《npj Biological Physics and Mechanics》：Thrombolysis as a multiscale physical process: linking molecular fibrin degradation to vascular recanalisation
溶栓是一个多尺度的生物物理过程，耦合了血流动力学、传输以及血凝块内部不断演化的纤维蛋白酶的降解作用。计算模型现已涵盖从分子到血管尺度的范围，纳入了随机纤维断裂、动态渗透率以及流固耦合。本综述确定血栓传输性能和力学性能的演化是关键的跨尺度中介因素，并概述了构建物理一致的多尺度框架以实现预测性、患者特异性溶栓建模的方向。
**引言**
血凝块形成是一种至关重要的止血反应，可在血管损伤后防止过度出血。结构上，血栓是一种异质性复合材料，由纤维蛋白纤维网络交织血小板、红细胞及其他血液成分组成。例如，在许多动脉型血凝块中，富血小板外壳包裹着高密度红细胞核心，形成空间异质性，这种异质性影响力学稳定性和治疗反应。当在完整血管内形成时，血栓阻塞血流并导致缺血性卒中、心肌梗死和肺栓塞等血栓栓塞性疾病。药物溶栓主要通过增强纤维蛋白溶解来恢复灌注，纤维蛋白溶解是酶降解纤维蛋白的过程，而纤维蛋白构成了血凝块的结构骨架。
治疗效果取决于血流动力学、血凝块微结构和力学以及药物特异性生化动力学之间的相互作用。然而，在体内分离这些耦合因素具有挑战性，因为临床研究受成本、伦理考虑和患者特异性差异的限制。因此，计算建模已成为一种补充性框架，可在生理学真实环境下系统分析药物转运、反应动力学和血凝块降解。现有模型通常分为两类。宏观尺度方法将血凝块视为多孔连续介质来描述血流动力学和药物转运，而微观尺度模型则解决纤维水平的降解和随机生化事件。尽管每类模型都提供了有价值的见解，但跨尺度的整合仍然有限。因此需要统一的多尺度框架，将分子纤维蛋白降解与患者特异性血管血流动力学联系起来。
本综述首先总结溶栓的生物学和生物物理学基础，包括纤维蛋白溶解机制、血凝块组成和力学行为，然后考察当前跨尺度的计算框架。特别强调血栓材料属性（如孔隙率、渗透率和刚度）的演化，作为将分子纤维蛋白降解与宏观再通连接起来的关键中介因素。建立整合这些机制的物理一致的多尺度模型，对于预测性、几何感知的溶栓模拟至关重要。
**溶栓药物和机制的基础**
**纤维蛋白溶解和溶栓的生理基础**
溶栓从根本上是对纤维蛋白溶解的药理学增强，纤维蛋白溶解是降解成熟血凝块内纤维蛋白的生理过程。由于血栓的力学完整性主要由交联纤维蛋白网络维持，有效治疗需要破坏这种结构支架。纤维蛋白溶解由纤溶酶原转化为活性丝氨酸蛋白酶纤溶酶启动，纤溶酶将纤维蛋白纤维切割成可溶性纤维蛋白降解产物。该反应主要发生在纤维蛋白表面，纤溶酶原及其激活剂可在此结合和相互作用，使该过程具有空间局限性和表面介导性。该级联受到内源性抑制剂的严格调控；纤溶酶原激活剂抑制剂-1（PAI-1）抑制纤溶酶原激活剂，而α2-抗纤溶酶使循环中的游离纤溶酶失活。因此，纤维蛋白溶解通常局限于血凝块微环境，并表现出非线性、反应受限的动力学。
**溶栓药物：机制和演化**
溶栓药物通过加速纤溶酶原向纤溶酶的转化来增强纤维蛋白溶解。尽管所有药物均促进纤维蛋白降解，但它们在激活机制、纤维蛋白特异性、药代动力学以及对内源性抑制剂的敏感性方面存在差异。这些差异直接影响纤溶酶生成的空间定位、全身暴露和出血风险。
链激酶是第一代溶栓治疗药物，是一种细菌蛋白，与纤溶酶原形成复合物后获得催化能力，无需纤维蛋白结合。因此，纤溶酶生成不局限于血凝块表面，增加了全身纤维蛋白原耗竭和出血的风险。其免疫原性也限制了重复给药。尿激酶是一种丝氨酸蛋白酶，直接切割纤溶酶原为纤溶酶，但同样缺乏强纤维蛋白特异性。其酶原形式尿激酶原可被纤溶酶激活，形成正反馈环放大纤维蛋白溶解，但可能促进全身蛋白水解。
相比之下，组织型纤溶酶原激活剂（tPA）表现出纤维蛋白依赖性激活。通过与纤维蛋白和纤溶酶原形成三元复合物，tPA将纤溶酶生成定位在血凝块表面，使其具有血凝块特异性。然而，其血浆半衰期短，由于被纤溶酶原激活剂抑制剂-1（PAI-1）快速抑制和肝脏快速清除，需要控制输注且不能完全消除全身出血风险。工程变体如瑞替普酶和替奈普酶旨在改善药代动力学。瑞替普酶延长半衰期但降低纤维蛋白结合亲和力，而替奈普酶增加对PAI-1的抗性并增强纤维蛋白特异性。这些机制差异对于多尺度建模尤其相关，因为它们决定了反应动力学、抑制剂相互作用以及异质性血栓内的转运-反应耦合。
**治疗策略和给药方式**
溶栓疗效不仅取决于分子激活机制，还取决于药物在血管系统和血凝块微环境中的输送和转运方式。给药途径决定全身暴露、浓度梯度和穿透深度，从而影响异质性血栓内纤溶酶生成的空间分布。
静脉溶栓是最广泛使用的方法。它依赖体循环将药物输送到闭塞部位。向血凝块的转运受患者血管中对流流动和向多孔血栓内扩散的控制。在致密或大的血凝块中，快速抑制剂相互作用和有限的渗透性可能将有效的纤溶酶生成限制在血凝块表面，导致向内传播的溶解。因此，孔隙率、渗透率和纤维蛋白密度严格调节治疗反应。
动脉内给药通过直接在闭塞附近输注药物改变这些转运限制。局部给药增加血凝块界面的浓度，并可增强对流穿透，特别是在部分再通的血管中。然而，演化中的流场和结构降解动态重塑浓度梯度，使治疗结果强烈依赖于耦合的转运-结构相互作用。
基于纳米载体的策略旨在增强血凝块特异性和局部药物浓度，同时减少全身暴露。包封可以延长循环时间，靶向配体促进在纤维蛋白或活化血小板表面的积累，改变血栓内的有效转运和结合动力学。还提出了使用磁驱动微轮共递送tPA和纤溶酶原，以增强局部积累并克服血栓内的转运和底物限制屏障。
联合策略旨在通过整合互补激活剂或增加血凝块表面积和渗透性的机械干预来克服单一疗法的结构和转运限制。在临床实践中，静脉溶栓可与机械取栓相结合，通过生化血凝块降解和直接血管内移除提供互补机制。
在所有给药方式中，治疗结果由药物动力学、转运过程和血凝块结构转化之间的相互作用所决定。
**与溶栓相关的血凝块生物物理和力学特性**
溶栓涉及多孔血栓内的耦合转运、生化反应和机械重构。出于建模目的，血凝块必须被视为动态复合材料结构，其演化的材料属性控制药物渗透和溶解进展。
血栓由交联纤维蛋白网络组成，该网络捕获红细胞、血小板和其他细胞成分。这种结构赋予血凝块多孔介质的特征，其中间质转运由耦合的对流和扩散控制。孔隙率和渗透率随组成而变化。富含红细胞和富含纤维蛋白的血栓表现出不同的微观结构，导致不同的水力阻力和药物可及性。这些特征为连续介质描述（如达西和布林克曼公式）提供了物理基础。
富红细胞血凝块通常包含高密度红细胞核心和相对较松散的纤维蛋白支架，而富纤维蛋白血凝块则表现出致密交联纤维蛋白网络和较小的孔径。这些结构差异影响孔隙率、渗透率和机械刚度，从而影响血栓内转运和对溶栓的易感性。在动脉血栓中，富红细胞血凝块通常突出，而静脉血栓更常富纤维蛋白。
转运行为还取决于局部血流动力学。扩散在灌注不良区域占主导，而对流在血凝块-管腔界面附近变得显著。因此药物穿透受固有渗透率和局部对流与扩散传输平衡的控制。
机械上，纤维蛋白网络表现出非线性粘弹性行为和在血流动力学负荷下的应变刚化。血小板驱动的收缩进一步压缩网络，减小孔径和渗透率。在溶栓过程中，纤维切割削弱连接性，导致机械软化和孔隙率逐渐增加。这些结构变化直接改变水力阻力和反应传播。血流施加剪切和压力负荷，可诱导变形、侵蚀或碎裂，特别是在溶解过程中刚度降低时。机械失稳因此可能与生化降解协同作用，增加栓塞风险。
总的来说，溶栓必须被解释为一个动态耦合过程，其中演化的孔隙率、渗透率和刚度随时间调节转运和血流动力学。表1提供了用于描述血栓微观结构及其相关转运和力学特性的已建立相关性概述。由于表1中每个渗透率相关性均针对特定条件集推导，方程选择应依据血凝块组成、纤维组织和组分体积分数进行指导。
**多尺度建模框架**
**药代动力学和药效学模型：系统尺度**
药代动力学和药效学（PK/PD）模型描述溶栓药物在系统水平的时间演化浓度。通常以房室质量平衡系统形式表达，量化药物分布、清除和与循环蛋白的相互作用。虽然这些模型不解析空间血流动力学和血栓内转运，但它们提供与剂量和安全性评估相关的生理学真实时间浓度曲线。
在多尺度溶栓建模中，PK/PD框架通常作为上层组件，向空间分辨的血凝块尺度模型提供时间依赖性血浆浓度。如图3所示，从一室或两室模型计算的全身暴露可耦合到简化的一维或二维转运公式或三维患者特异性血管模拟。在这种层级结构中，PK/PD模型提供临床依据的边界条件，而非直接预测再通过程。
**连续介质血流动力学和多孔血凝块转运模型**
连续介质溶栓模型将血凝块理想化为多孔介质，并通过耦合场方程描述血流动力学、药物转运和生化反应。尽管纤维尺度结构被空间平均，这些模型能够在临床相关尺度上定量分析转运-反应耦合和结构演化。
早期工作将血栓视为均匀多孔介质，受达西定律控制，并与一维对流-扩散-反应（CDR）方程耦合用于物质转运。Diamond和Anand建立了同时模拟游离和纤维结合物种的框架，纳入米氏动力学和吸附-解吸动力学。后续扩展包括α2-抗纤溶酶和PAI-1等额外抑制剂，增强生理保真度。
与系统PK/PD模型耦合使得剂量方案可作为时间依赖性入口边界条件应用。Gu等人将两室PK模型与多孔血凝块内的一维CDR公式整合，展示了再通时间和全身纤维蛋白原耗竭之间的权衡。Yang等人进一步纳入药物特异性动力学，在同一转运框架内比较溶栓药物，包括阿替普酶、尿激酶、替奈普酶和瑞替普酶。
为克服一维模型的几何限制，二维方法显式解析了血凝块周围的自由流动区域。Wootton等人采用二维充分发展流动与CDR方程耦合，在壁面纤维蛋白血凝块中假设简化的轴向血栓内转运，证明外部血流动力学控制血凝块表面的边界层转运。类似地，Pleydell等人使用抛物线速度分布近似显示再通后场景中显著的上游-下游异质性。
一个重大进展是统一纳维-斯托克斯-布林克曼公式的引入，使自由流动和多孔区域能够在单一计算域内同时求解。在血栓内，假设均匀多孔介质，采用包含达西阻力项的布林克曼型动量方程。该公式允许多维转运并动态耦合流动和反应。重要的是，孔隙率和渗透率被引入为与纤维半径相关的时变状态变量，使结构降解能够通过经验推导的相关性修改水力阻力。这种生化活性、结合位点耗竭、渗透率演化和流场重构之间的反馈标志着向完全耦合多物理场建模的概念性转变。
后续扩展纳入患者特异性三维几何和生理边界条件。Piebalgs等人将该框架应用于解剖学上真实的颈内动脉（ICA）分叉，结合一室PK推导的入口浓度和出口处三元件Windkessel（WK）模型，以捕捉再通期间的流动-压力耦合。他们的结果表明几何诱导的溶解前沿传播不对称性。Gu等人进一步分析了延伸ICA至大脑中动脉（MCA）分叉中血凝块位置和体积的影响，显示溶解时间非线性增加和远端节段的扩散限制转运。
最近，通过流固耦合（FSI）模型纳入了血管壁顺应性。考虑搏动性和壁弹性显著改变预测的溶解动力学（在超弹性假设下溶栓时间增加约1.3倍），强调了血管尺度血流动力学-力学耦合的重要性。
总的来说，连续介质溶栓建模已从一维达西-反应公式发展到具有动态渗透率反馈和生理学真实边界条件的几何感知三维纳维-斯托克斯-布林克曼-FSI框架（图4），关键方法学特征总结于表2。然而，这些方法固有地依赖于纤维网络和简化反应网络的空间平均，促使与能够解析纤维水平异质性的微观尺度模型整合。
**细胞和纤维尺度的离散和随机模型**
连续介质血凝块模型依赖空间平均的孔隙率和渗透率，无法直接解析微观结构。然而，实验和纤维尺度研究表明，网络结构（如纤维直径、交联和异质性）强烈影响降解动力学，特别是在酶受限条件下。此外，tPA的生理浓度低使得纤维蛋白溶解固有地随机，促使显式建模离散分子事件的微观尺度方法。
早期微观尺度模型将血凝块视为离散力学网络。Bajd和Ser?a将红细胞表示为通过粘弹性纤维蛋白键互连的粒子，受牛顿第二运动定律控制。血凝块溶解被现象学地建模为生化键衰变（腐蚀）和机械诱导侵蚀的组合过程。模拟显示在高剪切下碎裂和栓塞增加，突出流动诱导应力与结构失效之间的相互作用。
Bannish等人开发的随机纤维尺度框架是一个重大进展。单个纤维蛋白纤维被建模为原纤维组装体，经历由主方程控制的离散纤溶酶介导切割事件。使用Gillespie采样，获得纤维断裂时间和酶停留统计，并耦合到三维晶格血凝块模型。这种微观到血凝块尺度的耦合表明纤维结构调节溶解前沿传播：尽管较粗纤维单独更抗切割，但在酶受限条件下由于表面积分布差异可加速整体降解。
Risman等人扩展该框架纳入血凝块收缩。通过独立变化体积收缩、纤维蛋白再分布和致密化，他们确定外周纤维蛋白致密化（而非单纯收缩）是限制酶穿透的主要机制。致密外周层有效捕获tPA，延迟富红细胞核心的降解。后续改进纳入纤溶酶介导的强制解离，允许tPA瞬时结合纤维蛋白降解产物（FDP）。取决于FDP大小，该机制要么增强有效扩散，要么限制穿透，揭示纤溶酶在切割和空间再分布中的双重作用。
在单纤维水平，Ouedraogo等人开发了二维随机横截面模型，追踪纤溶酶在原纤维之间的“爬行”。纤维断裂被证明不仅取决于切割分数，还取决于固有机械张力，较粗纤维在失效前需要较小的降解分数。这项工作为多尺度模型中先前经验规定的微观断裂规则提供了定量基础。
由于完整微观尺度模拟在血管尺度上计算受限，介观方法尝试更高效地桥接结构和血流动力学。混合粒子-连续介质模型将血栓视为与解析血流耦合的离散单元集合，无需显式模拟分子动力学即可实现剪切驱动侵蚀。格子玻尔兹曼方法（LBM）将血凝块表示为具有演化固体分数的多孔介质，随着纤维蛋白降解动态更新渗透率，并再现表面局部的溶解前沿。与许多连续介质模型不同，生化反应网络被极其简化为纤维蛋白与替代溶栓因子之间的有效反应。
总之，随机纤维尺度和介观模型建立了层级框架，其中微观断裂统计为有效渗透率演化提供信息，从而影响宏观溶解动力学。这些方法为物理一致的跨尺度溶栓建模提供了必要的结构闭合。图5显示了这些微观和介观尺度溶栓模型的时间线演化线和关键方法学进展，强调从基于粒子的力学描述向复杂生物物理和随机表示的转变。
**迈向整合的多尺度模型**
溶栓本质上是一个多尺度过程：分子酶-纤维蛋白相互作用逐步改变血凝块结构，进而重塑血管尺度血流动力学。连接这些尺度的核心中介因素不仅仅是反应动力学，而是血栓材料属性的时变演化。关键的跨尺度桥接变量包括孔隙率、渗透率、纤维密度和弹性模量。纤维切割减少交联密度、增加孔径并削弱机械完整性，从而改变水力阻力和血流再分布。结构降解和血流动力学因此动态耦合。这种相互的化学-力学相互作用被称为机械-溶解作用，涵盖机械负荷对纤维蛋白溶解的影响以及溶解诱导的血凝块力学属性演化。
然而，这种溶解依赖性血凝块力学演化在当前血管尺度溶栓模型中仅被部分表征。尽管一些连续介质模型已纳入孔隙率和渗透率的动态变化，但将纤维蛋白降解与时间依赖性力学属性和失效行为联系起来的经过实验验证的本构关系仍然有限。未来的多尺度模型应因此将局部生化降解与演化的血凝块力学耦合，并考虑其对血流动力学负荷和结构失效的影响。
这种机械-溶解耦合对于药物溶栓和机械取栓联合治疗的建模尤其相关。溶解诱导的血凝块属性变化可能影响随后的装置-血凝块相互作用和机械移除。尽管溶栓和机械取栓的计算模型已分别开发，但将溶解依赖性血凝块力学属性与装置-血凝块相互作用显式耦合的模型仍然缺乏。这一联合治疗场景因此突出了在将生化溶栓与随后的机械血凝块移除联系起来时考虑溶解诱导的血凝块属性变化的重要性。
为将这种血凝块属性演化纳入多尺度溶栓模型，可采用两种互补策略将微观尺度降解与血管尺度模型耦合。在顺序（基于闭合的）方法中，微观尺度模拟提供嵌入连续介质血流动力学求解器的演化的转运和力学属性本构关系。在并发（双向）方法中，代表性微观尺度模型被局部求解并均匀化，以提供时间依赖性有效转运和力学参数，实现局部结构失效与全局血流再分布之间的双向反馈。然而，全域并发耦合计算成本仍然很高。一种实用的替代方案是在溶解前沿附近局部化高分辨率建模，那里结构转变最显著。界面追踪（拉格朗日）或扩散界面（欧拉）公式可能提供处理几何演化的有效手段，同时保持与流动的耦合，并建立在现有连续介质血流动力学模型之上。
时间尺度分离进一步支持多速率策略：快速酶结合和切割、中间纤维断裂和较慢的渗透率演化及血流动力学再分布可以用不同时间步长集成。
对于患者特异性预测现实剂量方案，降阶或基于学习的替代模型可以近似微观尺度闭合，同时保持血管尺度分辨率。物理信息反演建模可额外支持从有限观测数据中估计患者特异性血栓渗透率和力学属性。此类框架还支持微观尺度参数（如纤维直径分布和交联密度）的不确定性量化及其对宏观再通的影响。
**结论与挑战**
本综述追踪了溶栓建模从早期扩散-反应公式到整合连续介质血流动力学、动态孔隙率-渗透率反馈、患者特异性几何、流固耦合和随机纤维尺度降解的多尺度框架的发展。总体而言，这些进展已将溶栓确立为受血凝块材料属性演化控制的耦合转运-反应-力学过程。
尽管取得了实质性进展，但在这些模型成为预测性临床工具之前，仍存在几个关键挑战：溶解条件下的本构关系：将纤维蛋白结构、交联密度和降解状态与主动溶解条件下的时间依赖性渗透率和机械刚度联系起来的经过实验验证的本构定律仍然缺乏。没有这些关系，结构-性能耦合在很大程度上仍是经验性的。多物理场耦合的验证：当前验证工作通常侧重于全局指标如溶解时间，而空间溶解进展、血流再分布和渗透率演化很少在体内定量。需要协调的实验-计算研究，针对成像衍生的宏观终点（如再通或灌注）以及可用的CT或MRI血凝块表征指标，验证耦合的血流动力学-转运-力学相互作用。血凝块异质性和组成：真实血栓是纤维蛋白、血小板、红细胞和调节蛋白的异质复合材料。组成、收缩状态和老化差异显著影响转运和力学行为。纳入图像信息结构数据和生化调节仍然是一个开放挑战。严格的微观到宏观升尺度：虽然当前纤维尺度模型提供断裂统计和随机动力学，但将这些结果系统地转化为连续介质水平有效参数（如渗透率张量、弹性模量）尚未完全建立。需要物理一致的均匀化策略。患者特异性整合：预测能力需要将血凝块尺度模拟与患者特异性血管几何、血流动力学和体循环模型耦合，以考虑患者特异性调节反应和侧支血流再分布。高效计算框架和不确定性量化对于转化部署至关重要。
未来进展将较少依赖于增加模型复杂性，而更多依赖于加强物理一致性、实验验证和跨尺度连贯性。认识到血栓材料属性的演化介导了从分子纤维蛋白降解到血管再通的转变，为下一代多尺度溶栓建模提供了统一框架。
