大鼠肝纖維化分期的流變特性分析

朱 穎，沈圓圓，陳 昕，林浩銘，汪天富，陳思平

醫(yī)學(xué)超聲關(guān)鍵技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室，廣東省生物醫(yī)學(xué)信息檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗室，深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院，深圳 518060

大鼠肝纖維化分期的流變特性分析

朱 穎，沈圓圓，陳 昕，林浩銘，汪天富，陳思平

醫(yī)學(xué)超聲關(guān)鍵技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗室，廣東省生物醫(yī)學(xué)信息檢測與超聲成像重點(diǎn)實(shí)驗室，深圳大學(xué)醫(yī)學(xué)院，深圳 518060

指出肝臟纖維化會導(dǎo)致生物組織的力學(xué)屬性發(fā)生改變，按照纖維化分期對大鼠肝臟組織進(jìn)行流變力學(xué)實(shí)驗.用Zener和Voigt兩類黏彈性模型解釋實(shí)驗得到的剪切模量.結(jié)果表明，Zener模型比Voigt模型能更好地描述大鼠肝纖維化各分期的組織流變特性，尤其是Zener模型的彈性系數(shù)E2從F1到F2期有顯著改變.研究還發(fā)現(xiàn)E2值可視為區(qū)分纖維化輕度 (F1期)以下、中度 (F2期)以上的分水嶺，這一發(fā)現(xiàn)為肝臟黏彈性與纖維化分級的理論研究提供了新思路.

生物力學(xué);肝纖維化;流變力學(xué);Zener模型;Voigt模型;彈性系數(shù);黏性系數(shù);剪切模量;大鼠肝臟

肝纖維化是危害人類健康的常見病之一.METAVIR評分系統(tǒng)把肝纖維化分為4級，其中，F(xiàn)0為無纖維化;F1為門靜脈旁纖維化不伴分隔;F2為門脈旁纖維化伴少量分隔;F3為大量分隔不伴肝硬化;F4為肝硬化［1］.在臨床診斷上，F(xiàn)1和F2期屬于輕、中度肝纖維化階段，一般認(rèn)為，此階段肝纖維化經(jīng)治療能逆轉(zhuǎn)恢復(fù)健康.從生物力學(xué)的角度來說，組織質(zhì)地變化意味著其力學(xué)特性的改變，馮元楨等［2］發(fā)現(xiàn)黏彈性 (viscoelasticity)是反映人體軟組織力學(xué)特性的最佳指標(biāo).黏彈性參數(shù)的定量獲得依賴于解釋軟組織對象所用的流變模型.文獻(xiàn)［3-8］采用生物力學(xué)手段對動物正常軟組織的流變特性及黏彈性屬性進(jìn)行研究，正常肝臟組織無病變，質(zhì)地均勻，通常采用Voigt模型描述其流變特性，該模型由一個彈簧和一個黏壺并聯(lián)而成.問題在于，由于肝臟組織發(fā)生病理改變，組織軟硬度分布不均，Voigt模型是否能描述肝纖維化組織的流變特性?迄今尚無報道.為此，本研究采用流變學(xué)法，探討適合描述大鼠肝纖維化分期的肝臟組織流變模型，通過定量獲取各分期肝臟的黏彈性屬性值，研究黏彈性屬性與纖維化分期的關(guān)系.

1 原理與方法

1.1 實(shí)驗原理

生物組織流變力學(xué)測量是對軟組織施加正弦應(yīng)變 (strain)觀察其相應(yīng)的應(yīng)力 (stress)響應(yīng)，定義應(yīng)力與應(yīng)變的比值為軟組織的復(fù)模量G*(ω)，

常用軟組織流變模型Voigt模型是由彈簧E1和黏壺η并聯(lián)而成，如圖1.Voigt模型的復(fù)模量定義為(ω)=E1+iωη，其中，E1為彈性系數(shù) (elasticity);η為黏性系數(shù) (viscosity).Voigt模型的復(fù)模量的模定義為

圖1 Voigt流變模型Fig.1 Voigt rheological model

圖2 Zener流變模型Fig.2 Zener rheological model

另一種流變模型Zener模型由彈簧E2和黏壺η串聯(lián)，再與彈簧E1并聯(lián)而成，如圖2.Zener模型的復(fù)模量定義為

其中，E1和E2為彈性系數(shù);η為黏性系數(shù).Zener模型的復(fù)模量的模定義為

通過判定系數(shù)R2判斷模型的擬合優(yōu)度

1.2 動物模型

本實(shí)驗采用雄性SD(Sprague Dawley)大鼠24只，體重在180～270 g(由廣東省醫(yī)學(xué)實(shí)驗動物中心提供)，其中模型組 (F1、F2、F3和F4期)18只，對照組 (F0期)6只.模型組的培養(yǎng)按每100 g體質(zhì)量0.3 mL皮下注射CCl4和橄欖油混合液(體積比為1∶1)，首次劑量加倍，2次/周.分別于2、5、9和13周后得到不同肝纖維化程度的大鼠.由于肝臟纖維化造模的成功與否，受培養(yǎng)方法和大鼠個體對藥物承受能力及肝臟自我修復(fù)能力的影響，肝纖維化分級與造模培養(yǎng)時間并不完全成正比.每只大鼠的纖維化分期通過病理切片和Masson三色染色檢查鑒定，這樣，模型組大鼠肝纖維化分期結(jié)果為F1期5只、F2期8只、F3期4只、F4期1只.實(shí)驗順序按照F0～F4分期進(jìn)行.將大鼠麻醉實(shí)行安樂死后，用手術(shù)刀片和直徑25 mm的圓形空心模子在肝臟上鉆取樣品組織 (樣品塊數(shù)視肝臟大小而定，每只大鼠可獲得1～2塊肝臟樣品)，并用手術(shù)小剪刀修正樣品的表面及邊緣，使其厚度均勻 (約 (4±1)mm)和邊緣光滑.因此實(shí)際的肝臟樣品數(shù)量為F0期6塊，F(xiàn)1期5塊，F(xiàn)2期9塊，F(xiàn)3期5塊，F(xiàn)4期2塊.流變學(xué)實(shí)驗所用儀器為美國TA旋轉(zhuǎn)流變儀AR1000系列，其上下平行板直徑為25 mm.實(shí)驗時，首先進(jìn)行應(yīng)變掃描測試 (strain sweep test)，應(yīng)變掃描范圍0.01% ～2%，分別在1 Hz和40 Hz振動頻率下進(jìn)行.接著，進(jìn)行頻率掃描測試 (frequency sweep test)，應(yīng)變控制在0.5%，頻率掃描范圍從 1～40 Hz，從而得到樣品的實(shí)驗數(shù)據(jù)，分別用Zener模型和Voigt模型進(jìn)行擬合.

圖3 肝纖維化分期的實(shí)測(星花)和擬合(實(shí)線)結(jié)果Fig.3 The experimental data(asterisks)and simulated results(solid lines)for each fibrosis stage

2 結(jié)果與討論

2.1 實(shí)驗結(jié)果

隨機(jī)選取每個分期的1塊樣品，共5個分期.根據(jù)Levenberg-Marquardt非線性最小二乘算法，分別利用式(2)和式(3)擬合實(shí)驗結(jié)果，如圖3.由圖3可見，各分期測量值隨頻率增加和纖維化程度加強(qiáng)而逐漸上升，說明肝臟的流變特性在纖維化過程中發(fā)生了明顯變化.

2.2 肝纖維化分期流變特性分析

根據(jù)兩種模型分別計算出各分期所有樣品的黏彈性參數(shù)值 (表1).從表1可見，在F0和F1期，Zener模型的彈性系數(shù)E1的數(shù)值均在幾百帕左右，數(shù)量級為102，而彈性系數(shù)E2的數(shù)值除982.17 Pa和1 378.90 Pa兩值外 (考慮到實(shí)驗各項因素累積誤差)，其余均達(dá)到了105～107的數(shù)量級;有趣的是，Voigt模型的E1和η與Zener模型的E1和η的數(shù)值非常接近，從而證實(shí)了本研究的推測:由于F0和F1期的彈性系數(shù)E2?E1，Zener模型的近似于Voigt模型.因此，在F0和F1期，兩種模型推算出的肝臟彈性系數(shù)E1和黏性系數(shù)η是非常近似的.在F2、F3和F4期，Zener模型的彈性系數(shù)E1發(fā)生了變化，總體上大于F0和F1期的E1值，且數(shù)量級上升到103，而彈性系數(shù)E2的數(shù)量級從F0和F1期的105～107下降到102.這也證實(shí)了本研究的推斷:從F2期開始，肝臟彈性系數(shù)E1和E2之間的數(shù)量級發(fā)生了變化，E1數(shù)量級有所增加，E2數(shù)量級下降幅度明顯.對于黏性系數(shù)η，F(xiàn)0期的黏性值變化較小，這是由于正常期的肝臟組織無病變，質(zhì)地較均勻;而F1～F4期的黏性值總體上較F0期有所增加，由于各期樣品之間的個體差異，纖維化病變區(qū)域分布不均，導(dǎo)致了各期樣品的黏性值差異較大.

表1 大鼠肝纖維化分期黏彈性系數(shù)值Table1 The viscoelasticity parameters of each fibrosis stage according to the models

圖4 各分期肝纖維化樣品的實(shí)驗結(jié)果平均值Fig.4 Mean values of experimental data of the specimens for each fibrosis stage

圖4為各纖維化分期樣品的實(shí)驗數(shù)據(jù)平均值(n為樣本個數(shù)).由圖4(a)和圖4(b)可見，兩種模型在F0期和F1期的擬合曲線幾乎是一致的，而在F2、F3和F4期 (圖4(c)～圖4(e))，Zener模型的擬合效果優(yōu)于Voigt模型.

兩種模型擬合效果的優(yōu)劣可通過計算判定系數(shù)R2的數(shù)值具體表現(xiàn)出來，見表2.R2越接近1，表明擬合效果越好.在F0和F1期，兩種模型的R2值相等，而在F2、F3和F4期，Zener模型的R2值遠(yuǎn)大于Voigt模型的R2值.由于F0期 (正常)肝臟組織質(zhì)地均勻且無病變，因此F0期實(shí)驗結(jié)果的誤差條是最短的 (圖4(a));隨著纖維化程度加深，肝臟的病理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，病變區(qū)域分布不均，黏彈性隨之發(fā)生改變，導(dǎo)致F1～F4期的個體實(shí)驗結(jié)果之間差異較大 (圖4(b)～圖4(e)).

表2 兩種模型擬合結(jié)果的判定系數(shù)R2值Table 2 The coefficient of determination R2of the fitting results of the two models

結(jié) 語

本研究對大鼠肝纖維化分期的流變力學(xué)特性進(jìn)行了研究，通過實(shí)驗獲得了各分期大鼠肝臟樣品的復(fù)剪切模量值，由此分析了肝臟隨分期改變的流變力學(xué)特性并利用兩種不同的流變模型計算出肝臟的黏彈性參數(shù).結(jié)果表明，Zener模型較Voigt模型更適合描述大鼠肝纖維化分期的流變特性，Zener模型的彈性系數(shù)E2在F1期以前和F2期以后表現(xiàn)出明顯的數(shù)量級差別.然而，Voigt模型由于缺少一個彈性系數(shù)，因此不能反映出該數(shù)量級特征.彈性系數(shù)E2值可視作區(qū)分肝纖維化輕度 (F1)以下和中度 (F2)以上的標(biāo)志.本研究的初始動機(jī)是用超聲彈性成像技術(shù)［9-12］對大鼠肝纖維化進(jìn)行研究.Voigt模型是超聲彈性成像技術(shù)中使用的傳統(tǒng)流變模型，但是其局限于正常軟組織的流變特性的描述.本研究填補(bǔ)了動物肝纖維化分期的流變模型及其黏彈性特性研究的空白，同時給目前以Voigt模型為傳統(tǒng)理論模型的超聲彈性成像技術(shù)，提供了新思路.

/References:

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2012-09-14;

2013-03-12

Rheological properties analysis of rats liver in fibrosis stages

Zhu Ying，Shen Yuanyuan，Chen Xin，Lin Haoming，Wang Tianfu，and Chen Siping?

National-Regional Key Technology Engineering Laboratory for Medical Ultrasound，Guangdong Key Laboratory for Biomedical Measurements and Ultrasound Imaging，School of Medicine，Shenzhen University，Shenzhen 518060，P.R.China

The process of liver fibrosis changes the rheological properties of tissue.This study characterized and compared liver fibrosis stages from F0 to F4 of rats using rheological mechanics experiments.Two viscoelasticity models—Voigt model and Zener model were applied to explaining the experimental data.The experiment results indicate that Zener model is preferred to Voigt model for describing rheological properties of each stage of liver fibrosis of rats，especially for describing the order of magnitudes of the elasticityE2of Zener model declining significantly from stage F1 to F2.The study indicate that the elasticityE2can be regarded as a watershed of mild fibrosis(≤F1)and moderate fibrosis(≥F2)，hence providing a new idea for the research of the relationship of liver.

biological mechanics;liver fibrosis;rheological mechanics;Zener model;Voigt model;elasticity;viscosity;shear modulus;rat liver

R 318.01;Q 66;R 333.4

A

10.3724/SP.J.1249.2013.02216

Foundation:National Natural Science Foundation of China(61031003，81101171)

?

Professor Chen Siping.E-mail:chensiping@szu.edu.cn

:Zhu Ying，Shen Yuanyuan，Chen Xin，et al.Rheological properties analysis of rats liver in fibrosis stages ［J］.Journal of Shenzhen University Science and Engineering，2013，30(2):216-220.(in Chinese)

國家自然科學(xué)基金資助項目 (61031003，81101171)

朱 穎 (1980-)，女 (漢族)，江西省彭澤縣人，深圳大學(xué)博士研究生.E-mail:jgwenzying@yahoo.com.cn

引 文:朱 穎，沈圓圓，陳 昕，等.大鼠肝纖維化分期的流變特性分析［J］.深圳大學(xué)學(xué)報理工版，2013，30(2):216-220.

【中文責(zé)編:晨 兮;英文責(zé)編:艾 琳】