冠状动脉斑块进展的个性化多尺度建模：低密度脂蛋白转运与细胞动力学之间的相互作用

《COMPUTER METHODS IN APPLIED MECHANICS AND ENGINEERING》：Personalized multiscale modeling of coronary plaque progression: the interaction between low-density-lipoprotein transport and cellular dynamics

本研究开发了首个整合血流动力学模拟、LDL运输模型和细胞动力学的多尺度动脉粥样硬化建模框架，通过患者特异性左前降支冠状动脉模型验证了1年随访数据，并模拟了5年斑块进展及高LDL浓度下的不同形态。模型预测误差小于10%，揭示了LDL运输与血流剪切应力（WSS）共同调控血管重塑的机制，为患者特异性研究提供了新工具。

　　这篇研究探讨了如何通过一种新的多尺度代理模型（Agent-Based Model, ABM）来模拟动脉粥样硬化斑块的形成与进展，特别是结合了血流动力学和低密度脂蛋白（LDL）在血管腔内的传输机制。这一模型的提出，不仅填补了当前研究中对动脉壁重塑过程缺乏考虑的空白，还为实现个性化医学提供了一种新的工具。文章强调，动脉粥样硬化是一种慢性炎症性疾病，其特征是脂肪斑块在动脉壁内沉积，导致血管腔变窄。研究团队开发的模型能够准确预测1年内动脉壁面积的变化，并在5年的模拟中展示了不同LDL浓度对斑块形态演化的影响。该研究的创新之处在于，它首次将多尺度代理模型应用于具体的患者病例，并与实际数据进行了初步验证。

研究采用了一种基于计算流体力学（CFD）的模型来模拟血流动力学，同时利用了三孔模型来描述LDL跨内皮迁移的过程。通过将这些模型与代理模型相结合，研究团队能够更详细地模拟LDL在动脉壁内的分布及其对细胞活动的影响。这种整合方法不仅考虑了LDL在血管腔内的运输，还考虑了其进入动脉壁的过程，并进一步模拟了细胞增殖、凋亡以及细胞外基质（ECM）的合成与降解。这些过程在血管壁的不同区域受到不同因素的影响，如血流剪切力（WSS）和LDL浓度。通过这种方式，模型能够更真实地反映动脉粥样硬化斑块的发展机制。

研究中的一个关键步骤是模型的校准和验证。校准过程中，研究团队选择了三个特定的血管横截面，并通过优化算法调整了代理模型中的参数，以确保模拟结果与患者实际数据相符。校准后的模型能够以小于10%的误差预测1年内动脉壁面积的变化。这种高精度的预测为模型的可靠性提供了支持，并表明其在临床应用中的潜力。此外，研究团队还模拟了5年后的动脉变化，发现随着LDL浓度的增加，斑块的形态变得更加分散，且动脉壁面积的增加更快。

在高LDL浓度的情况下，模拟结果显示，动脉壁面积的变化幅度显著增加。同时，LDL在动脉壁内的沉积也呈现出不同的空间分布模式。这种变化不仅与LDL的传输速率有关，还受到动脉壁厚度的限制。当LDL进入动脉壁后，其分布逐渐形成更广泛的脂质团块，从而改变了斑块的形态特征。这些发现为理解LDL对动脉粥样硬化进展的影响提供了新的视角，并有助于进一步研究动脉粥样硬化斑块的形成机制。

此外，研究还指出，模型能够捕捉到生物系统中的内在随机性，从而更准确地模拟出血管壁和斑块的形态变化。这种随机性在传统模型中往往被忽略，而代理模型则能够更好地反映生物现象的复杂性。研究团队还引入了炎症输入机制，以模拟脂质沉积后引发的炎症反应，并进一步影响平滑肌细胞（SMC）和ECM的行为。这些机制的引入使得模型更加贴近实际的生物过程，从而提升了其预测能力。

尽管该模型在多个方面表现出色，但仍存在一些局限性。例如，研究仅基于一个患者的数据进行验证，这可能限制了模型的普遍适用性。此外，研究仅分析了三个横截面，而未来的应用应考虑更多的区域，以全面评估模型的鲁棒性。另外，模型未考虑斑块的结构应力，这在某些情况下可能影响其对疾病进展的预测能力。因此，未来的工作可以考虑将有限元分析（FEA）引入到CFD-ABM框架中，以更准确地估计局部斑块结构应力，并探索其在推动机械生物学规则中的潜在作用。

总体而言，这项研究为理解动脉粥样硬化斑块的形成和进展提供了一个全新的视角，并展示了多尺度代理模型在个性化医学中的应用潜力。通过结合血流动力学、LDL传输和细胞活动，该模型能够更精确地预测斑块的形态变化，并为未来的临床研究和药物开发提供有价值的工具。此外，模型的校准和验证过程表明，其在实际应用中的可行性，为其他相关疾病的模拟研究提供了借鉴。