多层结构气道力学行为受平滑肌层收缩和纤维化影响的数值模拟研究

Numerical simulation has been an important approach in the study of respiratory mechanics because of the great challenge to experimentally assess the in vivo mechanical behaviors of the complex airways system. However, the current numerical models mainly focus on the anatomic geometry, and largely disregard the mechanical property and tissue remodeling of airways. In particular, few have considered the contractile function of the airway smooth muscle (ASM) rather than a static constituent in the model. Apparently, this kind of models are far from the reality, thus unable to simulate with a relative degree of accuracy the mechanical behaviors of actual airways during physiological and pathological events, for instance, the excessive and hyper-heterogeneous constriction associated with asthma. To address this issue, we propose to develop a more realistic multilayer-composite airway model based on anatomical structure, mechanical properties, and physiological functions of the prominent airway tissue layers, including contractile smooth muscles. Based on this model, we will numerically simulate the mechanical behaviors of the airway, and investigate how they would be influenced by the residual stress, contraction and fibrosis of ASM within the airway wall. We will attempt to further simulate the mechanical responses of airways to different pathological conditions such as hyperresponsiveness and/or tissue remodeling in asthma. The multilayer-based airway model may help our understanding in the pathogenesis of obstructive airway diseases from biomechanical point of view, and thus provide valuable scientific foundation for the future clinical diagnosis and therapy.

由于气道具有复杂的生理结构，其在体的力学行为很难通过实验实时观测。因此，数值模型仍然是呼吸力学研究中的重要手段。现有的气道数值模型大多注重解剖结构的精准，对气道管壁的组织和力学特征，尤其是气道平滑肌层的组织构造和收缩功能考虑较少。显然，这类模型与体内的气道相差较远，难以较准确地模拟真实气道在生理和病理活动中的行为，特别是病理情况下产生的特殊力学行为，如与哮喘病相关的气道过度和/或不均匀收缩等。鉴于此，本课题拟从复合材料力学数值模拟的角度出发，基于气道解剖结构和生理功能构建具有平滑肌收缩功能的多层结构气道数值模型，研究气道管壁残余应力、平滑肌收缩以及气道重塑和纤维化对该模型力学行为的影响，进而模拟不同病理情况下的气道力学响应。本研究所构建的多层结构气道数值模型将有助于从生物力学角度进一步深入了解阻塞性呼吸道疾病的病理过程和发病机制，为临床诊断和治疗提供科学依据。

气道平滑肌重塑发生在许多狭窄性肺部疾病中且与疾病的发展存在重要关系，目前的检测技术和手段，还无法精确地实时获得呼吸过程中气道阻力变化和气道壁产生的各种应力应变数据，因此计算机数值模拟技术仍是研究该问题的主要手段。现有的气道数值模型大多局限于结构简单的单一材料模型，较难准确模拟真实气道在生理和病理情况下的力学行为，因此本项目构建具有螺旋结构平滑肌层的气道层结构模型，把气道解剖结构和不同组织的力学性质有机地结合在一起，用以研究平滑肌性质、排布和细胞外基质变化等因素对气道在收缩过程中力学行为的影响。数值模拟结果表明，平滑肌厚度和刚度的增加，均会导致平滑肌层应力随之增加，而应力刺激会进一步促进平滑肌细胞增殖，这种正反馈机制可能是限制性呼吸道疾病恶化的重要原因之一。在相同的平滑肌厚度和刚度情况下，平滑肌排列角度增加能够降低平滑肌上应力水平；平滑肌通过调整排列角度可以达到有效改善平滑肌上应力分布的效果，缓解由于病理原因引起的应力增加对平滑肌产生的刺激作用，从而达到对平滑肌细胞的保护作用。随着平滑肌厚度增加，其角度增加引起应力减小的能力在逐渐减小，可能是由于平滑肌厚度增加引起的应力增加程度远远大于角度改变带来的应力减小作用。平滑肌层局部增厚同样有降低应力的作用，可能是通过主动增加平滑肌量达到分担应力的目的，从生理上实现主动补偿。细胞外基质纤维化会引起细胞外基质刚度增加，从而使气道收缩过程中平滑肌和气道内壁上的应力也随之增加。综上所述，通过数值模拟的方法研究气道在病理状况下力学行为的改变模式，使我们更加清楚地认识了平滑肌形态和力学性质以及其所处气道壁内环境的变化与气道整体生物力学特征之间的关系，有助于研究人员更好地认识和分析气道高反应性的产生机理并建立相应的哮喘模型，对基础研究和临床应用都具有重要意义。