文|創瞰巴黎 Agnès Vernet

編輯|Meister Xia

一覽：

• 人工動脈和血管的研發，有利于學者更好地了解血管中的流體動力學，探索更有效的療法。
• 巴黎綜合理工學院聯盟的流體動力學實驗室（LadHyX）開發的人工血管系統正應用于與法國里爾大學附屬醫院的合作項目中，用于測量馮·維勒布蘭德因子的形成和分布。該因子若發生異常，會導致血栓形成，阻塞血管。
• 實驗室還開發了另一種人工血管模型，可用于模擬高血壓、阿爾茲海默癥等微血管病變類疾病。
• Ladhyx的模型可以準確地模擬腦血管的復雜結構，還能植入各類血管組成細胞和大腦細胞。

人體內的血管細者如毛發，寬者如通途大道，是生理功能必不可缺的結構。生理學家曾以為血管僅僅是具有滲透功能的管狀結構，但事實上血管中發生著許多復雜的物理和生化過程。在巴黎綜合理工學院聯盟的流體動力學實驗室（LadHyX），學者Abdul Barakat帶領的課題組正對此問題展開研究。

課題組通過制造不同尺寸大小的人工動脈和血管，研究疾病等生理現象的成因。當代生物學研究往往不重視動脈中的流體動力學作用，本課題的目的就是將流體動力學因素納入生理現象的分析中。課題組設計了兩種人工血管模型，可以靈活調整，用于探究多種醫學難題。

01 利用人造血管模型研究冠狀動脈疾病

第一種人工血管模型以膠原蛋白水凝膠為基質，管內徑3毫米，外徑4.5毫米，管內植入平滑肌細胞和內皮細胞（在人體動脈中實際存在的細胞）。這一模型模擬的是為心臟供氧的冠狀動脈，能再現冠狀動脈內壓強高、存在剪切流動的流型，可用于研究動脈粥樣硬化。

為了分析細胞對人工引入的機械因素的反應，課題組使用高分辨率成像系統，如共聚焦熒光顯微鏡、阻抗型傳感器，安裝在人造動脈壁上，實現了真正的三維空間分析，讓血管里所有細胞動力學現象盡收眼底。這種研究方法有利于觀測細胞反應機理，以及血管壁上不同類型的細胞如何相互作用。

LadHyX與里爾大學附屬醫院合作，將模型用于測量馮·維勒布蘭德因子的形成和分布。該因子若發生異常，會導致血栓形成，阻塞血管。同時，澳洲悉尼的新南威爾士大學使用該模型研究湍流對動脈壁的影響；法國斯特拉斯堡的獻血站使用該模型研究血液中血小板的形成。

在Ladhyx，研究者使用模型深入分析血管在植入支架后如何愈合。在血管里植入支架，能支撐狹窄血管，保持血流通暢，但支架植入手術可能會傷害血管腔內壁的內皮細胞，反而使血管變得更窄。使用模型，能預測不同類型的支架植入后血管的愈合方式，有利于避免術后血管變窄的現象[1]。

02 利用人造血管模型研究微血管病變類疾病

第二種模型仍然以膠原蛋白水凝膠為基質，直徑為120-150μm [2]，可用于模擬高血壓、阿爾茲海默癥等微血管病變類疾病。通常認為，阿爾茲海默癥的致病機制是肽（β-淀粉樣蛋白、過度磷酸化的Tau蛋白）在大腦中異常積累。在過去的幾十年中，學界投入了大量資源研究此假說，卻沒有產生任何實質性的臨床成果。現在，有人提出阿爾茲海默癥可能是微血管病變導致。實驗顯示，阿爾茲海默癥的發病與腦灌注不足（大腦中血流量異常）的確存在一定關聯。

在動物模型中，通過調整大腦灌注，可觀察神經元的退化和與阿爾茨海默癥相關的肽的積累，由此有學者提出了一個假設：大腦中機械因素的異常可能會引發疾病，或者讓疾病惡化。Ladhyx的模型可以準確地模擬腦血管的復雜結構，還能植入各類血管組成細胞和大腦細胞，并靈活調整細胞配比，重現多種生理狀態。

Ladhyx的模型為研究機械力對生物過程的作用開拓了新疆域。過去的研究已表明機械力的確能影響蛋白質的表達，所以Ladhyx未來將進一步地研究機械因素和生化因素的具體互動機理。

模型在臨床中的應用

數學建模、生物工程和計算機醫學的進步，讓模擬度更高的人類病理學建模成為可能。在最近召開的虛擬人體生理學大會（Virtual Physiological Human Conference）發表的一篇報告中 [3]，專家們指出新一代的模型已經在臨床醫學得到了多種應用。

新一代模型可以揭示前所未知的生理病理學奧秘，有利于新療法的開發。例如，法國雷恩大學的兩名學者 Virginie Le Rolle 和 Alfredo Hernández 帶領的課題組正是使用建模來研究阻塞性睡眠呼吸暫停，分析呼吸、新陳代謝和肺力學之間的相互關系。

有一些模型可以結合患者的個人數據進行個性化計算分析，讓病情管理更具針對性。奧地利格拉茨醫科大學學者Gernot Plank 指導開發了心臟電生理模型，可結合患者的實際MRI 和 ECG 數據，以期實現個性化。

還有一些模型可以用于預測人體健康狀態，并制定治療方案，例如葡萄牙波爾圖大學學者Fernanda Fidalgo 設計的剖腹產術后愈合模型。總之，數字建模可以以多種形式與臨床實踐結合。

參考資料：

1. E.E. Antoine et al. (2016), J R Soc Interface, 13 (125) : 20 160 834. doi : 10,109 8/rsif.2016.0834

2. C.A. Dessalles et al. (2021), Biofabrication 14 (1), 015003. doi : 10,108 8/1758–5090/ac2baa

3. I. E Vignon-Clementel et al., Ann Biomed Eng (2022) 50(5):483–484. doi: 10.1007/s10439-022–02943 y