冠状动脉生物力学特性与冠状动脉疾病的发病机制

第三节　冠状动脉生物力学特性与冠状动脉疾病的发病机制

一、冠状动脉应力应变力学特性与冠状动脉疾病

在危害人类健康的疾病中，冠状动脉疾病的病死率一直保持在较高水平。吸烟、高血压、糖尿病、家族病史和高血清胆固醇等是常见的公认危险因素。然而，其精确的病因仍然未知。随着冠状动脉粥样硬化的研究向分子生物学水平进展，对冠状动脉管壁机械性能洞察的深入，为临床治疗及经皮冠状动脉球囊血管成形术医疗干预提供了有价值的信息。

我们知道粥样硬化病变通常不会均匀分布在整条冠状动脉内壁。相反，它通常分散于冠状动脉内壁的不同位置。目前低壁面切应力和高壁面机械应变或应力这两个主要的生物力学因素已被确认与其好发位置相关。然而，病变的好发倾向主要位于冠状动脉近心端侧，却尚未得到明确的解释。

冠状动脉是人体动脉系统中唯一连续摆动的系统，持续地受到心肌收缩振荡位移影响。心肌收缩时，冠状动脉近心端固定不变，其远心端经历了最大的周期性横向和扭转位移。冠状动脉受到的振动位移类型和程度将取决于其个体解剖的差异。左前降支承受了位于升主动脉和左心室心尖部旋转轴上最大的扭转。回旋支往往几乎垂直于左前降支，受到在垂直平面上更大的横向位移。斜角支沿左前降支侧面上升分布，承受了在垂直和水平方向以及扭转组合而成的横向位移。对于每一种类型的振荡都会有一个固有频率，它和弹性特性、密度/质量及血管的长度相关。当这种频率变化时会发生振荡。如果该结构在接近感应到另一个主动振动物体，那么它也将在该处产生“被迫振动”的频率。当“被迫振动”的频率和冠状动脉自身固有频率一致时，共振就会发生。“被迫振动”的频率在共振恰当的时刻会加强和增加能量的幅度。

John由此进行假设，当心动周期中冠状动脉发生机械振荡共振时的心率和其固有特定频率一样时，那么共振波可能发生在冠状动脉对抗节点上从而增加管壁应力。即使每次振荡的特定位置相对壁应力仅有非常小的差异，但随着时间的推移，持续性的心脏收缩会将这种差异放大至非常显著。因此，这些特殊节点的位置增加了疾病发生的风险。尽管目前还无实验证据支持，但倘若冠状动脉共振的假设成立，除了解释病变好发于近心端分布外，也可帮助解释整个冠状动脉疾病特定位点的分布，为解释冠状动脉疾病发生位置的机制作了有力补充。

二、冠状动脉切应力的力学特性与冠状动脉疾病

临床观察已证实，冠状动脉粥样硬化斑块优先形成于冠状动脉侧分支附近及内壁弯曲的动脉。并且可以肯定，切应力能激活血小板以及生物力学因素在单核细胞的移动和黏附于内皮细胞上起着关键作用：①高血流动力学壁面切应力；②低壁面切应力；③高动脉壁应力（称为拉伸或环向应力更为准确）；④高壁面切应力梯度（wall shear stress gradient，WSSG）；⑤内皮细胞的损伤。以上是在既往研究中提出的引起动脉粥样硬化的常见力学因素，并且针对于这些假设的研究也一直在持续进行。

众所周知红细胞决定了血液的流变行为，于是Jung应用非牛顿流体的脉动血流动力学多相瞬态的三维计算流体动力学（CFD）模拟理想化的人冠状动脉弯曲部分，发现红细胞常堆积于冠状动脉内壁弯曲的部分并与该处的低切应力相关。弯曲血管中央部的较高黏度倾向阻止血流的流向，使得红细胞优先迁移通过边界层，而且红细胞体积分数在内壁弯曲处的内曲率半径上被发现是最高的。另外，在曲率中心产生的二次流导致了在不对称的轴向速度，外壁剪切速率明显高于内壁并随心动周期改变。收缩期开始时，剪切速率突然增加，然后减小到几乎为零，舒张期再次急剧上升，随后逐渐下降。在三个心动周期中，内壁弯曲处平均红细胞剪切速率为350·s^-1，平均红细胞黏度为7.5mPa·s。而外壁弯曲处平均红细胞剪切速率和平均红细胞黏度则分别为520·s^-1和6.3mPa·s。

切应力梯度（WSSG）是黏度和剪切速率的梯度以及每单位体积中的力在邻近管壁附近的表达，具有直接作用于细胞间张力的作用。动脉血管壁的内壁弯曲处的生物机械力，加上低振荡室壁应力与血管内皮细胞的相互作用，引起单核细胞和血小板的黏附聚集，平滑肌细胞增生，同时抑制抗动脉粥样硬化作用物质的产生，如一氧化氮。Chaichana进一步阐释了左冠状动脉前降支与回旋支分叉处的角度和切应力梯度之间的关系，发现在120°和105°倾斜角度时切应力梯度明显低于15°和30°倾斜角度，并且在广角模式下低切应力和低切应力梯度分布区域明显大于窄角模式。因此，在左冠状动脉广角分岔处具有比窄角分岔处更高发生动脉粥样硬化的风险和可能性。

Murray定律通过测量主干和分支相邻的内径，指出理想的血管分叉是主干血管半径的立方等于所有分支血管半径的立方总和。通常情况下，哺乳动物循环系统的分支血管遵循该法则，如果Murray定律被遵循，也就是说当Murray比值等于1时，说明在血管分叉处保持了均匀一致的管壁切应力。但也存在一些该法则外的偏差导致了分叉处局部区域的低振荡切应力。正如前所述，低切应力已被证明能刺激动脉粥样硬化基因的表达。那么，冠状动脉血管分叉处独特的解剖特性是否遵循Murray法则？如果存在偏差又是否和分叉处斑块的组成成分存在联系？Schoenenberger运用血管内超声，以虚拟组织学血管内超声（VH-IVUS）成像方式对253组病例进行了研究，明确了在冠状动脉分叉处并不遵循Murray定律，而且发现高Murray比值患者斑块组成成分为较多的高密度钙和较少纤维与纤维脂肪组织。相反，低Murray比值患者斑块组成成分则以纤维及纤维脂肪居多，坏死核心和致密钙含量偏少。高Murray比值又常常和低振荡切应力相关。含致密钙和坏死核心数量较多，纤维组织和纤维脂肪组织较少的区域常被确认为低振荡切应力区域。Murray定律和个体偏差或许可以帮助解释斑块倾向于发生在一些患者血管分叉处。