心血管功能检测

科技日报讯 美国西北大学和伊利诺伊大学厄巴纳-尚佩恩分校的研究人员开发出一种仿皮的可穿戴式医疗设备，可以迅速对有心血管问题的人预警，或者给皮肤进行保湿。这项研究成果刊登在最新一期的《自然· 通信》在线版上。 　　据每日科学网、物理学家组织网近日报道，该小型装置大约5厘米见方，可直接放置在皮肤上，全天候进行健康监测。该无线技术采用柔性基板上数以千计的细小液晶来感测温度。当设备颜色变化，佩戴者便知道哪部分出状况了。 　　西北大学高级研究员黄永刚(音译)说：&ldquo 我们的设备是可不见的机械，它超薄、舒适，就像皮肤本身一样。该设备可在人们的手腕上测试。可想而知化妆品公司会有兴趣采用这种便携、非侵入性的方式来测量皮肤的干燥度。这是同类产品中的首个设备。&rdquo 　　该技术在皮肤的表面采用了瞬时温度变化，以确定血流量，这直接关联到心血管健康、皮肤水合作用的水平(当皮肤脱水，其热导率特性发生变化)。该研究联合第一作者、西北大学土木与环境工程研究助理教授张辉(音译)说，&ldquo 该设备非常实用，当你的皮肤被拉伸、压缩或扭曲，这个设备也随之拉伸、压缩或扭曲。&rdquo 　　该设备含高达3600个液晶数组，布置于一个薄、柔软、可拉伸的衬底。凭借3600个液晶，该光子器件具有3600个温度点，提供亚毫米级的空间分辨率，相当于目前在医院使用的红外技术。但红外技术比较昂贵，使用受限于临床和实验室设置，而新设备具有成本低和便携性。研究人员说，当晶体感应到温度变化后就会改变颜色，一个算法将温度数据转换为准确的健康报告，所有这一切在不到30秒内生成。 　　该论文的联合作者、伊利诺伊大学材料科学与工程教授约翰· A· 罗杰斯说：&ldquo 这些结果提供了第一个&lsquo 表皮&rsquo 光子传感器的例子，这项技术大大扩展了附着皮肤设备功能的范围，超出了单独使用电子产品的可能性。&rdquo 该技术和相关性基本药物已在这个研究中被证明，虽然在将该装置投入使用之前需要附加测试。

心血管系统是脊椎动物胚胎发育的第一个功能器官系统，其主要功能是运输、控制和维持全身的血流。由于不断暴露在来源于血流量和压力的多种机械力下，心血管系统是最容易受到机械力学刺激的系统之一。在这种情况下，心血管系统中的细胞由于心脏跳动产生的脉动变化以及血流产生的剪切应力等永久地受到力学刺激。一方面，流体剪切应力、血管壁机械牵张力、细胞与细胞之间的胞间力等外力组成了心血管系统的力学刺激。另一方面，心血管细胞力学描述了心血管的细胞或组织弹性的动力学。 心肌组织是由心肌细胞、心脏成纤维细胞、细胞外基质、血管等组成的复杂和高度层次化的组织，其组织结构与心脏的宏观力学和形态特性密切相关。随着心脏从单腔结构演变为多室结构，心脏瓣膜开始控制心脏周期中的单向血流。在此期间，心室肌细胞以纤维的形式排列，在心脏壁内形成复杂的层流模式，赋予了心脏包括各向异性、黏弹性在内的多种力学性能。此外，细胞外基质维持了心脏完整性并支持其功能。心脏间质外基质主要由成纤维细胞样细胞产生和维持，为心肌提供了必要的结构支持，保留了心室的力学特性。血流和基质成分的改变都将在一定程度上影响整个心脏的结构和功能。血管在组织结构较高，特别是大组织和器官结构的产生中发挥着重要作用。所有组织生长需要建立足够的血管结构。血管主要由血管内皮细胞（endothelial cells，ECs）和周围的平滑肌细胞（smooth muscle cells，SMCs）或周细胞组成。这些特殊组分维持了血管的黏弹性、各向异性等力学特性。EC排列在血管的内表面，其在循环和周围组织之间提供选择性结构屏障，调节血管通透性和血流。血管内皮功能可以通过血流速率、血管直径或动脉力学特性变化来评估，这些特性与血管收缩和舒张活动有关。此外，SMCs是构成血管壁组织和维持血管张力的主要细胞成分。血管SMCs在组织发育过程中，不断暴露于脉动牵张力等力学刺激中，这种力学作用至少在一定程度上促进了血管组织成分的发育。心血管结构或可替代性的改变可以对心脏功能、血管收缩和扩张能力产生重要影响。特别是在病理情况下，了解心血管结构和力学特性的变化是阐明心血管疾病发生的必要条件，因为这些特性是正常心血管功能的关键决定因素。2022年，关于心血管的生物力学与力学生物学研究主要集中在心血管组分、结构和功能方面。在生理或病理条件下，对心脏和血管壁的生物力学特性、血管内的血流动力学参数、以及响应力学刺激后的生物学改变进行了广泛研究。此外，在微流体技术、纳米技术和生物成像技术等新技术的应用以及心血管生物力学建模领域也取得了进步。然而，机体自身存在的复杂力学环境导致体内心血管力学生物学相关的研究较少。因此，体内环境中不同力学条件下心血管损伤修复的力学生物学研究是未来重要的研究方向。1 心血管生物力学研究1.1 心脏结构和功能的生物力学特征心脏具有复杂的三维结构，在整体器官水平上的功能来自于细胞亚结构到整个器官的内在结构-功能的协调作用。然而，对人体心脏结构中细胞生物力学特征的研究还处于早期阶段。在最近的报道中，Chen等[1]通过空间维度剖析了心肌细胞的异质性，并明确了心肌细胞和血管细胞的空间和功能分区。该项研究表明心房或心室内存在明显的空间异质性，为心脏不同分区的功能异质性提供了理论基础。心脏的基本功能是收缩功能，由此产生的收缩力是心脏独特的力学特性。心脏收缩是一种复杂的生物力学过程，需要心肌细胞的收缩和松弛协同作用，产生足够的收缩力，将血液推向体循环和肺循环。以往研究更多的关注心脏的形态结构、心室大小和室壁厚度等因素对心脏收缩功能的影响，而缺乏对心脏收缩功能的直接表征。Salgado-Almario等[2]构建了一种新的斑马鱼品系，可用于斑马鱼心脏收缩期和舒张期钙水平的成像。该研究通过将Ca2+水平和心脏收缩功能关联起来，可实现对收缩功能的表征，有利于心力衰竭和心律失常等疾病病理生理学机制的阐明。此外，在心脏周期中，心脏收缩或舒张引起的血液流动与发育中的心脏壁不断地相互作用，从而调节心脏发育的生物力学环境。因此，确定整个心脏壁的力学特性是十分重要的。Liu等[3]在健康的成年绵羊模型中研究了左心室和右心室的生物力学差异，观察到右心室在纵向上比左心室顺应性强，在周向上比左心室硬，这表明不同心室的力学特性对舒张期血液充盈的影响不同。未来的研究应该根据不同室壁的生物力学原理开发对应的特异性治疗方法。值得注意的是，心脏瓣膜是控制心脏血流的重要组成部分，其力学特征对心脏功能和心脏瓣膜疾病的发展都有重要影响。瓣膜的生物力学特征包括瓣膜的弹性和变形能力等。这些特征可以影响瓣膜的开合和阻力，进而影响心脏血液流动和血液循环。因此，揭示心脏瓣膜的生物力学特性具有重要意义。软组织的力学性能是由其复杂、不均匀的组成和结构所驱动的。在一项二尖瓣小叶组织研究中，Lin等[4]开发了一种具有高空间分辨率的无损测量技术，证明了厚度变化可引起二尖瓣异质性的存在。此外，Klyshnikov等[5]利用数值模拟方法分析了主动脉瓣瓣膜移动性对瓣膜瓣叶装置的应力-应变状态和几何形状的影响，从应力-应变状态分布的角度出发，该研究的仿真方法可以优化心脏瓣膜假体的小叶装置几何形状。由此可见，心脏结构和功能的生物力学特征是多方面因素的综合反映，评估和解析心脏的结构和形状有利于对心脏功能作用的阐明。1.2 血管结构和功能的生物力学特征血管包括心脏的血管和周围的血管系统，这些血管的生物力学特征对心脏功能有重要影响。血管结构取决于血管的类型，其功能可分为血流动力学功能和血管功能两部分。血管的弹性和柔韧性可以影响血管的阻力和血液流动速度，从而影响心脏负荷和排血量。此外，血管的厚度和硬度也会影响血压和血液流动的速度。从生物力学和力学生物学角度去解析血管的结构和功能是目前研究的重要方向。在心血管疾病相关药物的开发中，需要精确定位和分离冠状动脉以测量其动态血管张力变化。然而，如何记录离体血管的动态生物力学特性一直困扰着人们。Guo等[6]建立了一种冠状动脉环张力测量的标准化和程序化方案，通过多重肌电图系统监测冠状动脉环沿血管直径的收缩和扩张功能，确保了生理、病理和药物干预后血管张力记录的真实性。ECs和SMCs是血管结构和功能完整性所必需的主要细胞类型。ECs可调节血管张力和血管通透性，而SMCs负责维持正常的血管张力和结构的完整性。ECs可以分泌多种生物活性物质，如一氧化氮、血管紧张素等，对血管张力和血流动力学产生调节作用。ECs还能响应外部力学刺激，如流体剪切应力和压力变化等，从而改变ECs的形态和功能，影响血管壁的生物力学特征。SMCs可以收缩和松弛，调节血管的管径和血管阻力。除细胞因素外，血管的力学性质还受到血管壁中胶原和弹性蛋白的性质、空间排列等因素的影响。这是因为SMCs是高度可塑性的，它能响应细胞外基质（extracellular matrix，ECM）固有的力学信号。最近的一项研究显示，现有的微血管网络在力学刺激的加入或退出时表现出明显的重塑，并且排列程度出现相应的增加或减少。在这个过程中，纵向张力可导致纤维蛋白原纤维的纵向排列[7]。正是这些细胞和细胞外组分赋予了血管的黏弹性、各向异性等力学特性。总体而言，血管的结构和功能是复杂而多样的，涉及到多种生物力学特性的相互作用。研究血管的生物力学特征可以帮助人们更好地理解血管疾病的发生和发展，为疾病的治疗和预防提供科学依据。1.3 心血管疾病与生物力学关系的研究进展心血管疾病是一类常见的疾病，包括动脉粥样硬化、动脉瘤、心肌梗死等。这些疾病的发生和发展与心血管系统的生物力学特性密切相关。在心血管生物力学与力学生物学领域，近年来对心血管疾病与生物力学关系的研究取得了许多进展。1.3.1动脉粥样硬化的生物力学特征研究动脉粥样硬化是一种常见的动脉疾病，其特征为动脉壁上的脂质沉积和炎症反应，导致血管壁逐渐增厚和失去弹性。动脉粥样硬化的发生和发展是一个复杂的过程，涉及多个生物力学因素的相互作用。在动脉粥样硬化中，SMCs从收缩表型转变为合成表型，而影响SMCs表型变化的因素尚未完全阐明。Swiatlowska等[8]发现基质硬度（stiffness）和血流动力学压力（pressure）变化对SMCs表型具有重要影响。在动脉粥样硬化发展过程中，在高血压压力与基质顺应性（matrix compliance）共同的作用下，才会导致SMCs完整的表型转换[8]。提高对冠状动脉微结构力学的认识是开发动脉粥样硬化治疗工具和外科手术的基础。虽然对冠状动脉的被动双轴特性已有广泛的研究，但其区域差异以及组织微观结构与力学之间的关系尚未得到充分的表征。Pineda-Castillo等[9]利用双轴测试、偏振光成像和前室间动脉共聚焦显微镜来描述了猪前室间动脉近端、内侧和远端区域的被动双轴力学特性和微结构特性，为冠状动脉旁路移植术中吻合部位的选择和组织工程化血管移植物的设计提供指导。动脉粥样硬化斑块的破裂是引起患者死亡的主要原因；但目前尚不清楚这种异质的、高度胶原化的斑块组织的破裂机制，以及破裂发生与组织的纤维结构之间的关系。为了研究斑块的非均质结构和力学性质，Crielaard等[10]研制了力学成像管道（见图1）。通过多光子显微镜和数字图像相关分析，这条实验管道能够关联局部主要角度和胶原纤维取向的分散度、断裂行为和纤维斑块组织的应变情况。这为研究人员更好地了解、预测和预防动脉粥样硬化斑块破裂提供了帮助。图1 在拉伸测试过程中斑块组织样本中的破裂起始和扩展[10]除SMCs以外，最近的一项研究揭示了动脉粥样硬化中ECs表面力学性质的变化。Achner等通过基于原子力显微镜的纳米压痕技术发现内皮/皮层僵硬度的增加[11]。事实上，内皮功能障碍在血管硬化中的作用一直是一个重要的研究方向。ECs的可塑性在动脉粥样硬化的进展中起关键作用，暴露于扰动、振荡剪切应力区域的内皮细胞功能障碍是动脉粥样硬化的重要驱动因素[12]。由此可见，未来的研究如能进一步明确ECs和SMCs对血管硬化相关心血管疾病的贡献，则可能为恢复动脉粥样硬化中的血管内皮和平滑肌功能提供重要的靶点。1.3.2动脉瘤的生物力学特征研究主动脉SMCs在维持主动脉机械动态平衡方面起着至关重要的作用。动脉瘤主动脉的SMCs表型受到力学因素的影响，但是主动脉瘤中SMCs的骨架硬度的改变情况缺乏相关的数据。Petit等[13]以附着在不同基质硬度上的动脉瘤或健康SMCs为对象，通过原子力显微镜纳米压痕技术研究了细胞骨架硬度的区域差异性。该研究结果表明，动脉瘤SMCs和正常SMCs的平均硬度分布分别为16、12 kPa；然而，由于原子力显微镜纳米压痕硬度检测值的大量分散，两者之间的差异没有统计学意义。在腹主动脉瘤中，Qian等[14]采用基于超声波镊（ultrasonic tweezer）的微力学系统探究了SMCs的力学特性（见图2）。结果发现，动脉瘤病理发展中细胞骨架的变化改变了SMCs的细胞膜张力，从而调节了它们的力学特性。图2 基于超声波镊的微力学系统检测腹主动脉瘤中SMC的力学特性[14]a使用超声波激发微泡通过整合素结合到PDMS微柱阵列上的SMCs膜上的微力学系统示意图；b基于微柱的力学感受器和单细胞的超声波镊系统示意图二尖瓣主动脉瓣经常与升胸主动脉瘤相关，但目前尚不清楚瓣尖融合模式对生物力学和升胸主动脉瘤微观结构的影响。Xu等[15]通过双向拉伸试验对具有左右瓣尖融合以及右冠窦和无冠窦瓣尖融合的升胸主动脉瘤的力学行为进行了表征。此外，将材料模型与双轴实验数据进行拟合，得到模型参数，并使用组织学和质量分数分析来研究升胸主动脉瘤组织中弹性蛋白和胶原的基本微观结构和干重百分比。其结果发现，两种瓣尖融合模式对双轴加载表现出非线性和各向异性的力学响应；在弹性性能方面，左右瓣尖融合的弹性性能劣化得更严重。由此可见，心血管结构自身生物力学特性的改变可能对动脉瘤的进展有很大影响。然而，主动脉血流动力学对升主动脉瘤动脉壁特性的影响尚不清楚。在最近的一项研究中，McClarty等[16]探究了升主动脉瘤血流动力学与主动脉壁生物力学特性的关系。其结果发现，血管壁的剪切应力与动脉壁黏弹性滞后和分层强度的局部退化有关，血流动力学指标可以提供对主动脉壁完整性的深入了解。因此，从血管自身结构特性以及血流动力学两方面探究动脉瘤的形成机制具有重要意义。1.3.3 心肌梗死的生物力学特性研究心肌梗死是心肌细胞死亡的结果，通常是由于冠状动脉阻塞引起的。心肌梗死可导致心力衰竭并降低射血分数。生物力学研究发现，冠状动脉阻塞会导致心肌的缺血和再灌注损伤，这些过程涉及血流动力学和细胞力学等因素。在体循环过程中，心肌梗死后的血流动力学改变如何参与并诱导心力衰竭的病理进展尚未完全阐明。Wang等[17]采用冠状动脉结扎术建立了Wistar雄性大鼠心肌梗死模型。术后3、6周分别对左心室和外周动脉进行生理和血流动力学检测，计算左心室肌纤维应力，并进行外周血流动力学分析。结果表明，心肌梗死明显损害心功能和外周血流动力学，并改变相应的心壁和外周动脉壁的组织学特性，且随时间延长而恶化。综上所述，心功能障碍和血流动力学损害的相互作用加速了心梗引起的心衰的进展。急性心肌梗死后，左室游离壁发生重塑，包括细胞和细胞外成分的结构和性质的变化，使整个左室游离壁具有不同的模式。心脏的正常功能受到左心室的被动和主动生物力学行为的影响，进行性的心肌结构重构会对左心室的舒缩功能产生不利影响。在这个过程中，左心室游离壁形成纤维性瘢痕。尽管在心肌梗死背景下对左室游离壁被动重构的认识取得了重要进展，但左室游离壁主动属性的异质性重构及其与器官水平左心功能的关系仍未得到充分研究。Mendiola等[18]开发了心肌梗死的高保真有限元啮齿动物计算心脏模型，并通过仿真实验预测梗死区的胶原纤维跨膜方向对心脏功能的影响（见图3）。结果发现，收缩末期梗死区减少的及潜在的周向应变可用于推断梗死区的时变特性信息。这表明对局部被动和主动重构模式的详细描述可以补充和加强传统的左室解剖和功能测量。图3 代表性的啮齿动物心脏计算模型在心肌梗死后不同时间点的短轴和长轴截面显示收缩末期的周向、纵向和径向应变[18]上述研究表明，心脏疾病的发生和发展与心脏结构和功能的生物力学特征密切相关。任何影响心脏收缩和舒张过程的因素，都可能调控心脏的泵血功能和心脏负荷。这些因素可以影响心脏收缩的能力、心肌细胞的代谢和血流动力学参数，从而影响心脏的整体功能和疾病的进展。总之，通过深入研究这些生物力学特征，可以为心血管疾病的诊断和治疗提供重要的理论和实践基础。2 力学生物学在心血管细胞水平上的研究进展2.1 ECs水平上的研究进展细胞的凋亡、通讯和增殖异常等表型变化是心血管疾病的一个重要机制。通过力学生物学的方法，研究人员可以模拟不同的细胞应力环境，探索细胞生长和凋亡的调控机制，并研究细胞在受外界力学刺激作用下的反应。由于ECs直接暴露于血流中，因此ECs表型变化的力学生物学机制一直是心血管领域的研究热点之一。紊乱扰动的血流改变了ECs的形态和细胞骨架，调节了它们的细胞内生化信号和基因表达，从而导致血管ECs表型和功能的改变。在颈动脉结扎产生的动脉粥样硬化模型中，Quan等[24]研究发现，在人和小鼠动脉和ECs的振荡剪切应力暴露区，内皮MST1的磷酸化被明显抑制。该研究揭示，抑制MST1-Cx43轴是振荡剪切应力诱导的内皮功能障碍和动脉粥样硬化的一个基本驱动因素，为治疗动脉粥样硬化提供了一个新的治疗目标。另外一项研究从表观修饰角度探究了剪切应力对ECs功能的影响[20]。Qu等[20]研究显示，层流切应力通过增加内皮细胞CX40的表达而诱导TET1s的表达，从而保护血管内皮屏障，而TET1s过表达则可能是治疗振荡剪切应力诱导的动脉粥样硬化的关键步骤。另一方面，病理性基质硬度可使ECs 获得间充质特征[21]。动脉生成（arteriogenesis）在维持足够的组织血供方面起着关键作用，并且与动脉闭塞性疾病的良好预后相关，但涉及动脉生成的因素尚不完全清楚。Zhang等[22]研究发现，在动脉阻塞性疾病中，KANK4将 VEGFR2偶联到 TALIN-1，从而导致VEGFR2活化和EC增殖的增加。

安捷伦科技公司授出心血管代谢疾病转化研究基金美国杜克大学 Christopher Newgard 博士的团队采用安捷伦平台对疾病机制展开深入研究 2014 年 1 月 13 日，北京 — 安捷伦科技公司（纽约证交所代码：A）今日宣布向新成立的美国杜克大学分子生理学研究所（DMPI）授予研究基金。DMPI 研究团队目前正在使用安捷伦的整合生物学解决方案深入研究主要慢性疾病（如，心血管疾病）的代谢和生理学机制。 DMPI 团队的负责人是 Christopher Newgard 博士，他在美国杜克大学医学院药理学和癌症生物学系担任教授，同时担任 Sarah W. Stedman 营养及代谢研究中心和分子生理学研究所的主任。 Newgard 博士说：“杜克分子生理学研究所致力于将强大的基因组学、表观基因组学、转录组学和代谢组学平台与计算生物学、临床转化医学和基础科学经验相融合，以深入研究心血管代谢疾病的机制，我们衷心感谢安捷伦在研究方面给予的支持，并且十分期待与他们的进一步合作，推进心血管疾病和未确诊代谢疾病的深入研究。” Newgard 博士的生物学通路研究以 Agilent GC/MS、三重四极杆 LC/MS 和四极杆飞行时间 LC/MS 系统，以及带化学工作站功能的 MassHunter 工作站等软件为基础，辅以 Agilent-Fiehn GC/MS 代谢组学 RTL 谱库和使用 METLIN 个人代谢物数据库和谱库的 MassHunter 定性软件。安捷伦的 GeneSpring GX 软件、Mass Profiler Pro 和 Pathway Architect 将在数据集成和通路导向解析方面发挥重要作用。 “我们很高兴能够为杜克大学 Newgard 博士和他的团队在开创性转化医学研究领域提供支持，”目前正在与该团队紧密协作的安捷伦“组学应用”主管 Steve Fischer 说道，“他们将拥有整合不同“组学数据”的强大功能，深入研究复杂疾病机制并查明之前不为人知的疾病表型通路。此外，我们的解决方案还将帮助他们更快速地了解心血管代谢疾病的复杂过程，从而更快速地开发治疗方案。” “我们在将整合方案应用于解决心血管代谢疾病之类的重要健康问题方面拥有强大的技术基础，”安捷伦整合生物学总监 Leo Bonilla 补充道，“所以，我们非常期待能够为 Newgard 博士在杜克进行的开创性研究提供进一步支持。”关于安捷伦科技公司的大学事务 安捷伦在支持全球高等教育和研究方面发挥着积极作用。要了解有关最新研究合作、研究工具、教育支持、顶尖大学人才招募和慈善机构的详细信息，请访问：安捷伦大学事务。关于安捷伦整合生物学解决方案 安捷伦科技公司为研究者们提供了涵盖所有四门主要“组学”学科的分析产品。这些组合式硬件/软件和信息学解决方案正在推动新一代生物学通路的多组学研究，并且获得了与药物响应、耐药性、诊断标志物和基础疾病/毒理学途径相关的重要信息。有关安捷伦整合生物学解决方案整套产品的更多信息，请访问 http://biology.chem.agilent.com。关于安捷伦科技公司 安捷伦科技公司（NYSE：A) 是全球领先的测试测量公司，同时也是化学分析、生命科学、诊断、电子和通信领域的技术领导者。公司拥有 20600 名员工，遍及全球 100 多个国家，为客户提供卓越服务。在 2013 财年，安捷伦的净收入达到 68 亿美元。如欲了解关于安捷伦的详细信息，请访问：www.agilent.com.cn。 2013 年 9 月 19 日，安捷伦宣布将通过对旗下电子测量公司进行免税剥离，分拆为两家上市公司的计划。分拆后电子测量公司名字为是德科技 (Keysight Technologies, Inc.)，此次分拆预计将于 2014 年 11 月初完成。 更多有关安捷伦科技公司的技术、企业社会责任和行政新闻，请访问安捷伦新闻网站：www.agilent.com.cn/go/news。