喬愛科

(北京工業(yè)大學生命科學與化學學院，北京100124)

給大伙兒出個燈謎：三十年河東三十年河西––打一六字成語。

先賣個關子，不揭曉謎底。先說說謎面“三十年河東三十年河西”這個成語。

“三十年河東三十年河西”是一漢語成語，也有一說是一句廣泛流傳的諺語。出自清代吳敬梓《儒林外史》第四十六回：“大先生，‘三十年河東，三十年河西’！就像三十年前，你二位府上何等優(yōu)勢，我是親眼看見的。”這句話比喻人事的盛衰興替，變化無常，有時候會向反面轉變，難以預料。

因此，上面的謎底不難猜到：此一時彼一時。語出《孟子·公孫丑下》：“彼一時，此一時也。五百年必有王者興，其間必有名世者”。

繼續(xù)說主題?！叭旰訓|三十年河西”里的河指的是黃河。“河東”和“河西”是指河邊的人家有時候住在河的東面，有時候住在河的西面。但這并不是因為這家人不停地在搬家，而是因為黃河改道了。

在古代，由于黃河河床較高，泥沙淤積嚴重，河道不固定，經常泛濫成災，所以黃河經常改道。改道后，原來在河東的地方很可能就變到河西面去了。究其原因：黃河流經彎道時，流水質點作曲線運動產生離心力；在離心力的影響下，表層水流趨向凹岸，而底部的水流在壓力的作用下 (也是質量連續(xù)定律的作用)，由凹岸流向凸岸，形成彎道環(huán)流(圖1)；在彎道環(huán)流的作用下，凹岸發(fā)生侵蝕擴展，凸岸發(fā)生沉淀堆積，以至河流越來越彎。由于長期對凹岸的沖刷作用，會發(fā)生“截彎取直”，形成牛軛湖。昔日的西岸就變成了今日的東岸了。如果河岸崩塌，決堤潰壩，那就更是四處泛濫，傻傻分不清哪里是河東、哪里是河西了！

實際上，人體也有一條“大河”，它就是循環(huán)系統(tǒng)中的血液流動(圖2)。血液在心臟泵的作用下遵循一定方向在心臟和血管系統(tǒng)中周而復始地流動。血液沿著“左心室→主動脈→毛細血管網→靜脈→右心房→右心室→肺動脈→肺部毛細血管網→肺靜脈→左心房→左心室”這樣一條路徑循環(huán)流動，維持人體的正常生命運動。

圖1 彎道環(huán)流

圖2 血液循環(huán)系統(tǒng)

“三十年河東三十年河西”這樣的現象也會發(fā)生在人體里的這條“大河”中––循環(huán)系統(tǒng)中的血液流動會改變血管的河道形貌。就主動脈血管中的血液流動表現而言，主要包括動脈粥樣硬化、動脈瘤、主動脈夾層等各種各樣的血管病變。

1 動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是指受累動脈病變從內膜開始，一般先有脂質和復合糖類積聚、出血及血栓形成，進而纖維組織增生及鈣質沉著，并有動脈中層的逐漸退變和鈣化，導致動脈壁增厚變硬、血管流腔改形、血流改道、血管腔狹窄 (圖 3(a))。由于在動脈內膜積聚的脂質外觀呈黃色粥樣，因此稱為動脈粥樣硬化。動脈粥樣硬化斑塊相當于是在河道中有淤積，改變了河道形貌。然而，如果動脈粥樣硬化斑塊堵塞了血管，則下游的組織就可能通過其他血管的血液來完成代償性的灌注；這樣，血流就相當于改道了。不幸的是，動脈粥樣硬化病變常累及大中動脈，一旦發(fā)展到足以阻塞動脈腔，則該動脈所供應的組織或器官將缺血或壞死，引起心衰和缺血性中風等嚴重后果。本病多見于40歲以上的男性和絕經期后的女性。常伴有高血壓、高膽固醇血癥或糖尿病等。腦力勞動者較多見，為老年人主要病死原因之一。

圖3 動脈粥樣硬化及其治療

動脈粥樣硬化具有明顯的病灶性：好發(fā)部位主要是冠狀動脈、頸動脈分支、腹主動脈、股動脈等的復雜流動區(qū)域，而其他動脈中則不發(fā)生或基本不發(fā)生這樣的病變[1-2]。這一現象與這些部位的血流動力學密切相關。具體而言，就是與這些部位的壓力、速度、流動分離、二次流、粒子滯留時間、壁面切應力及其梯度等生物力學因素相關。這些病變部位的血液流動常常伴隨著流動分離、回流、停滯、二次流、血流動力學紊亂等復雜流動現象，而這些復雜流動現象與動脈的分岔、彎曲等幾何因素有關。

從生物力學的角度而言，動脈粥樣硬化的形成和發(fā)展機理大致有如下幾種假說。

(1)流動分離假說[3]：代表人物是Fox和Hugh。流動中出現回流區(qū)、大的流動分離區(qū)等血流動力學現象，這些現象導致血流不暢，甚至出現“死水區(qū)”，這里的血管壁內皮細胞因得不到充足的養(yǎng)分和新陳代謝而受損，就會促進動脈粥樣硬化的發(fā)展。

(2)動脈壁高剪切應力作用假說[4]：代表人物是Fry。高壁面切應力對血管壁內皮細胞會造成損失，從而產生病變。然而，很多研究表明，高壁面切應力不是動脈粥樣硬化的危險因素。因此，這一假說基本上不再被接受。

(3)動脈壁低剪切應力作用假說[5]：代表人物是Caro。低壁面切應力與流動停滯等是一樣的道理。內皮細胞在低壁面切應力環(huán)境下，其生長和排布發(fā)生紊亂，血液中的有形成分會比較容易黏附在血管壁上，從而形成粥樣硬化斑塊。另外，近壁駐留時間被用來定量描述粒子與血管壁相互作用的嚴重程度，該指標可以解釋粒子遲滯、近壁集中化、血小板激化以及表面反應等現象。低剪切應力作用下，近壁駐留時間會加長，從而促進斑塊形成。低壁面切應力和長的粒子(如血脂質)駐留時間是動脈疾病最危險的血流動力學因素。同時，較大的壁面切應力梯度則表明流場的紊亂和應力集中的發(fā)生，同樣是不利的血流動力學指標。這一假說也被很多研究證實，所以是目前被廣泛認可的理論。

(4)脈動型低剪切應力作用假說[6]：代表人物是Ku等。根據力學原理分析可知，在強烈的交變應力作用下，內皮細胞極易產生疲勞損傷。血流脈搏波在血管壁面產生往復震蕩的低壁面切應力，容易破壞內皮細胞的定向生長和排布，從而引發(fā)動脈粥樣硬化。這一觀點也是目前被廣泛接受的理論。

(5)擾動流假說[7]：代表人物是 Chien S(錢煦)等。各種非生理性流動如非層流、湍流等引起的內皮細胞所受應力超過了正常的生理范圍，都可能導致內皮細胞的生長和排布發(fā)生紊亂，以及血管內平滑肌細胞的過度增殖等。這一假說是前面幾種假說的高度概況，因此容易被接受。

歸根到底，無論何種學說，血管壁的“改道”都是受到血液成分和血液流動等作用和刺激而發(fā)生的響應。就像河水里的泥沙含量以及河水流動狀況對河道也有影響一樣，只不過血液在血管里的流動現象更復雜一些。應該說，血液和血管壁之間的相互作用符合生物力學中最普遍的一種現象或者機理––“應力-生長關系”，即生物體受到應力刺激，就會發(fā)生相應的響應而生長和改變，也叫自適應或者自我調控。其中的生物力學作用機制，又形成了一個新的學科分支––力生物學(Mechanobiology)。

動脈粥樣硬化是非常普遍的一種心血管病變，而且往往是在人們不經意間造成嚴重的后果––堵塞血管，導致“缺血性”中風或者死亡。河道淤塞了，人們就需要給它清淤、修理；血管堵塞了，人們也想到給它清淤、修理。對于輕度的動脈粥樣硬化，一般可以采用口服溶栓藥物這樣的保守治療方法。對于中度和重度的動脈粥樣硬化，則需要采用血管內支架介入術或者旁路移植管搭橋術進行治療[8]。

服藥的目的是降低血液里的“泥沙”，如低密度脂蛋白等“壞”物質，以減少它們在“河道”即血管壁上的沉積。

血管內支架介入術是在病變血管段置入內支架以達到支撐狹窄閉塞段血管、減少血管彈性回縮及再塑形、保持管腔血流通暢的目的[9]。支架就像是給河道加固了一個網狀結構，幫助撐開河道(圖3(b))。

旁路移植管搭橋術用移植的血管即橋血管 (常為大隱靜脈及帶蒂的乳內動脈，也有用橈動脈、帶蒂胃網膜動脈和其他肢體動靜脈或者人工血管等)在發(fā)生狹窄病變的動脈上下游之間搭建一條血管旁路河道，使血液經過所搭建的血管橋，繞過病變部位，流向動脈狹窄或梗阻病變的遠端，達到給遠端組織供血的目的 (圖 3(c))。

由此可見，血管內支架介入術和旁路移植管搭橋術都是采用工程技術手段給血管河道進行修理、疏通[10]。這一工程問題，當然蘊含了很多生物力學機理。治療方案的制定、手術器械的設計和應用、治療效果的預判和評估等等，都離不開生物力學的支持[11-12]。

2 動脈瘤

動脈瘤是由于動脈壁的病變或損傷，形成動脈壁局限性或彌漫性擴張或膨出的現象(圖4(a))。它以膨脹性、搏動性腫塊為主要表現，可以發(fā)生在動脈系統(tǒng)的任何部位，而以肢體主干動脈、主動脈、頸動脈、腦動脈較為常見。動脈瘤改變了血管形狀，也改變了血液流動和血管壁的受力。動脈瘤一旦破裂，那就像黃河決堤潰壩一樣，往往會造成出血性中風等嚴重危及生命的后果。

圖4 動脈瘤及其治療

動脈內發(fā)生動脈瘤，基本上有三個原因：

(1)動脈壁有三層組織，動脈的支撐力量是由中間肌肉層所提供的，而這層組織可能有先天性的缺陷。受影響的動脈中的正常血壓會造成一種像氣球似的腫大，這種腫大叫做囊形動脈瘤。由于先天性缺陷所造成的動脈瘤幾乎總是發(fā)生在腦基部的動脈中。由于其形狀類似瓜果以及幾個動脈瘤常會聚生在一起，所以它們又被稱之為“漿果”動脈瘤。

(2)不管是什么原因造成的發(fā)炎，都會使動脈壁變得薄弱。大多數的動脈發(fā)炎是由諸如結節(jié)性多動脈炎或細菌性心內膜炎等疾病所造成。

(3)部分動脈壁中層由于動脈粥樣硬化或高血壓等慢性疾病而緩慢惡化，力學性能變差。由動脈粥樣硬化所造成的動脈瘤很可能是一種香腸形的腫大，這種動脈瘤叫做梭形動脈瘤，它會沿著動脈的一小段發(fā)展出來。另外一種相似的腫大是由高血壓所造成。然而，動脈中的血壓增高，會使動脈壁以許多不同的方式擴張。

這其中，血流對血管壁同樣起到了非常重要的作用。比如：高血壓、血流沖擊等力學因素，會使血管壁變形、壁厚變薄。當血管壁所受應力超過其強度極限時，動脈瘤即發(fā)生破裂，引發(fā) “出血性”中風，比如俗話說的“腦溢血”，致死率極高！

動脈瘤的治療也是一個改變血管河道的工程技術活兒。根據動脈瘤的形態(tài)，可以將其分為兩種：有明顯瘤頸的叫窄頸動脈瘤或者簡單動脈瘤；沒有明顯瘤頸的叫寬頸動脈瘤或者復雜動脈瘤。為什么這么叫呢？一般而言，窄頸動脈瘤容易治療；而寬頸動脈瘤則不易治療，它是醫(yī)生的痛點。治療方案主要有兩種：一是外科手術，可以用手術鉗夾閉動脈瘤頸；二是微創(chuàng)介入術，利用彈簧圈填充瘤腔、利用支架或分流器(即密網支架)遮擋動脈瘤口、或者合并使用支架和彈簧圈(圖4(b))[13-14]。容易想象，有脖子的動脈瘤即窄頸動脈瘤容易被夾閉，也容易采用彈簧圈栓塞，而沒有脖子的寬頸動脈瘤就不好治療了?？傊?，這些治療手段的目的都是恢復血管河道的正常流腔形貌，避免河道受到血流的進一步沖擊而使動脈瘤繼續(xù)擴張。

3 主動脈夾層

正常的主動脈血管壁明顯地分為三層結構，分別稱為內層、中層和外層。主動脈夾層指主動脈腔內血液從主動脈內膜撕裂處進入主動脈血管壁的中膜，使中膜分離，沿主動脈長軸方向擴展形成主動脈壁的真假兩腔分離狀態(tài)(圖5(a))。血流在主動脈壁內形成假腔；可經外膜破裂或返向內膜。假腔可在主動脈的任何部位再進入主動脈真腔?？梢?，主動脈夾層很明顯地改變了血液流道。

圖5 主動脈夾層、擴展的受力分析和支架治療

主動脈夾層撕裂使主動脈的供血發(fā)生障礙，且引起主動脈瓣關閉不全、心臟肥大等。本病少見，但發(fā)病兇險，可迅速導致死亡，且死亡率很高。主動脈夾層撕裂可起于主動脈的任何部位，但最常見的部位是在升主動脈近端(離主動脈瓣5 cm內)，或者降主動脈胸段左鎖骨下動脈開口處下方。這與該部位的血流動力學有著密切的關系。一般認為是活動的主動脈弓與相對固定的胸降主動脈相連接部位的緣故。專家給出的定性解釋是，血管壁運動受到左鎖骨下動脈以及胸部降主動脈的限制；當血管收縮時，血管內層的收縮趨勢較大，外層由于受到牽制而收縮趨勢較小，這樣就在層與層之間產生了較大的拉力，從而導致中層膜的撕裂形成原發(fā)破口[15]。

主動脈夾層的發(fā)病原因大致如下：

(1)高血壓和動脈硬化：由于高血壓動脈粥樣硬化所致主動脈夾層占70%～80%。動脈中的血壓增高，會使動脈壁以許多不同的方式擴張。高血壓可使動脈壁長期處于應激狀態(tài)，彈性纖維常發(fā)生囊性變性或壞死，甚至會脹破動脈壁的組織層，迫使血液進入組織層里去，導致夾層形成。

(2)結締組織?。厚R方綜合征、皮膚彈性過度綜合征、Erdheim中層壞死或Behcet病等。

(3)先天性心血管?。喝缦忍煨灾鲃用}縮窄所繼發(fā)的高血壓或者主動脈瓣二瓣化。

(4)損傷：嚴重外傷可引起主動脈峽部撕裂，醫(yī)源性損傷也可導致主動脈夾層。

(5)其他：妊娠、梅毒、心內膜炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、多發(fā)性結節(jié)性動脈炎等。

以上關于主動脈夾層的論述來自于醫(yī)學的描述，可以看出：主動脈夾層的產生與生物力學因素有著非常直接的關系。無論如何，當外力作用超過了血管壁材料的強度極限時，撕裂就不可避免。而一旦夾層形成，則血管壁層與層之間存在拉應力和壓應力的交替作用(圖5(c))，容易造成疲勞損傷，使得夾層進一步擴展，從而導致發(fā)病迅速，猝不及防，致死率極

高[15]。

主動脈夾層的治療手段比較常見的是微創(chuàng)介入術，采用覆膜支架隔絕夾層，目的依然是恢復動脈血管河道的流腔形貌 (圖5(c))，避免血流進入假腔而加重夾層的撕裂和擴展?？煞癫捎门月芬浦补艽顦蛐g來減緩主動脈夾層的血流沖擊呢[16-18]？這個問題目前還是一個大膽的設想，需要綜合評估其力學和醫(yī)學的可行性。

4 結語

“三十年河東三十年河西”是河流與河床相互作用的結果。同樣，主動脈病變也是血流與血管相互作用的結果。深入了解動脈粥樣硬化、動脈瘤等病變的血流動力學機理，包括“本構關系”和“應力-生長關系”等核心問題[19]，可以很好地揭示和定量地描述這些心血管病變的產生和發(fā)展的情況，為臨床醫(yī)學的疾病預防和治療提供重要依據。

就我們普通人而言，應該花點心思更多地愛護自己身體里的循環(huán)系統(tǒng)這條大河，盡量不要讓她“三十年河東三十年河西”地來回改道，否則后果會很嚴重！