利用分层相位衬度断层扫描技术绘制完整人肾动脉血管网络图谱及其拓扑结构分析

本研究通过创新性应用分层相位衬度断层扫描技术（HiP-CT），首次实现了完整人肾动脉血管网络从肾动脉到小叶间动脉的三维定量图谱构建。研究人员结合拓扑网络分析方法，揭示了人肾血管分支模式与啮齿类动物的显著差异，发现人肾血管半径从肾门到皮质区的梯度变化更陡峭，且小血管偏离理论最优血流阻力模型。该成果为建立人肾血流动力学计算模型提供了关键结构基础，发表于《npj Imaging》，对理解器官特异性血管构效关系及肾脏疾病机制研究具有重要意义。

　　

肾脏作为人体重要的代谢器官，其复杂的血管网络结构对实现滤过、重吸收等生理功能至关重要。然而由于技术限制，既往对人肾血管的研究多局限于大血管或局部区域，完整器官尺度的三维血管网络图谱始终未能建立。这种知识空白导致计算模型常借用啮齿动物数据，但物种差异可能影响预测准确性。更棘手的是，慢性肾脏病（CKD）等疾病中普遍存在的血管稀疏化（rarefaction）现象，其空间分布规律与功能损害的关系仍不明确。

为解决这些关键问题，Shahrokh Rahmani等研究者创新性地采用欧洲同步辐射装置（ESRF）的极亮光源，对完整人肾样本进行分层相位衬度断层扫描（HiP-CT）。这项技术突破性地实现了从25 μm到2.6 μm的多尺度成像，在保持器官完整性的同时捕获了从肾动脉主干到小叶间动脉的完整网络。研究团队开发了包含血管塌陷校正的自动化分析流程，首次定量揭示了人肾血管的拓扑特征，并与啮齿类数据进行了系统比较。

关键技术方法包括：1）采用HiP-CT对63岁男性捐赠者的完整肾脏进行多分辨率扫描（25 μm/6.5 μm/2.6 μm）；2）通过人工标注与神经网络结合完成血管分割；3）建立空间图模型分析10,193个节点、376,603个点的血管网络；4）应用截断Strahler分级（tSO）和拓扑代次分析血管形态；5）通过标准主轴回归计算径向缩放指数。

HiP-CT可视化完整人肾动脉网络

通过多尺度成像策略，研究首次在完整器官尺度追踪了肾动脉→节段动脉→叶间动脉→弓形动脉→小叶间动脉的完整分支路径。

动脉网络量化分析流程

创新开发的图像处理管道包含血管塌陷校正算法，成功修复了97%半径>50 μm的血管。结果显示人肾血管分支比为2.92，与肺动脉网络相近。

多尺度代次与分级分析

将截断Strahler分级映射到解剖结构：tSO 7-9对应肾门动脉（半径929±477 μm），tSO 5-6为叶间动脉（417±247 μm），tSO 2-4对应弓形动脉（78±45 μm），tSO 1-3为小叶间动脉（55±23 μm）。

人鼠肾脏血管架构比较

与啮齿类相比，人肾血管半径随分级增长幅度更大（p<0.0001），径向缩放指数为0.55，更接近West-Brown-Enquist模型而非Murray定律，反映血流阻力分配的物种差异。

肾脏分区血管异质性

皮质区血管密度最高（占网络60.3%），但髓质区血管间距最大（1.55±0.83 mm），为髓质生理性缺氧提供了解剖学解释。

这项研究建立了首个完整人肾动脉血管网络的开放数据库，其定量分析揭示了人肾特有的分支模式与血流动力学优化策略。特别重要的是，发现小血管（tSO 1-4）贡献了网络总体积的20%，这部分既往未被充分描述的血管区域可能在CKD病理过程中发挥关键作用。该成果不仅为器官芯片、生物打印提供了设计基准，其HiP-CT技术框架更可拓展至其他器官的血管研究，推动"人类器官图谱"计划的实施。研究数据已通过ESRF平台（human-organ-atlas.esrf.eu）开放共享，将加速数字孪生肾脏模型的开发与精准医学应用。