动脉系统旋动流抑制动脉粥样硬化所起生理作用的研究

Hemodynamic studies have revealed that blood flow in many important parts of the human arterial tree takes a form with a corkscrew-like or helical pattern. The applicant believes that the swirling motion of blood flow in the arterial tree is a typical example of “form follows function” in the vascular system and hypothesizes that the swirling blood flow may possess a physiological function to protect the arterial wall against atherogenesis by affecting the transport of substances such as atherogenic lipids and oxygen in the arterial system. To test this hypothesis, the applicant has designed this research project to clartfy the following 4 questions: 1) Does the swirling flow in the arterial system indeed possess the ability to protect the arterial wall against atherogenesis by reducing the deposition/accumulation of atherogenic lipids within the arterial wall via the suppression of atherogenic lipid concentration polarization? 2) What is the correlation between the strength of swirling flow and the transport of substances such as atherogenic lipids and oxygen? 3) How do the 3-D structure of the aorta and the spiral folds structures on the endo-luminal surfaces of the human infrainguinal and coronary arteries affect the structure of blood flows hence the transport of substances such as atherogenic lipids and oxygen in these blood vessels? 4) How does the double helical flow (Dean Flow) differ from the single corkscrew-like swirling flow per se in terms of mass transport? The proposed research project can not only provide solid evidences to support the aforementioned hypothesis, but also verify from a different angle the theory of lipid concentration polarization for the localization of atherogenesis proposed by the applicant.

血流动力学研究发现，动脉树中许多重要部位的血流呈旋动流态。申请人认为，动脉血流的旋动是大自然“形态与功能统一”的高度体现，血流的旋动可通过影响动脉内物质（特别是脂质和氧气）的输运，抑制动脉粥样硬化形成，达到保护动脉血管的目的。为验证申请人的这一科学推测，本课题设计了4个方面的研究内容以回答四个问题：1）旋动流是否能通过抑制有害脂质在血管内表面的“浓度极化”来达到降低脂质在动脉血管壁的沉积这一目的？2）旋动流强度与物质（有害脂质和氧气）输运的定量关系如何？3）主动脉的三维空间构型、腿部大动脉和冠脉内的螺线结构会如何影响旋动流的产生、从而如何影响物质（有害脂质和氧气）在管腔内和血管壁中的输运？4）双涡螺旋结构旋动流（Dean Flow）在物质（有害脂质和氧气）输运方面与单涡旋动流有何不同？本课题不但具有重要理论意义，还可从另一个角度验证申请人提出的动脉粥样硬化局部性现象成因的“浓度极化”理论。

血流动力学研究发现，动脉树中许多重要部位的血流呈旋动流态，这种流态很可能具有重要生理意义。血流的旋动也许能通过影响动脉内物质 （特别是脂质和氧气）的输运，抑制动脉粥样硬化形成，达到保护动脉血管的目。为了验证这一科学推测，本项目进行了如下几个方面的研究：：1）用计算机数值模拟与动物模型实验相结合的方法，研究了主动脉中的流场/低密度脂蛋白（LDL）输运与动脉粥样硬化的关系；2）通过在体和离体实验，研究了家兔模型中，荧光标记的LDL在主动脉各个部位的分布和沉积；3）从细胞、分子的层面研究了旋动流抑制动脉粥样硬化的机理；4）将旋动流原理用于了植介入器械的设计。兔主动脉模型的数值结果表明，血管内壁高浓度LDL区域往往与高OSI、RRT、transWSS,以及低WSS和TAWSS的流动区域相伴，而旋动流可抑制这类流动区域的形成。实验结果表明，在低LDL浓度和正常血流动力学环境区域几乎没有动脉粥样硬化斑块形成，在血流动力学环境较差、LDL浓度又相对较高的区域，一般会形成轻度动脉粥样硬化，而在血流动力学环境恶劣的区域，即便LDL浓度不高，也会形成严重的斑块。总的来说，局部动脉粥样硬化斑块厚度可能是由血管内表面LDL浓度和血流动力学的协同作用决定的，旋动流对动脉粥样硬化的形成确实具有抑制作用。随后，我们采用炎症模型小鼠，检测了荧光标记的LDL，以及与LDL摄取相关的PCSK9和LDLr（LDL受体）在主动脉弓到髂动脉区域的分布。这一研究结果进一步证明，旋动流可通过抑制PCSK9，增强LDLr的表达，来增加血管内皮细胞对LDL的摄取，进而减少其在内皮下层的沉积，起到抑制动脉粥样硬化的作用。基于这些研究，我们运用旋动流原理设计了一种具有锥度的旋动流小口径人造血管和一种能产生旋动流的腔静脉滤器。研究表明，带有锥度的螺旋人造血管，可以大大提升旋动流强度，从而使WSS和TAWSS明显提高，OSI和RRT明显减小。我们设计的旋动流腔静脉滤器能有效减小血流震荡和滞留时间，从而可能有利于抑制血栓堆积堵塞滤器。最后，我们提出了一种覆膜支架介入治疗腹主动脉瘤的“分支交叉”策略，计算机数值模拟研究表明，这一策略可诱导覆膜支架末端产生旋动流，从而降低血栓导致的支架闭塞率。