軟組織的力學(xué)特性通常與多種疾病的進(jìn)展密切相關(guān)，例如骨關(guān)節(jié)炎、纖維化和癌癥等。這些軟組織中的病理變化被認(rèn)為源于分子尺度，并逐漸演變到更高層次的細(xì)胞和組織尺度，最終導(dǎo)致軟組織和器官功能的喪失。盡管梗塞的心臟組織與其靜態(tài)力學(xué)特性之間的關(guān)聯(lián)性已逐漸得到研究，但對(duì)心肌梗塞進(jìn)展過程中心臟組織的動(dòng)態(tài)力學(xué)特性仍知之甚少。通過準(zhǔn)確描繪心臟組織在梗塞過程中的力學(xué)變化，提煉可用于追蹤疾病進(jìn)展的力學(xué)指標(biāo)將具有重要意義。
為了探索心肌梗塞進(jìn)程中心臟組織流變學(xué)特性的細(xì)微變化，西安交通大學(xué)徐光魁教授團(tuán)隊(duì)，采用原子力顯微鏡-微流變測試技術(shù)研究了心肌梗塞不同階段（早期、中期和晚期）的心臟組織流變學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)它們都具有雙段的標(biāo)度律粘彈性特性，且標(biāo)度律指數(shù)與疾病進(jìn)程密切相關(guān)。進(jìn)一步，發(fā)展了自相似的多級(jí)結(jié)構(gòu)理論模型，表征了心臟組織從亞細(xì)胞到組織尺度的力學(xué)性能，給出了多尺度的力學(xué)新指標(biāo)，并探索了這些新力學(xué)指標(biāo)在心肌梗塞疾病進(jìn)展過程中的應(yīng)用（圖1）。
圖 1 基于實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的雙階段冪律流變學(xué)行為和自相似多級(jí)結(jié)構(gòu)理論提煉的力學(xué)新指標(biāo)，用于追蹤心肌梗塞病變進(jìn)程的精準(zhǔn)評(píng)估
普遍的雙階段冪律流變學(xué)行為
軟組織通常表現(xiàn)出獨(dú)特的非線性和粘彈性力學(xué)特性，這些力學(xué)行為會(huì)隨著各類疾病和癌癥的發(fā)生而產(chǎn)生復(fù)雜的變化，從而影響人體正常的生理功能。研究人員利用原子力顯微鏡-微流變測試技術(shù)，對(duì)不同程度的心臟梗塞局部組織進(jìn)行了力學(xué)分析（圖2）。令人驚訝的是，在不同病變階段，心臟組織在不同的時(shí)間尺度上呈現(xiàn)出普遍的雙階段冪律流變學(xué)行為，而這種特殊的流變學(xué)行為之前僅在單個(gè)細(xì)胞和細(xì)胞核中被發(fā)現(xiàn)過。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，在心肌梗塞初期（第一周），心臟組織在短時(shí)間尺度（0.01 - 0.1秒）和長時(shí)間尺度（1 - 10 秒）上分別對(duì)應(yīng)的兩個(gè)冪律指數(shù)αshort和αlong均顯著減小，這揭示了實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的冪律指數(shù)可以捕捉到心肌梗塞初期心臟組織不明顯的流變學(xué)變化，從而使其特別適合作為心肌梗塞早期診斷的力學(xué)標(biāo)志物。此外，研究人員認(rèn)為這種普適的雙階段冪律流變學(xué)行為可能存在于各類軟組織中，其對(duì)應(yīng)的冪律指數(shù)可以簡潔高效地描述軟組織在疾病進(jìn)程中流變學(xué)行為變化規(guī)律。
圖 2 心肌梗塞進(jìn)程和雙階段冪律流變學(xué)變化
適用于精準(zhǔn)追蹤心肌梗塞進(jìn)程的多尺度力學(xué)指標(biāo)
盡管現(xiàn)有的心電圖和特定生物標(biāo)志物檢測方法已經(jīng)被廣泛用于心肌梗塞的臨床診斷，但如何快速、準(zhǔn)確且定量地評(píng)估心肌梗塞的疾病進(jìn)程仍然具有挑戰(zhàn)性。這也限制了心肌梗塞這一人類重大健康問題的精準(zhǔn)診斷和預(yù)后；谲浗M織的多級(jí)結(jié)構(gòu)特征，研究人員發(fā)展了一個(gè)自相似的多級(jí)理論用于表征心肌梗塞過程中心臟組織從亞細(xì)胞，細(xì)胞到組織尺度的力學(xué)性能逐漸變化的規(guī)律（圖3）。通過理論計(jì)算，發(fā)現(xiàn)隨著心肌梗塞疾病的發(fā)展，心臟細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)的粘性（η）和彈性模量（Ε1），細(xì)胞骨架的彈性模量（Ε2）、細(xì)胞外基質(zhì)橫向膨脹模量（Ε3）和心臟組織中各個(gè)力學(xué)參數(shù)的分布模式（即單峰或者雙峰分布）都發(fā)生了不同程度的變化。
圖 3自相似多級(jí)結(jié)構(gòu)理論計(jì)算的新力學(xué)指標(biāo)隨心肌梗塞病變進(jìn)程的變化
如圖4所示，經(jīng)過評(píng)估后發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)中得到的冪律指數(shù)（即αshort和αlong）在心肌梗塞早期診斷中表現(xiàn)出色，而不同組織層級(jí)的力學(xué)參數(shù)在跟蹤心肌梗塞中期和晚期時(shí)顯示出更卓越的能力。這些參數(shù)可作為新的力學(xué)標(biāo)記物，用于追蹤心肌梗塞疾病進(jìn)程中心臟組織流變特性的細(xì)微變化，此外，這些力學(xué)標(biāo)志物的應(yīng)用可能進(jìn)一步擴(kuò)展到其他軟組織，例如癌癥診斷、疾病進(jìn)展與預(yù)后的定量評(píng)估，以及生物醫(yī)學(xué)材料設(shè)計(jì)等。
圖 4 適用于心肌梗塞各階段診斷的力學(xué)標(biāo)志物
以上研究成果以“New mechanical markers for tracking the progression of myocardial infarction”為題于8月14日發(fā)表在《Nano Letters》上。文章第一作者為西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院助理教授暢茁，通訊作者是西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院徐光魁教授。徐光魁教授主要研究方向?yàn)榛钚圆牧狭W(xué)、多尺度力學(xué)，在細(xì)胞、細(xì)胞群體、軟組織等不同尺度上探究活性材料的變形與運(yùn)動(dòng)機(jī)制。近些年，在細(xì)胞尺度發(fā)表相關(guān)工作在《Nature Communications》(2021, 12: 6067)、《Science Advances》(2022, 8: eabn6093)、《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》(2020, 137: 103872; 2022, 167: 104989)、《Biophysical Journal》(2016, 111: 1478; 2018, 114: 701) 、《Acta Mechanica Sinica》(2022, 38, 222006)等期刊；在細(xì)胞群體尺度發(fā)表相關(guān)工作在《Advanced Science》(2022, 9: 2105179)、《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》（2022, 169: 105077; 2023, 177: 105327）、《Biophysical Journal》(2022, 121: 1931; 2022, 121: 4091)等期刊，在軟組織尺度發(fā)表相關(guān)工作在《Nano Letters》(本工作)、《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》（2021, 147: 104280）、《ACS Nano》（2016, 10, 4695; 2017, 11, 721; 2019, 13, 12062）、《Acta Mechanica Sinica》(2023, 39, 623129)等期刊。這些研究得到了國家自然科學(xué)基金青年基金、面上項(xiàng)目、優(yōu)秀青年科學(xué)基金等資助。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01712
