多模态多光子光学层析用于二叶式主动脉病病理检测及壁面切应力（WSS）促进主动脉管壁重构的机制研究

Bicuspid aortic valve (BAV) is the most common congenital cardiovascular malformation, secondary bicuspid aortopathy (BA) can result severe complications. Currently, there is no ideal method for prognosis and evaluation for the diseased ascending aorta. In preliminary work, we established multi-mode, multi-photon imaging platform, which intergrated stimulated raman scattering, second harmonic generation and two-photon fluorescence imaging techniques. With this new technology we performed pathology analysis for bicuspid aortopathy and successfully illustrated the imaging of vascular smooth muscle cells, collagen fibers and elastin fibers. And the characteristic pathological changes of abnormal amount and arrangement of collagen fibers in BA extracellular matrix were preliminarily revealed. We hypothesized that, WSS could promote matrix remodeling and dilation of the aortic wall independent of genetic factors. In this project, firstly, we will use the imaging technology to detect the aorta tissue of BA patients and controls. Comparing with traditional pathology method, we will quantitatively evaluate the effectiveness of the new imaging technology, and establish the characteristic changes in aortic wall matrix remodeling caused by WSS. Secondly, we will establish BAV large animal model without genetic factors by surgically cusp fusion, test the effectiveness of in vivo pathology analysis for aortic wall by multi-mode multi-photon optical tomography, and integrate 4D Flow MRI and molecular biology techniques to study the mechanism of WSS promoted aortic wall remodeling.

二叶式主动脉瓣（BAV）是最常见的先天性心血管畸形，继发二叶式主动脉病（BA）可造成严重并发症。目前缺乏对该病变升主动脉进行预后评估的理想方法。前期工作中，我们搭建了多模态多光子成像平台，整合受激拉曼、二次谐波和双光子荧光对BA进行病理检测，利用光学层析成功显示血管平滑肌、胶原纤维和弹性纤维，并初步揭示壁面切应力（WSS）导致细胞外基质中胶原纤维数量和排列异常的特征性改变。我们提出假说，WSS可独立于遗传因素，促进主动脉壁基质重构和扩张。本项目首先利用该成像技术检测人体BA和对照主动脉组织，与传统病理检查对比，定量分析以评价其检测有效性，并确立WSS造成主动脉壁基质重构的特征性改变。其次通过手术缝合相邻瓣叶构建无遗传因素参与的BAV大动物模型，验证多模态多光子光学层析实现对主动脉壁在体病理检测的有效性，并结合4D Flow MRI和分子生物学技术研究WSS促进主动脉管壁重构的机制。

背景.二叶式主动脉瓣（BAV）是最常见的先天性心血管畸形，继发二叶式主动脉病（BA）可造成严重并发症。目前缺乏对该病变升主动脉进行预后评估的理想方法。前期我们搭建了多模态多光子成像（MPM）平台，利用光学层析成功显示血管平滑肌、胶原纤维和弹性纤维，并初步揭示壁面切应力（WSS）导致细胞外基质中胶原纤维数量和排列异常的特征性改变。我们提出假说，WSS可独立于遗传因素，促进主动脉壁基质重构和扩张。.研究内容.我们利用MPM检测了人体BA和对照主动脉组织，与传统病理检查对比，定量评价检测有效性，初步确定了造成主动脉壁基质重构的特征性病理改变。通过手术缝合相邻瓣叶构建了无遗传因素参与的BAV大动物模型（猪），术后进行了4D Flow MRI和心超检查，证实了升主动脉内血流速度和WSS增加，确立建模成功。获取了动物的升主动脉，并进行了MPM和分子生物学检测，初步揭示了WSS促进主动脉基质重构的机制。 .重要结果和关键数据.对比MPM和传统病理学检测，我们发现无论是在高或是低WSS区域两者都具有90%以上的相似性。.我们摸索出了构建无遗传因素参与的BAV大动物模型的方法，其具有较高可重复性。通过4D Flow MRI发现实验动物术后升主动脉及降主动脉内血流速度较术前增快，最大WSS达到1.36Pa以上，显著高于正常范围（0.2-0.3Pa）。术后进行心超检查能够明显观察到主动脉瓣的假脊结构，主动脉瓣功能未受影响。通过这些检查能够证实建模成功。.对模式动物升主动脉壁的MPM检测发现WSS增高处较正常处胶原纤维的数量增加排列方向趋于一致，初步验证了WSS能独立于遗传因素造成主动脉壁基质特征性改变的假说。通过免疫组化技术发现基质重构显著的主动脉区域内MMP-2、MMP-9、TIMPs、 TGFβ -1 表达水平上升，从分子层面揭示了WSS促进主动脉基质重构和扩张的机制。.科学意义.科学意义包括基础和临床两方面，一是通过建立新的动物模型和利用MPM检测的方法为进一步揭示BA发病机制提供了平台和新方法；二是为下一步实现在体主动脉壁无标记快速病理检测奠定了基础，为临床快速决策提供新方法。