腹主动脉瘤发病率性别差异的生物力学机理研究

Abdominal aortic aneurysm (AAA) is defined as focal dilatation of the abdominal aorta. The AAA has high risk of rupture and it is one of the geriatric diseases with high morbidity and mortality. Interestingly the male has higher morbidity than that of female, and the reasons are still unknown. The hypothesis that biomechanics may play an important role in this issue has been proposed in the present application, based on previous studies. To verify this hypothesis, medical imagine based realistic artery models reconstruction, mechanical simulation and in vitro perfusion experiments for mechanical measuring using 3D printing silicon models will be firstly conducted. Then in vitro cell and tissue experiments will be conducted on mechanical loading bioreactors, to see the biomechanical and mechanobiological influence of different mechanical loading on artery remodeling. By doing the present study, the biomechanical mechanism of gender difference for AAA will be revealed and the pathology and physiology features of AAA will be further understood. This application will also help the AAA patients develop their care and rehabilitation exercise, and provide gender-specific references for stent-graft design based on biomechanics theories.

腹主动脉瘤是老年人高发、高致死率疾病，表现为腹主动脉局部膨大，破裂后非常危险。奇怪的是其男性患病率明显高于女性患病率，原因至今未明。基于现有研究，申请人推测生物力学因素是导致这一差异的重要原因。为此，本项目拟开展基于医学影像的数值模拟、利用3D打印血管模型和先进力学特征测量技术的体外灌流实验来确定腹主动脉（瘤）处生物力学环境的性别差异，在此基础上开展细胞和组织层面的生物力学加载实验，从生物力学和力学生物学角度研究不同生物力学环境如何引起血管重建（remodeling）性别差异的规律，探究腹主动脉瘤发病存在明显性别差异的生物力学机理，加深人们对该疾病生理、病理规律的认识，并为腹主动脉瘤患者护理、康复运动训练，以及腹主动脉瘤介入覆膜支架设计提供基于生物力学规律的、性别精细化的指导和建议。

临床中发现，腹主动脉瘤这一老年人高发、高致死率疾病具有较为显著的性别差异，但是具体原因未明确。本项目认为生物力学的性别差异可能是导致这一差异的重要原因。为此，本项目开展了如下工作：1）基于医学影像，对男性和女性腹主动脉瘤模型进行了三维重建和构型特征参数提取与分析；2）基于男性和女性病例的腹主动脉瘤模型的构型参数，构建男性和女性的标准模型，并进行血流动力学仿真，分析血流动力学方面的性别差异；3）构建考虑性别因素的腹主动脉瘤生物力学评估模型，初步实现分性别、定量化的腹主动脉瘤风险评估；4）分析了下肢运动对不同性别患者瘤内血流动力学环境的影响；5）分析了腹主动脉瘤植入覆膜支架后，支架移位力的性别差异；6）总结血流动力学性别差异基础上，开展体外实验，进行不同血流动力学环境对血管组织、细胞力学生物学行为研究；7）进一步优化了主动脉覆膜支架设计（四种方案）。通过本项目的研究，探明了男性和女性腹主动脉瘤轴线弧度的差异性，该差异性又直接导致了腹主动脉瘤血流动力学和生物力学方面的性别差异，这一研究成果为腹主动脉瘤性别差异提供了重要的生物力学解释。在此基础上， 项目组初步提出了基于性别差异和生物力学的腹主动脉瘤风险评估模型，并优化了旨在更好适应主动脉个性化弧度的覆膜支架设计方案，从而为相关手术和器械优化提供了理论基础和参考。.项目发表学术论文14篇，项目执行期间获批国家发明专利3项，新申请1项。本项目相关的器械设计获得“第六届中国医疗产业创新大赛最具投资价值奖”（一等奖），具有很好的转化和临床应用前景。此外，项目执行期间还开展广泛的国内外学术交流活动，并完成研究生和本科生人才培养工作。.项目在执行过程中进行了新的拓展，从腹主动脉瘤的性别差异问题延伸到心血管疾病的性别差异问题，从腹主动脉瘤构型的性别差异问题扩展到主动脉器械与主动脉生物力学适应问题，为未来主动脉生物力学研究提供了新的方向。