小鼠主动脉正常成熟与动脉瘤进展中不同生理生物力学指标与直径增加的关联性研究

为解决马凡综合征(MFS)相关胸主动脉瘤(TAA)的病理机制问题，华盛顿大学团队通过对比野生型(WT)与Fbn1mgR/mgR突变小鼠(MU)的升主动脉(ASC)和降主动脉(DSC)双轴力学特性，发现正常成熟期以应变能存储和环向应力为主导，而TAA进展期则以环向/轴向增量模量(材料刚度)为核心预测因子，为TAA的生物力学标志物筛选提供新思路。

　　

主动脉扩张的力学密码：当正常生长遇上病理重构
胸主动脉瘤(TAA)是马凡综合征(MFS)患者的主要死因，其最显著的特征是主动脉不可逆的扩张。临床监测主要依赖直径测量，但超过60%的患者在达到手术指征前就发生破裂，这暴露出当前管理策略的局限性。更棘手的是，主动脉扩张在MFS患者中常与正常生长发育重叠，使得难以区分生理性增长和病理性进展。

为破解这一难题，华盛顿大学的研究团队选择了一个独特的视角——生物力学。他们以严重MFS小鼠模型(Fbn1^mgR/mgR，简称MU)和野生型(WT)为研究对象，对升主动脉(ASC)和降主动脉(DSC)进行了1-4月龄的系统性双轴力学测试，结合Holzapfel-Gasser-Ogden(HGO)本构模型和多元混合模型分析，揭示了正常成熟与动脉瘤进展中截然不同的力学调控机制。这项开创性研究发表在《Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials》上。

关键技术方法
研究采用双轴拉伸仪对ASC和DSC进行六种力学加载测试，通过HGO模型量化各向同性和各向异性材料的贡献；使用多光子显微镜观察弹性纤维和胶原的空间分布；基于平均血压计算生理等效生物力学指标；采用三因素方差分析评估年龄、血管部位和基因型的影响，并通过多元混合模型识别直径预测的关键力学因子。

研究结果

3.1 未变形直径与生理拉伸比
MU小鼠ASC的变形内径比WT大30%，而DSC仅差1%，证实ASC是TAA的主要靶点。轴向拉伸比在MU中显著降低，提示弹性纤维缺陷导致的轴向卸载机制。

3.2 材料参数特征
HGO模型显示MU的弹性纤维相关参数c降低48%(ASC)和24%(DSC)，而胶原主导的非线性参数k₂增加277%(ASC)和94%(DSC)，印证了"弹性纤维断裂-胶原代偿"的病理过程。

3.3 生理生物力学指标
应变能存储能力在MU中降低37%(ASC)和11%(DSC)，而环向应力增加8-18%。最显著的是环向增量模量(ζ_θ)，MU比WT高106%(ASC)和84%(DSC)，且随年龄持续上升。

3.4 混合模型预测
关键发现是：WT主动脉直径增长主要关联应变能存储(W_tot)和环向应力(σ_θ,iso)，而MU的扩张则由环向/轴向模量(ζ_θ和ζ_z)主导，这为临床提供了新的生物标志物思路。

3.5 微观结构验证
多光子成像直观显示MU中弹性纤维断裂(3月龄ASC和4月龄DSC)与胶原沉积，为力学变化提供结构基础。

结论与展望
这项研究首次系统揭示了主动脉直径增长在生理和病理状态下的不同力学调控网络：正常成熟依赖于弹性纤维主导的能量存储功能，而TAA进展则转向胶原驱动的刚度增加模式。特别重要的是，环向模量(可通过无创脉搏波速度测量)显示出作为临床预警指标的潜力。

研究也存在一些局限：未纳入性别特异性分析(已知MU雌鼠存活率更高)，且仅评估了被动力学特性。未来需要结合血流动力学模拟和主动收缩功能研究，并探索从小鼠模型到人类患者的转化路径。这项工作的真正价值在于，它超越了传统的"尺寸决定论"，提出了"力学微环境失衡"的新范式，为TAA的精准监测和治疗开辟了新方向。