斑马鱼主动脉瓣流体-结构相互作用模型的构建及其在心脏发育与疾病研究中的应用

本研究针对斑马鱼主动脉瓣力学特性未知的难题，采用基于设计的弹性理论（design-based elasticity）构建首个三维流体-结构相互作用（FSI）模型，通过生理压力驱动模拟实现瓣膜开闭动力学可视化，为小型脊椎动物心脏瓣膜功能研究提供新范式。

　　

在心血管研究领域，斑马鱼因其与人类高度保守的基因和透明胚胎特性成为理想模型，但其微小尺寸导致心脏瓣膜力学参数难以测量。尤其主动脉瓣作为双叶瓣（bicuspid valve），与人类罕见的Sievers Type 0型病变结构相似，却因缺乏三维流体-结构相互作用（Fluid-Structure Interaction, FSI）模型而阻碍机制研究。传统计算流体动力学（CFD）虽能模拟血流，但无法捕捉瓣膜组织变形与血流的双向耦合效应。

针对这一空白，斯坦福大学团队在《Journal of Biomechanics》发表研究，首次建立斑马鱼主动脉瓣三维FSI模型。通过创新性应用设计弹性理论（design-based elasticity），从偏微分方程求解推导出瓣膜几何形态、纤维取向和材料属性，在生理压力驱动下成功模拟出符合真实血流动力学的瓣膜开闭周期。该模型不仅填补了小型脊椎动物瓣膜生物力学研究的空白，更为先天性心脏病机制探索提供了新工具。

关键技术包括：基于CUBIC透明化处理的斑马鱼心脏光片成像获取解剖结构；采用浸没边界法（immersed boundary method）实现FSI耦合计算；通过雷诺数（Re~1）分析确认中间流态特性；利用开源代码平台实现模型可重复性。

成像和解剖
通过CUBIC透明化技术处理Tg(TP1:EGFP)转基因斑马鱼心脏样本，光片显微成像揭示主动脉瓣双叶对称结构，为模型构建提供解剖学基准。

结果
模拟显示瓣膜在收缩期实现无回流前向血流（峰值流速匹配生理数据），舒张期完全闭合且无瓣叶脱垂。闭合状态下瓣叶扭转现象提示游离缘长度冗余设计，而开放状态达管腔最大截面积验证模型合理性。

讨论与结论
该研究突破性地将人类瓣膜建模经验拓展至微观尺度，证实设计弹性理论在缺乏实验参数时的普适性。模型捕捉到低雷诺数（Re）环境下独特的瓣膜-血流相互作用，为后续研究先天性瓣膜病（如双叶瓣畸形）提供计算平台。开源代码共享促进领域协作，有望推动心脏发育力学微环境、病理机制及修复策略的跨物种研究。

研究团队特别指出，该模型未来可整合转基因疾病模型（如扩张型心肌病DCM相关基因突变体），用于模拟病理状态下的血流动力学改变。相较于人类主动脉瓣的高雷诺数（Re>10³
）环境，斑马鱼模型的低惯性流态为研究血流-组织反馈机制提供了独特视角，这对理解胚胎期心脏瓣膜形成具有启示意义。