配到干部组，另15只大鼠被分配到非干部组，两组PVS的严重程度相同。PVS_M组和PVS_S组的门静脉狭窄比率分别为56.57% ± 3.50%和68.21% ± 1.89%。

讨论

在本研究中，我们成功建立了代表不同严重程度和解剖位置的PVS大鼠模型，并使用V FLOW系统性地描述了门静脉WSS的变化及其与肝脏再生的关系。我们的发现显示WSS_post和WSSR与LRR和PCNA表达均呈显著负相关。此外，ROC曲线分析表明WSSR在诊断LRR和PCNA表达方面具有良好效果。

结论

V FLOW提供了一种实用且可靠的基于超声的方法，用于监测门静脉血流动力学，并有效描述了70%肝切除术后不同类型PVS引起的WSS变化。WSS_post和WSSR与LRR和PCNA呈显著负相关；WSSR的诊断效果最好。这表明门静脉WSS可能作为评估PVS存在时肝脏再生能力的有用无创指标。

数据可用性声明

所有材料归作者所有，无需任何许可。与本文相关的任何基础研究材料，如数据、样本或模型均可获取。

伦理批准

本研究中的所有动物和程序均得到了四川大学华西医院动物伦理委员会的批准（编号2020101A）。

统计和生物测量

两位作者（彭志汉和马琳）具有丰富的统计经验。本研究不需要复杂的统计方法。

作者贡献

概念设计与设计：罗燕、马琳和肖红；数据收集与整理：马琳、彭志汉、朱晓霞、范红霞、杨佳丽；数据分析和解释：彭志汉、杨凤玲和马琳；手稿撰写：彭志汉、杨凤玲、马琳；最终手稿审批：所有作者。

方法论

• •
  前瞻性
• •
  实验研究
• •
  随机对照试验

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。

致谢

本研究得到了中国国家重点研发计划（编号2020YFA0714002）和四川大学水力学与山河流工程国家重点实验室开放基金（编号SKHL2022）的支持。