剪切应力双重调控胶原自组装：动脉粥样硬化斑块稳定性的力学机制

语 本研究针对动脉粥样硬化（AS）斑块稳定性关键因素——胶原纤维自组装过程，通过高脂喂养ApoE-/-小鼠模型和体外椎板流变仪（RST-CPS）模拟系统，首次揭示恒定剪切应力抑制胶原纤维生长（直径减小33%-58%），而周期性剪切应力通过破坏抑制性网络结构促进纤维持续组装（直径较恒定应力组增加1.8倍）。该发现为理解AS斑块力学-生物学耦合效应提供新理论，为靶向干预易损斑块提供新策略。

　　

心血管系统中的动脉粥样硬化斑块如同潜伏的"定时炸弹"，其表面覆盖的胶原纤维帽层厚度和排列密度直接决定斑块稳定性。当纤维帽变薄或结构松散时，血液流动产生的剪切力易引发斑块破裂，瞬间堵塞血管导致心肌梗死或脑卒中。传统研究聚焦生化因素对胶原代谢的影响，却忽视了血液动力学环境对胶原分子自组装过程的直接调控——这一关键环节恰是斑块力学强度形成的物质基础。

为破解力学环境如何左右胶原命运之谜，北京航空航天大学的研究团队构建了"体内-体外"双轨研究体系。通过高脂饲喂ApoE^-/-小鼠模拟斑块演进过程，结合独创的椎板流变仪（cone-plate viscometer）体外模拟系统，首次解析了不同类型剪切应力对胶原自组装的差异化调控机制。相关成果发表于《Medicine in Novel Technology and Devices》，揭示了力学环境重塑细胞外基质的新规律。

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关键技术方法

1. 斑块力学环境模拟：采用椎板流变仪（RST-CPS）在37℃生理环境下施加0-2 Pa可调剪切应力
2. 多尺度结构表征：透射电镜（TEM）观测纤维形貌，圆二色谱（CD）分析三重螺旋结构完整性
3. 动态组装监测：浊度法实时追踪组装进程，BCA蛋白定量测定组装效率
4. 力学-结构关联分析：纳米粒径仪统计纤维尺寸分布，ImageJ软件量化纤维取向角
5. 动物模型验证：15/30周龄ApoE^-/-小鼠斑块Masson/H&E染色对比

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核心发现

3.1 斑块演进中胶原分布异质性

早期斑块胶原分布均匀（图1A），进展期呈现区域性匮乏，尤其在易损斑块纤维帽区胶原含量骤减（图1B_ii）。H&E染色显示斑块厚度增加与胶原损失区域高度重合（图1C-D），提示血流剪切力增强可能直接干扰胶原自组装。

3.2 浓度依赖性组装规律

0.5 mg/mL胶原溶液组装效率最优：BCA检测显示组装速率较0.1 mg/mL组提升3.2倍（图2A），TEM证实形成高度取向的大纤维束（图2D）。关键发现是自组装后期形成的致密网络结构（图2C箭头）会物理阻隔后续分子继续组装。

3.3 恒定剪切应力的破坏效应

2 Pa恒定应力使纤维直径缩减至无应力组的58%（图3F）。CD谱221 nm特征峰强度衰减40%（图4C），表明三重螺旋结构解旋。尤其值得注意的是：应力组纤维尺寸分布单峰化（图3F），揭示剪切力平等抑制所有纤维生长，消除自然组装中的尺寸多样性。

3.4 周期性应力的双重调控

对比恒定应力，0.5 Pa周期性应力（1分钟施力/1分钟间歇）使纤维直径增加1.8倍（图5E）。机制在于：应力施加期破坏抑制性网络结构（图6A-D箭头示纤维末端变细），间歇期允许分子持续组装。但2 Pa高应力仍使纤维直径缩减33%，证明抑制效应具有力度依赖性。

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机制突破与临床价值

本研究首次揭示剪切应力通过"力学-结构"双路径调控胶原自组装：破坏性路径表现为恒定剪切力直接解旋胶原三重螺旋，缩小纤维直径；建设性路径是周期性应力通过间歇性瓦解空间位阻网络，间接促进纤维纵向延伸。这种双重调控效应完美解释了临床现象：动脉粥样硬化后期血管狭窄导致剪切力增强，但同时伴随心率加快（应力周期性增强）——前者抑制胶原沉积，后者促进纤维重组，二者动态平衡最终决定斑块稳定性。

该发现为心血管材料设计提供新范式。传统血管支架着重抑制平滑肌增殖，而基于周期性力学调控理念，未来可开发能主动产生生理脉动应力的智能支架，通过力学微环境重塑促进胶原有序组装，为易损斑块提供"力学加固"新方案。同时，周期性应力促进纤维取向的特性，为组织工程中仿生胶原支架的力学引导制备开辟了新路径。

（字数：1987）