幾種生理功能，例如調節體內平衡、血管張力和血管完整性，由作用在動脈壁上的不同機械應力調節。將機械力轉變成細胞反應被認為在動脈粥樣硬化的病理學中是至關重要的，影響疾病的發作和進展。作用在動脈壁上的主要力量包括由血壓引起的拉伸應力，以及在致動脈粥樣硬化的血流動力學中最重要的壁剪應力（WSS），這是一種由血流引起的對血管壁的切向力。

這種摩擦力的大小主要取決于血液粘度和速度梯度，以及血管幾何形狀，例如管腔半徑。WSS 的大小和方向由內皮上的機械傳感器識別，即動脈壁的內層，并轉導為生化信號。許多與細胞形態、粘附、增殖和血栓形成有關的基因的表達受到剪切應力誘導的機械轉導的調節，表明 WSS 在生理階段和血管疾病進展過程中的重要作用。因此，幾十年前，WSS 參與動脈粥樣硬化斑塊的發展已經在人類頸動脈分叉處的尸檢標本中得到證實，其中動脈粥樣硬化病變主要發生在以低 WSS 和血流分離為特征的區域（圖1）。這些易發生動脈粥樣硬化的情況可以在動脈分支和分叉處的外壁發現，即頸動脈竇。觀察到的發現導致了機械流體力可能參與動脈粥樣硬化發展的假設。

為了研究 WSS 在動脈粥樣硬化形成中的作用，建立了實驗流動系統并結合多種成像方式來測量體內和體外環境中的 WSS。此外，特定的動物模型已用于探索血流動力學對疾病進展的影響。在臨床應用方面，WSS 測量改善了頸動脈和冠狀動脈疾病患者的危險分層。

埃爾朗根-紐倫堡大學醫學院心臟病學和心血管學系的一篇綜述中，簡要回顧了致動脈粥樣硬化血流動力學的發現，并描述了在臨床和心血管研究中常用和當前測量 WSS 的技術，以研究血流動力學如何參與動脈粥樣硬化形成和斑塊進展。特別關注了內皮細胞的機械力激活，討論目前對其在動脈粥樣硬化形成中作用的理解，突出內皮糖萼（eGCX）作為機械傳感結構的功能。

基于這些觀察，假設流體機械力改變了內皮表型并參與了動脈粥樣硬化的發展。為了解決這個問題，建立了有前途的體內和體外模型來研究不同血流動力學條件對血管細胞和細胞間相互作用的影響，這進一步推動了動脈粥樣硬化的研究。

在 1970 和 1980 年代，首先制造了平行平板流動室（PPFC）以及錐板粘度計和平板粘度計，用于在細胞單層上研究血液流動對機械刺激的各種反應。

近幾十年來，已經開發了一系列的體外系統來研究血流動力學誘導的機械轉導。由于細胞功能通常取決于由流動誘導的血流動力學決定的細胞形狀和方向，因此研究人員已努力模擬在體內環境中觀察到的復雜血流。使用錐板式剪切裝置或平行板流室可以誘導動脈粥樣硬化易發性振蕩流。

為了在考慮到各自血管幾何形狀的情況下分析細胞功能，3D 模型得到廣泛應用。在這些模型中，基質凝膠為細胞生長和形成結構提供了 3D 支架。在由纖維蛋白或膠原蛋白組成的基質上播種和培養的 ECs 可以侵入基質并形成管狀結構，用作血管生成的模型。3D 培養系統能夠使多種細胞類型與 ECs 共培養。此外，該系統可以與血流相結合，迄今為止已在各種環境中使用，例如用于表征血管前網絡形成過程中的細胞間信號傳導。

3D 打印和組織工程是制造用于體外血流動力學建模的新型 3D 管狀裝置的有前途的方法。3D 微流體腔室以及具有復雜幾何形狀的合成管狀分支血管，即體模（phantoms），已被制造出來，旨在用于心血管研究。此外，已經建立了微流控系統中的人工狹窄血管或瓣膜，通常與 CFD 結合使用，重點研究血管直徑和/或狹窄程度的血流動力學特性，這允許研究不同程度的狹窄對動脈粥樣硬化病變中 WSS 或剪切應力梯度的影響。

盡管體外模型和體內實驗動物研究都集中在研究血流動力學在動脈粥樣硬化形成中的作用，但臨床實踐中 WSS 的測量對于冠狀動脈和頸動脈粥樣硬化的危險分層特別有意義。已經開發了各種技術來評估患者的 WSS。

血管內超聲（IVUS）是第一種用于測量患者冠狀動脈 WSS 的成像方法。使用 IVUS 結合血管造影和血流測量，證明了低 WSS 與冠狀動脈粥樣硬化斑塊進展和冠狀動脈重塑加速相關。

除了 IVUS，OCT 是一種用于 3D 血管重建的標準化成像技術，它可以追蹤動脈管腔。如 IVUS 所述，OCT 成像還需要與冠狀動脈造影融合以重建 3D 血管幾何形狀，然后進行基于計算流體力學（CFD）的 WSS 評估。在急性冠脈綜合征（ACS）患者中，OCT 和血管造影的組合顯示冠狀動脈暴露于低 WSS 區域的斑塊進展增強。

除了通過血管造影與 IVUS/OCT 的融合進行 3D 血管重建外，3D 定量冠狀動脈造影為基于 CFD 的 WSS 測量提供了一種簡化的方法。

此外，已經建立了無創技術來識別由于局部血流動力學條件而易于破裂的動脈粥樣硬化病變。冠狀動脈CT血管造影（CCTA）已成功應用于 3D 血管重建的無創成像方法，通過將其與 CFD 結合使用來測量冠狀動脈中的 WSS。

近紅外光譜（NIRS）血管內超聲的發展使斑塊成分的額外表征成為可能，例如脂質含量。

eGCX 在將機械力轉化為生化信號方面起著關鍵作用。盡管在體外和實驗動物研究中廣泛探索了其在剪切應力機械轉導中的作用，但在人體中的研究仍然很少，因為 eGCX 降解的體內測量仍然具有挑戰性。受損的 eGCX 可促進脂質積累和免疫細胞浸潤到動脈壁，表明完整的 GCX 結構對動脈粥樣硬化的保護作用。GCX 的降解和修復受損的 eGCX 可能是預防和治療動脈粥樣硬化的有希望的治療策略。

該研究回顧了以前在體內和體外實驗闡明血流動力學和動脈粥樣硬化之間關聯的研究。進一步研究了從這些實驗中獲得的知識在當前和未來臨床應用中的工作，特別關注 WSS 和 eGCX 作為機械轉導的關鍵參與者。除了臨床應用外，WSS 及其介導的細胞反應的研究還使研究人員能夠闡明各種血流動力學參數和細胞成分（如 eGCX）在動脈粥樣硬化形成中的作用。盡管對機械傳感和轉導如何參與動脈粥樣硬化斑塊發展的理解仍然有限，但通過實驗動物模型或體外模型確定了 WSS 誘導的幾種途徑，以模擬人類血管系統中的剪切應力條件。關于血流動力學和介導的機械轉導途徑的“動態流動”知識有助于更深入地了解血管疾病的病理學，并可能有助于制定預防疾病發作和進展的治療策略。

參考文獻：Urschel K, Tauchi M, Achenbach S, Dietel B. Investigation of Wall Shear Stress in Cardiovascular Research and in Clinical Practice-From Bench to Bedside. Int J Mol Sci. 2021 May 26;22(11):5635. doi: 10.3390/ijms22115635. PMID: 34073212; PMCID: PMC8198948.

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