高血糖条件下主动脉的力学特性变化及血流动力学分析

Diabetic macrovascular disease is mainly manifested as atherosclerosis. However, whether changes in biomechanical properties and hemodynamics of aorta caused by hyperglycemia are a contributing factor to form atherosclerosis remain largely unknown. Based on a diabetic rabbit model, this proposal project utilizes multiple methods combining biomechanical tests, pathohistological investigation, image-based 3D reconstruction, fluid-structure interaction modeling to systematically analyze and compare differences in biomechanical properties, microstructural characteristics, and hemodynamic parameters such as wall shear stresses, oscillatory shear index between diabetic and healthy aortas. We further explore whether changes in computational hemodynamic parameters of diabetic aortas can promote formation of atherosclerosis. The results will be helpful to elucidate changes in complex tissue’s structure-function relationship in response to diabetes. Moreover, the results will reveal potential effects of hyperglycemia, as a single pathological factor, on initiation of diabetic macrovascular disease.

糖尿病性大血管病变主要表现为动脉粥样硬化。然而，高血糖条件下主动脉壁力学特性和血流动力学环境的变化是否是促进动脉粥样硬化形成的因素之一尚不清楚。本项目以糖尿病兔模型为研究对象，通过生物力学测试、病理学鉴定、医学影像重建、个体化流固耦合计算等多种研究手段，系统化地分析、比较糖尿病性主动脉和健康主动脉在管壁力学特性、微观结构特征、以及血流壁面剪应力、振荡剪切指数等血流动力学参数上的差异。进一步探究糖尿病性主动脉中血流动力学参数的变化是否会促进动脉粥样硬化的形成。研究成果将有助于解释由糖尿病所引发的复杂的主动脉壁组织结构与生理功能之间的关系变化，从生物力学角度揭示高血糖作为单一病理因素对大血管病变产生的影响。

糖尿病是导致人体血管病变的一个潜在且十分重要的因素。高血糖条件下主动脉壁力学特性和血流动力学环境的变化是否是促进动脉粥样硬化形成的因素之一尚不清楚。本研究首次运用生物力学测试、病理学分析、医学影像重建、个体化血流动力学计算等多领域相结合的方法，系统化地分析、比较糖尿病主动脉与健康主动脉在生物力学特性、微观结构特征、以及血流动力学参数上的差异。研究结果发现高血糖作为单一病理因素能有效削弱兔主动脉的弹性性能，造成组织硬化。病理学分析显示糖尿病兔主动脉壁中有空泡细胞的存在并且伴有明显的胶原纤维增生，这将对主动脉的生物力学特性造成重要影响。血流动力学计算结果显示糖尿病兔的主动脉中TAWSS值和transWSS值均高于健康兔。在糖尿病兔和健康兔的主动脉中右肾动脉出口的背面区域通常具有较高的OSI值，且该区域往往伴随着强烈的紊流和低WSS。这样的血流动力学特征表明，高血糖可能会导致兔主动脉中血流动力学环境产生明显变化。特别是，糖尿病兔的降主动脉中低TAWSS值和高OSI值可能会进一步导致动脉粥样硬化斑块的形成。研究结果有助于我们深入了解由糖尿病所诱发的复杂的主动脉壁组织结构与生理功能之间的关系变化，从生物力学角度揭示高血糖作为单一病理因素对大血管病变产生的影响，为解释糖尿病大血管病变与动脉粥样硬化形成的内在联系提供新的思路。所获取的生物力学数据及有限元模型将用于模拟计算复杂病理环境（高血压等）对糖尿病主动脉生长及结构重塑的影响，优化针对糖尿病主动脉病变的诊断和治疗。本项目设计、开发的基于动物模型中主动脉的生物力学测试及定量分析方法能被广泛应用于其他动物模型上，将更加全面地解释血管病变对于血管壁弹性性能变化所产生的重要影响。此外，该研究成果将为基于医学影像的血流动力学高精度模拟系统的开发提供一个良好的研究平台，更好地服务于血管腔内血流特征诊断。