妊娠期母体心血管适应性建模：范围综述揭示计算模型在预测并发症中的潜力

《BMC Pregnancy and Childbirth》：Modelling maternal cardiovascular adaptation to pregnancy: a scoping review

为解决妊娠期母体心血管系统适应性改变机制不清、子痫前期(PE)和胎儿生长受限(FGR)等并发症预测管理困难的问题，研究人员开展了关于母体心血管适应性妊娠建模的范围综述。结果表明，计算模型能多尺度模拟母体循环，揭示疾病病理生理机制，未来通过开发个性化“数字孪生”(Digital Twins)模型，有望实现妊娠并发症的风险分层和精准管理。

　　

怀孕，对于母亲的身体而言，尤其对于心血管系统，是一场需要精密调控的“压力测试”。为了满足胎儿生长发育的需求，母体心脏输出量需要增加高达45%，全身血管舒张导致总外周阻力下降。这场深刻的生理变革若出现紊乱，则可能导致子痫前期（Preeclampsia, PE）和胎儿生长受限（Fetal Growth Restriction, FGR）等严重并发症。这些疾病不仅威胁母婴安全，还与母亲远期心血管风险升高密切相关。然而，由于伦理限制（如避免侵入性操作和电离辐射），研究人员难以在活体上深入探究妊娠期母体心血管动态适应的细节，导致对其底层机制的理解仍然存在巨大空白，也使得预测和干预这些并发症变得异常困难。

传统的临床研究往往只能提供孕期少数时间点的“快照”式数据，难以捕捉心血管系统持续动态的变化。动物模型则因与人类在胎盘解剖、滋养细胞侵袭等方面的显著差异而应用受限。正是在这一背景下，计算建模（Computational Modelling）这一新兴交叉学科技术展现出巨大潜力。它能否利用计算机模拟来“重构”并深入探究母体心血管系统在妊娠期的复杂适应过程，从而为理解疾病机制和开发新的诊疗策略开辟新途径？发表在《BMC Pregnancy and Childbirth》上的这篇范围综述《Modelling maternal cardiovascular adaptation to pregnancy: a scoping review》旨在系统梳理这一领域的研究现状、潜力与挑战。

为了回答上述问题，由Kathryn Hunt、loannis Polydoros、Raoul van Loon、Rosemary C. Townsend和Rebecca M. Reynolds组成的研究团队进行了一项范围综述。他们检索了Medline、Embase和Web of Science核心合集从2013年1月1日至2025年9月1日的文献，最终纳37篇符合标准的文章，其中包括28篇原创性研究。综述重点分析了这些研究如何利用计算流体动力学、闭环网络模型、三维重建等技术，模拟从全身循环到胎盘界面血流等不同尺度的母体心血管生理与病理过程，并探讨了将其转化为临床应用的挑战与前景。

主要技术方法

本研究为范围综述，其本身不涉及原始实验，而是对现有文献进行系统分析。研究团队检索了三大权威数据库（Medline、Embase、Web of Science Core Collection），使用结合数学模型、血流动力学、血管系统和妊娠等主题词的关键词策略。文献筛选和数据提取由两名评审员独立完成。从纳入的原创性研究中，作者提取并分析了用于模拟母体心血管系统的关键技术方法，主要包括：一维闭环循环网络模型（模拟整个母体循环）、三维计算流体动力学（用于子宫动脉树等局部血管）、基于个体参与者数据或离体临床标本（如胎盘组织）的个性化模型参数化、以及用于研究螺旋动脉重塑和胎盘界面血流的复杂流体动力学模拟。这些模型的数据来源包括孕妇的心血管测量参数、离体胎盘组织的影像学或组织学数据等。

研究结果

计算模型在妊娠母体循环中的应用

综述重点介绍了一维计算流体动力学模型，特别是“闭环”模型在模拟妊娠期全身循环方面的应用。这类模型将心血管系统类比为电路，能够模拟血液在动静脉网络中的流动和压力波传播。例如，Corsini等人最早提出的闭环模型，使用文献报道的各孕期正常参数，成功复现了血流动力学变量的变化趋势。Carson等人则进一步发展了该模型，纳入了更全面的子宫胎盘循环（包括子宫-卵巢交通动脉、弓状动脉、螺旋动脉等），并利用两名健康参与者的数据进行了个性化参数设置，其模拟结果与文献报道的子宫血流和子宫动脉波形指标高度吻合。

更有意义的是，研究人员将同样的模型应用于两名患有早发性FGR和PE以及两名患有慢性高血压但无胎盘疾病的孕妇数据。模型模拟出的子宫动脉波形与每位患者通过多普勒超声测量的结果相似，并且在PE患者中模拟出了早期舒张切迹（一种提示胎盘阻力增加的临床显著特征）。这些初步研究表明，计算模型有潜力捕捉疾病状态下的异常血流特征。然而，这些研究也受限于极小的样本量，未来需要在更大的患者队列中进行验证。

心脏重塑的算法探索

妊娠伴随的心脏结构变化（如心腔容积和心肌质量的增加）在PE中可能表现出异常模式。Comunale等人将心脏重塑算法整合到母体循环的闭环模型中，演示了在维持心肌纤维应力和心室壁剪切应力稳态的约束下，血流动力学刺激如何驱动妊娠期心脏生长。这类模型为未来开发整合细胞系统生物学与力学因素的多尺度模型奠定了基础，以探究PE中异常心脏重塑的驱动因素。该模型的一个优势是使用了女性特异性的血流动力学参数进行校准，这有助于更准确地反映女性生理。

子宫血管适应性模型

子宫局部血管的显著生长和重塑对于妊娠成功至关重要。计算模型为研究这一在体难以观察的过程提供了独特窗口。Gleason等人的模型通过结合血管生长与重塑，成功模拟了早发和晚发型PE中观察到的血流动力学趋势，包括早期妊娠期大动脉僵硬度增加。此外，“开环”模型和三维重建技术被用于孤立地研究子宫血管树，预测如血管壁剪切应力等难以在体测量的指标。这些模型甚至被用于评估临床干预措施，例如一项回顾性队列研究利用计算模型分析了480例患有凶险性前置胎盘的孕妇，模拟了髂内动脉球囊闭塞术对减少剖宫产术中出血的效果，揭示了侧支循环在解释观察到的出血量方面的重要性。

螺旋动脉重塑的机制性见解

螺旋动脉（Spiral Artery）从高度螺旋状、肌化的血管转变为宽大的无肌性管道，这一过程对维持胎盘血供至关重要，但其在PE和FGR中存在缺陷。计算模型使得研究人员能够模拟螺旋动脉形态改变和滋养细胞栓（Trophoblast Plug）形成或缺失对上下游血流的影响。模型还可以用于研究影响滋养细胞迁移和栓子解体的趋化因子和血流动力学因素，从而增进对子宫胎盘血管正常和异常发育细胞机制的理解。

母胎界面相互作用的模拟

母体螺旋动脉开口于胎盘绒毛间隙（Intervillous Space），此处是母胎物质交换的关键界面。计算模拟显示，母体螺旋动脉释放的趋化因子可能介导绒毛树的分支，形成现实的二维胎盘形状。在模拟中，母体螺旋动脉网络发育不良的起始条件会导致胎盘形状更不规则、脐带插入更偏周边，这提示了母体血管适应异常与FGR中观察到的异常胎盘形态之间存在潜在机制联系。高分辨率的流体动力学模拟可以再现复杂的血流模式，包括多普勒超声中观察到的螺旋动脉开口“射流”，并将其与绒毛树和蜕膜静脉的解剖结构联系起来。基于健康与疾病（PE或FGR）离体胎盘标本的三维重建显示，疾病状态下的绒毛间隙血流存在显著差异，如绒毛表面壁剪切应力更高、血流涡旋形成等。这些发现将微观解剖结构与功能联系起来，有助于揭开胎盘发育的“黑箱”。

结论与展望

本综述表明，计算建模是一个强大的工具，能够以前所未有的分辨率和灵活性推进对妊娠期母体心血管适应的理解。通过整合多尺度模型（从全身循环到细胞水平）、新兴成像技术（如功能磁共振MRI、对比增强超声）以及可穿戴设备提供的实时数据，未来有望构建出高度个性化的母体生理“数字孪生”（Digital Twin）。这样的虚拟模型有望改善对不良结局的预测，并指导对高危妊娠进行更个性化、前瞻性的干预。

然而，实现这一愿景仍面临诸多挑战。模型需要在大型、多样化且具有不同妊娠结局的孕妇队列中得到充分验证。用于个性化模型的数据必须是临床可及、可扩展且孕妇易于接受的，模型输出结果需具有临床意义并能整合到现有工作流程中。计算流程需要简化以确保输出速度能满足临床决策的时间要求，并且必须严格定义模型预测的不确定性。此外，确保这项新兴技术能够惠及医疗资源匮乏的人群也至关重要，因为这些群体承担着不成比例的产科发病率和死亡率负担。

总之，这项范围综述阐明了计算建模在妊娠心血管研究领域的应用现状与巨大潜力。通过持续的努力克服现有的挑战，计算模型有望最终转化为改善母婴健康的临床实践，为子痫前期和胎儿生长受限等棘手妊娠并发症的预测和管理带来革命性的变化。