人类副流感病毒颗粒在肺系统中行为的计算分析

《Powder Technology》：Computational analysis of human metapneumovirus particle behaviour in the pulmonary system

人类肺恳诺病毒（hMPV）纳米颗粒在15代气道模型中的传输与沉积规律研究，基于CT三维重建和计算流体动力学-离散相耦合模型，系统分析不同呼吸相位（吸入/呼出）和颗粒形态（圆柱形/球形）对颗粒沉积效率的影响。研究发现：圆柱形颗粒因气动阻力较大，在G1-G2级近端气道沉积显著高于球形颗粒；而球形颗粒凭借布朗扩散在G5-G15远端气道（尤其是右肺中叶和下叶）沉积更高效。呼吸相位中，吸入时颗粒沉积效率达18.7%-24.3%，呼气时降至12.1%-16.5%，且颗粒沉积存在明显的时空异质性，呼气时主沉积区向主支气管分叉处迁移。粒径方面，10nm颗粒沉积效率（18.2%-23.5%）高于250nm颗粒（12.1%-16.8%），但后者在近端气道的沉积集中度更高。该成果为抗病毒吸入疗法的靶向设计提供了肺内传输机制的理论依据。

　　近年来，随着人类呼吸系统暴露于空气中各种颗粒物的增加，对这些颗粒物在人体肺部的运输和沉积行为的研究变得尤为重要。人类呼吸道疾病在全球范围内持续增加，其中人副流感病毒（Human Metapneumovirus，简称hMPV）作为一种重新浮现的病原体，引起了广泛关注。hMPV感染导致严重的呼吸道疾病，如肺炎，其传播和沉积机制的研究对于开发有效的治疗方法和预防策略具有重要意义。本研究旨在深入探讨hMPV病毒颗粒在人体呼吸道中的运输和沉积行为，特别是在生理条件下，结合计算机断层扫描（Computed Tomography, CT）生成的呼吸道模型和先进的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）技术，分析hMPV样颗粒在不同空气道代数中的分布特性。

### 呼吸道结构与颗粒物沉积

研究采用了一个基于CT扫描的真实15代气道模型，涵盖了从主气管到肺泡区域的复杂结构。该模型通过图像处理软件3D Slicer提取气道数据，并在MeshLab中进行进一步处理，最终生成用于ANSYS分析的CAD几何体。该模型包含一个主入口和分布在肺叶中的167个出口，分别对应左下叶、左上叶、右下叶、右中叶和右上叶。入口的横截面积为2.46×10^-4 m2，而出口总面积为1.315×10^-3 m2。整个肺部模型的高度为0.207米，为研究颗粒物在肺部的沉积行为提供了充分的空间分辨率。

研究中还强调了气道几何形状对颗粒物运输的影响。由于人体呼吸道的复杂结构，颗粒物在不同气道代数中的沉积行为受到多种因素的影响，包括气流速度、气道分支的几何特性以及颗粒物的大小和形态。在气道中，较大的颗粒物主要通过惯性撞击沉积在上呼吸道，而较小的纳米颗粒则由于布朗运动和扩散作用能够深入到肺泡区域。然而，本研究特别关注的是非球形颗粒，如hMPV病毒颗粒，它们的沉积行为与传统模型存在显著差异。

### 颗粒物的沉积机制

研究采用计算流体力学方法，结合离散相模型（Discrete Phase Modelling, DPM）来模拟hMPV颗粒在气道中的运动轨迹。模型基于ANSYS Fluent平台，利用了RANS（Reynolds-Averaged Navier–Stokes）方程来模拟气流动力学行为，并引入了k-ω SST湍流模型以提高模拟精度。该模型能够准确捕捉湍流动能和壁面剪切应力在复杂气道结构中的变化，从而为颗粒物的沉积行为提供更可靠的预测。

颗粒物的沉积过程受到多种物理因素的影响，包括气流速度、气道几何结构以及颗粒物的形状和大小。对于非球形颗粒，如hMPV病毒颗粒，其沉积行为受到形状因子和球形度的影响。形状因子定义为具有相同体积的球形颗粒与实际颗粒的表面积之比，这一概念有助于理解不同形状颗粒在气道中的运动特性。研究中还考虑了颗粒物在气道壁面的相互作用，采用“陷阱”条件模拟颗粒物在气道壁面的沉积过程，以反映黏液层的吸附特性。

### 沉积效率与呼吸模式的影响

研究发现，颗粒物的沉积效率与呼吸模式密切相关。在较低的呼吸流量（如7.5 L/min）下，颗粒物更容易沉积在早期气道代数，尤其是主气管和第一、二代支气管，而较高的呼吸流量（如15 L/min）则会增加颗粒物在上呼吸道的沉积，因为高速气流增强了惯性撞击效应和湍流强度。同时，呼吸周期的不稳定性也对颗粒物的沉积产生了影响。在吸气阶段，气流速度较快，颗粒物更可能在气道壁面沉积，而在呼气阶段，气流速度减缓，颗粒物更容易逃逸或沉积在更远的部位。

此外，研究还分析了不同形状颗粒物的沉积特性。例如，圆柱形颗粒由于其更大的空气动力学阻力，在早期气道中表现出更高的沉积效率，而球形颗粒则在更深层的气道中沉积更多。这种形状依赖的沉积模式为设计优化的抗病毒气雾剂提供了重要依据。同时，研究还发现颗粒物的大小对沉积效率具有显著影响，10纳米颗粒由于布朗运动的作用，能够更深入地沉积在肺部，而250纳米颗粒则主要沉积在主气管和主要支气管区域。

### 沉积模式的临床意义

本研究揭示了hMPV颗粒在人体呼吸道中的沉积模式，这对于理解病毒传播路径和设计靶向药物输送系统具有重要价值。研究发现，颗粒物的沉积不仅受到呼吸流量的影响，还与气道几何结构和呼吸阶段密切相关。例如，在吸气阶段，颗粒物更可能沉积在右肺叶的上部和中部区域，而在呼气阶段，沉积热点则集中在主支气管的分叉处。这些发现表明，病毒颗粒的沉积模式在不同呼吸阶段和气道位置上存在显著差异，这可能影响病毒的感染率和传播路径。

此外，研究还指出，颗粒物的沉积行为在临床应用中具有重要意义。例如，在气道狭窄或阻塞的情况下，传统的气雾治疗可能无法有效将药物输送至目标区域，因为药物可能在阻塞部位积累，而不是沉积在更深层的肺泡区域。因此，了解颗粒物的沉积机制有助于优化药物输送策略，提高治疗效果。

### 模型的局限性与未来研究方向

尽管本研究采用了高精度的CT扫描和先进的CFD模拟方法，但仍存在一些局限性。例如，模型中未包括口腔腔体，这可能影响对较大颗粒物沉积的预测，因为这些颗粒物通常在口腔和咽喉区域沉积。此外，模型假设气道壁为刚性结构，忽略了气道的动态变化和黏液层的相互作用。这些简化可能对某些沉积行为的预测产生影响，尤其是在肺泡区域。

为了进一步提高模型的准确性，未来的研究可以考虑引入更复杂的颗粒形态、环境因素（如湿度、电荷）以及动态气道壁模型。这些改进将有助于更全面地模拟病毒颗粒在人体呼吸道中的运输和沉积行为，从而为公共卫生政策和医学治疗提供更可靠的依据。

### 结论

综上所述，本研究通过结合CT扫描和CFD技术，深入分析了hMPV颗粒在人体呼吸道中的沉积行为。研究结果表明，颗粒物的沉积不仅受到大小和形状的影响，还与呼吸模式密切相关。圆柱形颗粒在早期气道中沉积更多，而球形颗粒则更倾向于沉积在更深层的肺泡区域。这些发现为理解病毒传播机制和优化抗病毒药物输送策略提供了重要参考。此外，研究还强调了未来在该领域进一步探索的方向，包括引入更复杂的颗粒形态、环境因素和动态气道壁模型，以提高模型的预测能力和临床应用价值。