动脉壁小分子溶质跨膜转运模型的构建及其在血管通透性调控机制中的应用

本研究针对动脉壁完整内皮条件下小分子溶物（直径≤7 nm）的跨膜转运机制，建立了包含内皮糖萼（glycocalyx）、细胞间紧密连接（tight junctions）、内膜基质（ECM）及弹性内窗孔（IEL fenestral pores）的多层结构数学模型。通过1D/2D模型对比验证，首次揭示内膜与IEL对通透性的主导作用，颠覆了糖萼作为分子筛的传统认知，为心血管疾病治疗靶点提供新思路。

　　

在心血管疾病研究中，动脉壁的通透性调控机制一直是未解之谜。过去关于动脉粥样硬化的模型多聚焦于大分子低密度脂蛋白（LDL，直径>22 nm）通过渗漏内皮的积累过程，但对小分子溶质（直径≤7 nm）在完整内皮条件下的跨膜转运机制知之甚少。尤其令人困惑的是，动脉壁多层结构（包括内皮表面糖萼、紧密连接、富含细胞外基质的内膜及多孔内弹性膜）如何协同调控通透性，这一争议已持续二十余年。

上海大学（Shanghai University）的研究团队在《Journal of Biomechanics》发表的最新研究中，构建了首个针对小分子溶质的动脉壁跨膜转运数学模型。该研究通过整合动脉壁超微结构参数及溶质扩散系数，采用1D解析模型与2D数值模型（MATLAB R2024b求解）对比验证，系统阐明了各结构层的调控作用。关键技术包括：基于猪冠状动脉微血管实测数据（α-乳白蛋白4 nm/白蛋白7 nm）的模型验证、内膜厚度与ECM密度的参数化分析、以及IEL窗孔尺寸的敏感性研究。

【Model geometry】
模型将动脉壁简化为糖萼层（厚度L_f）、内皮裂隙（宽度2B）、紧密连接段（长度L_junc）、ECM填充内膜及多孔IEL组成的串联通路。

【Model predictions for solute permeability (P) and measured data】
预测显示：1）4 nm α-乳白蛋白与7 nm白蛋白的通透性与实验数据误差<15%；2）内膜厚度增加50%可使P降低38%，而IEL窗孔密度加倍则提升P达210%。

【Discussion】
关键发现颠覆传统认知：1）糖萼在动脉壁中并非主要分子筛，其作用被内膜/IEL的串联阻力掩盖；2）毛细血管（仅含内皮/周细胞）与动脉壁的通透机制存在本质差异。1D模型与2D结果的偏差<7%，证实简化模型的可靠性。

这项研究首次量化了动脉壁多层结构对小分子转运的协同调控，为糖尿病微血管病变等疾病的治疗靶点选择提供了理论依据。特别是发现内膜ECM压缩（如高血压时）可能通过改变孔隙率显著影响药物输送效率，这为开发新型血管靶向递送策略开辟了新途径。研究建立的1D模型可快速预测病理状态下的结构-功能关系，具有重要的临床转化价值。