退行性主動(dòng)瓣疾病(degenerative aortic valve disease，DAVD)是老年退行性心臟瓣膜病的最常見類型，表現(xiàn)為瓣膜彈性減低、瓣膜增厚及鈣化斑塊形成引起瓣膜關(guān)閉不全甚至狹窄。其發(fā)病率呈增長趨勢，已成為老年人心力衰竭、心律失常、暈厥及猝死的主要原因之一[1]。

病理學(xué)研究顯示:早期DAVD的病變機(jī)制與動(dòng)脈粥樣硬化相類似，即主動(dòng)脈瓣葉表面的內(nèi)皮細(xì)胞層遭到破壞之后，淋巴細(xì)胞和巨噬細(xì)胞等炎性細(xì)胞浸潤，導(dǎo)致瓣膜內(nèi)脂質(zhì)的沉積及炎性細(xì)胞因子釋放，造成瓣膜間質(zhì)細(xì)胞增生、活化和細(xì)胞外基質(zhì)的重構(gòu)，導(dǎo)致瓣膜鈣化受損[2]，長期的瓣膜受損可引起主動(dòng)脈瓣的關(guān)閉不全和狹窄。而主動(dòng)脈瓣狹窄易引起局部血流速度的增加形成湍流，這種血流的紊亂又可加重該疾病發(fā)展。近年來研究表明，主動(dòng)脈瓣及其支架長期受血流沖擊、磨損、機(jī)械力作用是促進(jìn)其鈣化的重要因素。因此了解血流動(dòng)力學(xué)對(duì)主動(dòng)脈瓣的影響能使我們更好的理解退行性主動(dòng)脈瓣疾病的發(fā)展，并對(duì)如何干預(yù)其過程提供更多依據(jù)。

1主動(dòng)脈瓣的結(jié)構(gòu)及功能

主動(dòng)脈瓣由三個(gè)半月瓣（左冠瓣、右冠瓣、無冠瓣）構(gòu)成，相鄰瓣膜基底部的兩端互相交織處， 形成主動(dòng)脈瓣聯(lián)合。主動(dòng)脈瓣環(huán)位于主動(dòng)脈瓣的基底部的附著處， 由三個(gè)弧形環(huán)連接而成。瓣膜相對(duì)的動(dòng)脈壁向外膨出， 瓣膜與動(dòng)脈壁之間的空腔稱主動(dòng)脈竇。每個(gè)主動(dòng)脈瓣葉包含了三層結(jié)構(gòu)，從主動(dòng)脈方向往心室方向依次被命名為纖維層，松質(zhì)層和心室層。纖維層主要由環(huán)向排列的膠原蛋白纖維束組成，使瓣葉最外層呈波紋狀，在心臟舒張時(shí)能得到最大的舒展；松質(zhì)層主要成分為氨基葡聚糖，這種成分可以吸收水分，對(duì)瓣葉運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的沖擊力起到了很好的緩沖作用。心室層主要由徑向排列的彈性蛋白纖維組成，使瓣葉能重復(fù)地開啟關(guān)閉，同時(shí)也為纖維層提供反沖張力，使纖維層在伸展后能恢復(fù)波紋形狀[3]。

主動(dòng)脈瓣瓣葉細(xì)胞成分有兩種：內(nèi)皮細(xì)胞和間質(zhì)細(xì)胞。內(nèi)皮細(xì)胞位于瓣葉表面，環(huán)向排列并垂直于血流方向，可合成ET-1和NO等血管活性物質(zhì)。間質(zhì)細(xì)胞是瓣膜的主要細(xì)胞，對(duì)瓣膜的正常功能和瓣膜病的發(fā)生、發(fā)展起著重要作用，可以合成膠原蛋白、葡聚糖和彈性蛋白三種細(xì)胞外基質(zhì)。間質(zhì)細(xì)胞有三種表型：平滑肌細(xì)胞型、成肌纖維細(xì)胞型和成纖維細(xì)胞型。間質(zhì)細(xì)胞表型的變化受到其周圍血流動(dòng)力學(xué)的影響。正常瓣膜間質(zhì)細(xì)胞呈梭形，表達(dá)波形蛋白和少量的α-平滑肌肌動(dòng)蛋白，不表達(dá)成骨標(biāo)志物堿性磷酸酶。瓣葉的力學(xué)性能主要由彈性蛋白纖維和膠原蛋白纖維表現(xiàn)，通過兩者協(xié)調(diào)的生物機(jī)械運(yùn)動(dòng)，使瓣葉在其運(yùn)動(dòng)循環(huán)周期內(nèi)得到最大的形變。瓣葉開啟時(shí)，彈性蛋白纖維被拉伸，膠原蛋白纖維處于被壓縮狀態(tài)；瓣葉閉合時(shí)，膠原蛋白伸展，應(yīng)力負(fù)荷從彈性蛋白纖維轉(zhuǎn)移到膠原蛋白纖維[4]。

2主動(dòng)脈的血流動(dòng)力學(xué)

主動(dòng)脈瓣是位于左心室和主動(dòng)脈之間的半月瓣，它調(diào)整著左心室與主動(dòng)脈之間的血液的單向流動(dòng)，同時(shí)最大限度地提高流量和減少流動(dòng)的阻力。在健康個(gè)體中，血液通過主動(dòng)脈瓣的流速峰值可達(dá)1.35m/s[5]。收縮末期瓣膜關(guān)閉伴有很少的血流通過主動(dòng)脈瓣返流回左心室。在收縮期，血流在主動(dòng)脈竇里形成渦流，渦流的形成使主動(dòng)脈瓣得到一個(gè)有效的快速關(guān)閉。主動(dòng)脈瓣經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境比較復(fù)雜，包括血流剪切應(yīng)力、壓力、拉伸力和彎曲力。這些力學(xué)變化引起了大量的生物反應(yīng)，包括基因的表達(dá)，蛋白質(zhì)的活化和瓣膜間質(zhì)細(xì)胞表型的變化，從而調(diào)節(jié)著主動(dòng)脈瓣的組織結(jié)構(gòu)。

2.1流體剪切力的影響血流剪切力是指血液作用于單位面積血管內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力，其大小與管壁的順應(yīng)性、管徑、流速和黏滯度相關(guān)。管徑越大，流速越低，剪切力越小， 反之則相反。主動(dòng)脈瓣上的剪切力取決于血液經(jīng)過瓣膜時(shí)的血流狀況以及瓣葉的循環(huán)運(yùn)動(dòng)。心室收縮時(shí)血液流經(jīng)主動(dòng)脈瓣葉心室面，此時(shí)剪切力作用于心室層面，心室舒張期，血液匯聚于主動(dòng)脈竇，剪切力作用于瓣葉的纖維層面。剪切力由內(nèi)皮細(xì)胞感知，并將此信號(hào)傳遞到細(xì)胞外基質(zhì)及間質(zhì)細(xì)胞，不同的剪切力模式可引起內(nèi)皮細(xì)胞不同的反應(yīng)[6]。瓣葉不同層面的剪切力大小和性質(zhì)有很大的差別。Yap等[7]通過使用激光多普勒流速計(jì)對(duì)主動(dòng)脈瓣的纖維層和心室層進(jìn)行剪切力測定發(fā)現(xiàn)，瓣膜纖維層所受剪切力水平遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于心室層面，其本質(zhì)為震蕩剪切力，瓣葉心室層面所受剪切力為高水平層切力。由于纖維層與心室層所受剪切力的性質(zhì)和大小不同，從而影響了這兩層間細(xì)胞基因表達(dá)的不同[8]，瓣葉纖維層面的保護(hù)性標(biāo)志物如骨保護(hù)素、甲狀旁腺素、C型利鈉肽、骨形態(tài)形成蛋白拮抗劑等的表達(dá)相對(duì)較少，因此主動(dòng)脈瓣的纖維層更易發(fā)生病變。研究表明，當(dāng)剪切力變化時(shí)，瓣葉纖維層炎癥標(biāo)志物如：血管細(xì)胞粘附分子-1、細(xì)胞間粘附分子、轉(zhuǎn)化生子因子-β1、BMP-2的表達(dá)比心室層明顯上升[9]。這些標(biāo)志物在瓣葉纖維層的特定表達(dá)表明了瓣膜的鈣化往往優(yōu)先發(fā)生于瓣葉的纖維層。剪切力可導(dǎo)致瓣膜間質(zhì)細(xì)胞表型的變化，Butcher JT等[10]將豬主動(dòng)脈瓣膜間質(zhì)細(xì)胞在穩(wěn)定剪切力下進(jìn)行培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，瓣膜間質(zhì)細(xì)胞呈現(xiàn)相對(duì)激活狀態(tài)， 高表達(dá)α-平滑肌肌動(dòng)蛋白（SMA）和成骨標(biāo)志物堿性磷酸酶活性明顯升高，表型向收縮表型和成骨表型轉(zhuǎn)化。而研究表明，間質(zhì)細(xì)胞的這種表型變化可能為瓣膜鈣化的病理基礎(chǔ)。當(dāng)瓣膜間質(zhì)細(xì)胞與瓣膜內(nèi)皮細(xì)胞共培養(yǎng)時(shí)可顯著降低間質(zhì)細(xì)胞鈣沉積，減弱鈣化間質(zhì)細(xì)胞收縮能力，并下調(diào)α-平滑肌肌動(dòng)蛋白表達(dá)，降低堿性磷酸酶活性，抑制骨鈣素等表達(dá)，使激活的間質(zhì)細(xì)胞呈靜息狀態(tài)，緩解鈣化。其機(jī)制可能在于內(nèi)皮細(xì)胞抑制間質(zhì)細(xì)胞的激活表型變化，使間質(zhì)細(xì)胞呈現(xiàn)相對(duì)靜息狀態(tài)?；|(zhì)金屬蛋白酶和組織蛋白酶在各類組織重塑中發(fā)揮著重要作用，而且往往在主動(dòng)脈瓣病變的早期表達(dá)[11]。Platt MO等[12]體外研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定的層流剪應(yīng)力能降低組織蛋白酶L活性和組織蛋白L的表達(dá)，由于組織蛋白酶L的功能是降解膠原蛋白，導(dǎo)致膠原蛋白含量增加，從而使細(xì)胞外基質(zhì)的合成與降解之間形成新的動(dòng)態(tài)平衡。

2.2壓力的影響在體內(nèi)，作用于主動(dòng)脈瓣上的壓力隨心室的收縮和舒張而周期性變化，壓力的改變可引起瓣葉長度的改變。正常生理?xiàng)l件下，收縮期瓣膜所受跨瓣壓差很小只有幾毫米汞柱，隨著主動(dòng)脈瓣狹窄程度的增加收縮期跨瓣壓可達(dá)40mmHg。在舒張期，閉合的主動(dòng)脈瓣受到的垂直跨瓣壓差約80-90毫米汞柱，高血壓時(shí)，跨瓣壓差可達(dá)180~200mmHg[13]。該壓力由瓣葉的膠原纖維層所支撐并被傳送到間質(zhì)細(xì)胞內(nèi)。高血壓在主動(dòng)脈瓣狹窄的初始階段起著重要作用，研究發(fā)現(xiàn)，有癥狀的主動(dòng)脈瓣狹窄的患者中有1/3患有高血壓[14]。壓力的升高增加了瓣葉的機(jī)械應(yīng)力，可導(dǎo)致細(xì)胞功能障礙、炎癥及細(xì)胞外基質(zhì)的重構(gòu)[15]。研究表明，壓力的升高，可增加膠原蛋白的合成，降低α-平滑肌肌動(dòng)蛋白的表達(dá)[16]，抑制間質(zhì)細(xì)胞表型的活化。波形蛋白由間質(zhì)細(xì)胞產(chǎn)生，是一種保護(hù)性的細(xì)胞骨架成分，高壓力可引起波形蛋白的減少，從而降低瓣膜的保護(hù)機(jī)能。高血壓壓力下可增加膠原蛋白的合成， 顯著降低組織蛋白酶L的活性，輕度抑制基質(zhì)金屬蛋白酶的2/9活性，從而導(dǎo)致了細(xì)胞外基質(zhì)的重構(gòu)，引起瓣膜增厚及鈣化[17]。Warnock等研究發(fā)現(xiàn)，壓力的升高可增加血管細(xì)胞粘附分子-1表達(dá)，誘發(fā)炎癥反應(yīng)[18]。因此高血壓在主動(dòng)脈瓣鈣化的病理過程中起著重要作用。

2.3循環(huán)拉伸力的影響拉伸力是主動(dòng)脈瓣所經(jīng)受的力量之一，它可以使主動(dòng)脈瓣的瓣葉拉伸，在舒張期與另外兩個(gè)瓣尖緊密結(jié)合。正常生理?xiàng)l件下，在舒張期主動(dòng)脈瓣葉大約可伸展10％，隨著年齡的增長瓣葉組織可伸展性隨之降低。其原因可能是由于膠原原纖維的不斷形成增加了部分纖維的直徑，使瓣葉組織的順應(yīng)性降低，因此要產(chǎn)生相同的伸展，將需要更大的拉伸力。Batten等報(bào)道拉伸力的增大可上調(diào)間質(zhì)細(xì)胞中膠原的合成，減少氨基葡聚糖的含量并使間質(zhì)細(xì)胞向收縮表型轉(zhuǎn)換[19]。瓣膜間質(zhì)細(xì)胞通過合成膠原來改變瓣膜的剛度來適應(yīng)其受到的拉伸力，而瓣膜的剛度對(duì)瓣膜鈣化有重要調(diào)節(jié)作用[20]。Sucosky等[21]研究發(fā)現(xiàn)，拉伸力的增加可上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶和組織蛋白酶S/K的活性，降低金屬蛋白酶組織抑制劑的活性。FerdousZ[22]等通過用組織工程將人主動(dòng)脈瓣膜間質(zhì)細(xì)胞在特定設(shè)計(jì)的生物反應(yīng)器中培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，在非生理性的循環(huán)拉伸力下，成骨蛋白（BMP）- 2、BMP-4以及轉(zhuǎn)化生子因子-β1的表達(dá)上升，研究表明，成骨蛋白與轉(zhuǎn)化生子因子-β1均參與了主動(dòng)脈瓣鈣化過程。因此拉伸力對(duì)主動(dòng)脈瓣的鈣化起著重要調(diào)節(jié)作用。

2.4 彎曲應(yīng)力的影響彎曲應(yīng)力是拉伸力和壓縮應(yīng)力的共同作用形成的。拉伸力對(duì)瓣膜的影響較大，壓縮力的影響較小。Thubrikar等利用不透X射線的物質(zhì)置于主動(dòng)脈瓣瓣葉， 在X線透視下觀察瓣葉的彎曲度， 通過計(jì)算瓣葉的應(yīng)力分布， 發(fā)現(xiàn)瓣葉與瓣環(huán)結(jié)合處彎曲應(yīng)力最大， 這與臨床病例瓣膜易鈣化的部位一致。

3結(jié)語

血流與瓣膜組成了一個(gè)耦合系統(tǒng)， 血流動(dòng)力學(xué)作用于瓣膜， 而瓣膜的變形反過來又影響流體的力學(xué)特性，因此將瓣膜和血流動(dòng)力學(xué)作為一個(gè)耦合系統(tǒng)進(jìn)行研究才是更合理的。外科手術(shù)治療是對(duì)退行性心臟瓣膜病進(jìn)行根治的唯一方法，手術(shù)方式主要包括瓣膜成形術(shù)及瓣膜置換術(shù)。因此，了解心臟瓣膜的血流動(dòng)力學(xué)特征對(duì)瓣膜病病理和病理生理的探索、瓣膜手術(shù)的設(shè)計(jì)、術(shù)后遠(yuǎn)期療效以及人工心臟瓣膜的研制均有重要意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]Otto CM，Lind BK ，Kitzman DW，et al. Association of aortic valve sclerosis with cardiovascular mortality and morbidity in the elderly[J]. N Engl J Med ，1999 ，341 (3):142-147.

[2]Kaden JJ，Dempfle CE，Grobholz R，et a1．Inflammatory regulation of extracellular matrix remodeling in calcific aortic valve stenosis[J]．Cardiovasc Pathol，2005，14(2)：80—87．

[3]Sacks， M. S.， W. David Merryman， and D. E. Schmidt.On the biomechanics of heart valve function[J]. J Biomech，2009，42(12):1804–1824.

[4]Butcher JT， Simmons CA， Warnock JN. Mechanobiology of the aortic heart valve[J].J Heart Valve Dis 2008，17(1):62-73.

[5]Otto CM. Evaluation and management of chronic mitral regurgitation[J].New England Journal of Medicine， 2001，345(10):740–746.

[6]Mazzag， B.， and A. Barakat. The effect of noisy flow on endothelial cell mechanotransduction: a computational study[J]. Ann. Biomed. Eng，2011， 39(2): 911–921.

[7]Yap， C.， N. Saikrishnan， G. Tamilselvan， and A. Yoganathan .Experimental measurement of dynamic fluid shear stress on the aortic surface of the aortic valve leaflet[J].Biomech Model Mechanobiol， 2012， 11(1-2): 171–182.

[8]Simmons， C. A.， G. R. Grant， E. Manduchi， and P. F.Davies. Spatial heterogeneity of endothelial phenotypes correlates with side-specific vulnerability to calcification in normal porcine aortic valves[J]. Circ Res，2005，96(7):792–799.

[9]Freeman，R. V.，and C. M. Otto. Spectrum of calcific aortic valve disease: pathogenesis， disease Progression ， and treatment strategies[J]. Circulation， 2005，111(24):3316–3326.

[10]Butcher JT， Nerem RM. Valvular endothelial cells regulate the phenotype of interstitial cells in co-culture: effects of steady shear stress[J].Tissue Eng，2006，12(4):905–915.

[11]Otto CM. Calcific aortic stenosis—Time to look more closely at the valve[J].New England Journal of Medicine，2008，359(13):1395–1398.

[12]Platt MO， Xing Y， Jo H， Yoganathan AP. Cyclic pressure and shear stress regulate matrix metalloproteinases and cathepsin activity in porcine aortic valves[J].Journal of Heart Valve Disease ， 2006， 15(5):622–629.

[13]Xing， Y.， J. N. Warnock， Z. He， S. L. Hilbert， and A. P.Yoganathan. Cyclic pressure affects the biological properties of porcine aortic valve leaflets in a magnitude and frequency dependent manner[J]. Ann Biomed Eng，2004，32(11):1461–1470.

[14]Antonini-Canterin， F.， G. Huang， E. Cervesato， P. Faggiano，D. Pavan， R. Piazza， et al. Symptomatic aortic stenosis: does systemic hypertension play an additional role[J]? Hypertension，2003，41(6):1268–1272.

[15]Rajamannan， N. M.， R. O. Bonow， and S. H. Rahimtoola.Calcific aortic stenosis: an update[J]. Nat Clin Pract Cardiovasc Med，2007，4(5):254–262.

[16]Weston， M.， and A. Yoganathan. Biosynthetic activity in heart valve leaflets in response to in vitro flow environments[J].Ann Biomed Eng，2001，29(9):752–763.

[17]Thayer， P.， K. Balachandran， S. Rathan， C. Yap， S.Arjunon， H. Jo， et al. The effects of combined cyclic stretch and pressure on the aortic valve interstitial cell phenotype[J].Ann Biomed Eng，2011，39(6):1654–1667.

[18]Warnock JN， Burgess SC， Shack A， Yoganathan AP. Differential immediate-early gene responses to elevated pressure in porcine aortic valve interstitial cells[J].Journal of Heart Valve Disease，2006，15(1):34–42.

[19]Batten P， Ku CH， Johnson PH， et al. Collagen synthesis by mesenchymal stem cells and aortic valve interstitial cells in response to mechanical stretch[J].Cardiovascular Research， 2006， 71(3): 548–556.

[20]Chen JH， Yip CYY， Zhao R， Simmons CA. Calcification by valve interstitial cells is regulated by the stiffness of the extracellular matrix[J]. Arteriosclerosis Thrombosis and Vascular

Biology，2009，29(6):936–942.

[21]Sucosky P， Balachandran K， Jo H， Yoganathan AP. Elevated cyclic stretch alters matrix remodeling in aortic valve cusps: implications for degenerative aortic valve disease[J].American Journal of Physiology，2009，296(3):H756–H764.

[22]Ferdous Z， Jo H， Nerem RM. Strain Magnitude-Dependent Calcific Marker Expression in Valvular and Vascular Cells[J]. Cells Tissues Organs，2013， 197(5):372-383.

編輯/蘇小梅