血流動力學(xué)對主動脈瓣鈣化的影響

退行性主動瓣疾病(degenerative aortic valve disease，DAVD)是老年退行性心臟瓣膜病的最常見類型，表現(xiàn)為瓣膜彈性減低、瓣膜增厚及鈣化斑塊形成引起瓣膜關(guān)閉不全甚至狹窄。其發(fā)病率呈增長趨勢，已成為老年人心力衰竭、心律失常、暈厥及猝死的主要原因之一[1]。

病理學(xué)研究顯示:早期DAVD的病變機制與動脈粥樣硬化相類似，即主動脈瓣葉表面的內(nèi)皮細胞層遭到破壞之后，淋巴細胞和巨噬細胞等炎性細胞浸潤，導(dǎo)致瓣膜內(nèi)脂質(zhì)的沉積及炎性細胞因子釋放，造成瓣膜間質(zhì)細胞增生、活化和細胞外基質(zhì)的重構(gòu)，導(dǎo)致瓣膜鈣化受損[2]，長期的瓣膜受損可引起主動脈瓣的關(guān)閉不全和狹窄。而主動脈瓣狹窄易引起局部血流速度的增加形成湍流，這種血流的紊亂又可加重該疾病發(fā)展。近年來研究表明，主動脈瓣及其支架長期受血流沖擊、磨損、機械力作用是促進其鈣化的重要因素。因此了解血流動力學(xué)對主動脈瓣的影響能使我們更好的理解退行性主動脈瓣疾病的發(fā)展，并對如何干預(yù)其過程提供更多依據(jù)。

1主動脈瓣的結(jié)構(gòu)及功能

主動脈瓣由三個半月瓣（左冠瓣、右冠瓣、無冠瓣）構(gòu)成，相鄰瓣膜基底部的兩端互相交織處， 形成主動脈瓣聯(lián)合。主動脈瓣環(huán)位于主動脈瓣的基底部的附著處， 由三個弧形環(huán)連接而成。瓣膜相對的動脈壁向外膨出， 瓣膜與動脈壁之間的空腔稱主動脈竇。每個主動脈瓣葉包含了三層結(jié)構(gòu)，從主動脈方向往心室方向依次被命名為纖維層，松質(zhì)層和心室層。纖維層主要由環(huán)向排列的膠原蛋白纖維束組成，使瓣葉最外層呈波紋狀，在心臟舒張時能得到最大的舒展；松質(zhì)層主要成分為氨基葡聚糖，這種成分可以吸收水分，對瓣葉運動產(chǎn)生的沖擊力起到了很好的緩沖作用。心室層主要由徑向排列的彈性蛋白纖維組成，使瓣葉能重復(fù)地開啟關(guān)閉，同時也為纖維層提供反沖張力，使纖維層在伸展后能恢復(fù)波紋形狀[3]。

主動脈瓣瓣葉細胞成分有兩種：內(nèi)皮細胞和間質(zhì)細胞。內(nèi)皮細胞位于瓣葉表面，環(huán)向排列并垂直于血流方向，可合成ET-1和NO等血管活性物質(zhì)。間質(zhì)細胞是瓣膜的主要細胞，對瓣膜的正常功能和瓣膜病的發(fā)生、發(fā)展起著重要作用，可以合成膠原蛋白、葡聚糖和彈性蛋白三種細胞外基質(zhì)。間質(zhì)細胞有三種表型：平滑肌細胞型、成肌纖維細胞型和成纖維細胞型。間質(zhì)細胞表型的變化受到其周圍血流動力學(xué)的影響。正常瓣膜間質(zhì)細胞呈梭形，表達波形蛋白和少量的α-平滑肌肌動蛋白，不表達成骨標志物堿性磷酸酶。瓣葉的力學(xué)性能主要由彈性蛋白纖維和膠原蛋白纖維表現(xiàn)，通過兩者協(xié)調(diào)的生物機械運動，使瓣葉在其運動循環(huán)周期內(nèi)得到最大的形變。瓣葉開啟時，彈性蛋白纖維被拉伸，膠原蛋白纖維處于被壓縮狀態(tài)；瓣葉閉合時，膠原蛋白伸展，應(yīng)力負荷從彈性蛋白纖維轉(zhuǎn)移到膠原蛋白纖維[4]。

2主動脈的血流動力學(xué)

主動脈瓣是位于左心室和主動脈之間的半月瓣，它調(diào)整著左心室與主動脈之間的血液的單向流動，同時最大限度地提高流量和減少流動的阻力。在健康個體中，血液通過主動脈瓣的流速峰值可達1.35m/s[5]。收縮末期瓣膜關(guān)閉伴有很少的血流通過主動脈瓣返流回左心室。在收縮期，血流在主動脈竇里形成渦流，渦流的形成使主動脈瓣得到一個有效的快速關(guān)閉。主動脈瓣經(jīng)歷的力學(xué)環(huán)境比較復(fù)雜，包括血流剪切應(yīng)力、壓力、拉伸力和彎曲力。這些力學(xué)變化引起了大量的生物反應(yīng)，包括基因的表達，蛋白質(zhì)的活化和瓣膜間質(zhì)細胞表型的變化，從而調(diào)節(jié)著主動脈瓣的組織結(jié)構(gòu)。

2.1流體剪切力的影響血流剪切力是指血液作用于單位面積血管內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力，其大小與管壁的順應(yīng)性、管徑、流速和黏滯度相關(guān)。管徑越大，流速越低，剪切力越小， 反之則相反。主動脈瓣上的剪切力取決于血液經(jīng)過瓣膜時的血流狀況以及瓣葉的循環(huán)運動。心室收縮時血液流經(jīng)主動脈瓣葉心室面，此時剪切力作用于心室層面，心室舒張期，血液匯聚于主動脈竇，剪切力作用于瓣葉的纖維層面。剪切力由內(nèi)皮細胞感知，并將此信號傳遞到細胞外基質(zhì)及間質(zhì)細胞，不同的剪切力模式可引起內(nèi)皮細胞不同的反應(yīng)[6]。瓣葉不同層面的剪切力大小和性質(zhì)有很大的差別。Yap等[7]通過使用激光多普勒流速計對主動脈瓣的纖維層和心室層進行剪切力測定發(fā)現(xiàn)，瓣膜纖維層所受剪切力水平遠遠低于心室層面，其本質(zhì)為震蕩剪切力，瓣葉心室層面所受剪切力為高水平層切力。由于纖維層與心室層所受剪切力的性質(zhì)和大小不同，從而影響了這兩層間細胞基因表達的不同[8]，瓣葉纖維層面的保護性標志物如骨保護素、甲狀旁腺素、C型利鈉肽、骨形態(tài)形成蛋白拮抗劑等的表達相對較少，因此主動脈瓣的纖維層更易發(fā)生病變。研究表明，當剪切力變化時，瓣葉纖維層炎癥標志物如：血管細胞粘附分子-1、細胞間粘附分子、轉(zhuǎn)化生子因子-β1、BMP-2的表達比心室層明顯上升[9]。這些標志物在瓣葉纖維層的特定表達表明了瓣膜的鈣化往往優(yōu)先發(fā)生于瓣葉的纖維層。剪切力可導(dǎo)致瓣膜間質(zhì)細胞表型的變化，Butcher JT等[10]將豬主動脈瓣膜間質(zhì)細胞在穩(wěn)定剪切力下進行培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，瓣膜間質(zhì)細胞呈現(xiàn)相對激活狀態(tài)， 高表達α-平滑肌肌動蛋白（SMA）和成骨標志物堿性磷酸酶活性明顯升高，表型向收縮表型和成骨表型轉(zhuǎn)化。而研究表明，間質(zhì)細胞的這種表型變化可能為瓣膜鈣化的病理基礎(chǔ)。當瓣膜間質(zhì)細胞與瓣膜內(nèi)皮細胞共培養(yǎng)時可顯著降低間質(zhì)細胞鈣沉積，減弱鈣化間質(zhì)細胞收縮能力，并下調(diào)α-平滑肌肌動蛋白表達，降低堿性磷酸酶活性，抑制骨鈣素等表達，使激活的間質(zhì)細胞呈靜息狀態(tài)，緩解鈣化。其機制可能在于內(nèi)皮細胞抑制間質(zhì)細胞的激活表型變化，使間質(zhì)細胞呈現(xiàn)相對靜息狀態(tài)?；|(zhì)金屬蛋白酶和組織蛋白酶在各類組織重塑中發(fā)揮著重要作用，而且往往在主動脈瓣病變的早期表達[11]。Platt MO等[12]體外研究發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定的層流剪應(yīng)力能降低組織蛋白酶L活性和組織蛋白L的表達，由于組織蛋白酶L的功能是降解膠原蛋白，導(dǎo)致膠原蛋白含量增加，從而使細胞外基質(zhì)的合成與降解之間形成新的動態(tài)平衡。

2.2壓力的影響在體內(nèi)，作用于主動脈瓣上的壓力隨心室的收縮和舒張而周期性變化，壓力的改變可引起瓣葉長度的改變。正常生理條件下，收縮期瓣膜所受跨瓣壓差很小只有幾毫米汞柱，隨著主動脈瓣狹窄程度的增加收縮期跨瓣壓可達40mmHg。在舒張期，閉合的主動脈瓣受到的垂直跨瓣壓差約80-90毫米汞柱，高血壓時，跨瓣壓差可達180~200mmHg[13]。該壓力由瓣葉的膠原纖維層所支撐并被傳送到間質(zhì)細胞內(nèi)。高血壓在主動脈瓣狹窄的初始階段起著重要作用，研究發(fā)現(xiàn)，有癥狀的主動脈瓣狹窄的患者中有1/3患有高血壓[14]。壓力的升高增加了瓣葉的機械應(yīng)力，可導(dǎo)致細胞功能障礙、炎癥及細胞外基質(zhì)的重構(gòu)[15]。研究表明，壓力的升高，可增加膠原蛋白的合成，降低α-平滑肌肌動蛋白的表達[16]，抑制間質(zhì)細胞表型的活化。波形蛋白由間質(zhì)細胞產(chǎn)生，是一種保護性的細胞骨架成分，高壓力可引起波形蛋白的減少，從而降低瓣膜的保護機能。高血壓壓力下可增加膠原蛋白的合成， 顯著降低組織蛋白酶L的活性，輕度抑制基質(zhì)金屬蛋白酶的2/9活性，從而導(dǎo)致了細胞外基質(zhì)的重構(gòu)，引起瓣膜增厚及鈣化[17]。Warnock等研究發(fā)現(xiàn)，壓力的升高可增加血管細胞粘附分子-1表達，誘發(fā)炎癥反應(yīng)[18]。因此高血壓在主動脈瓣鈣化的病理過程中起著重要作用。

2.3循環(huán)拉伸力的影響拉伸力是主動脈瓣所經(jīng)受的力量之一，它可以使主動脈瓣的瓣葉拉伸，在舒張期與另外兩個瓣尖緊密結(jié)合。正常生理條件下，在舒張期主動脈瓣葉大約可伸展10％，隨著年齡的增長瓣葉組織可伸展性隨之降低。其原因可能是由于膠原原纖維的不斷形成增加了部分纖維的直徑，使瓣葉組織的順應(yīng)性降低，因此要產(chǎn)生相同的伸展，將需要更大的拉伸力。Batten等報道拉伸力的增大可上調(diào)間質(zhì)細胞中膠原的合成，減少氨基葡聚糖的含量并使間質(zhì)細胞向收縮表型轉(zhuǎn)換[19]。瓣膜間質(zhì)細胞通過合成膠原來改變瓣膜的剛度來適應(yīng)其受到的拉伸力，而瓣膜的剛度對瓣膜鈣化有重要調(diào)節(jié)作用[20]。Sucosky等[21]研究發(fā)現(xiàn)，拉伸力的增加可上調(diào)基質(zhì)金屬蛋白酶和組織蛋白酶S/K的活性，降低金屬蛋白酶組織抑制劑的活性。FerdousZ[22]等通過用組織工程將人主動脈瓣膜間質(zhì)細胞在特定設(shè)計的生物反應(yīng)器中培養(yǎng)發(fā)現(xiàn)，在非生理性的循環(huán)拉伸力下，成骨蛋白（BMP）- 2、BMP-4以及轉(zhuǎn)化生子因子-β1的表達上升，研究表明，成骨蛋白與轉(zhuǎn)化生子因子-β1均參與了主動脈瓣鈣化過程。因此拉伸力對主動脈瓣的鈣化起著重要調(diào)節(jié)作用。

2.4 彎曲應(yīng)力的影響彎曲應(yīng)力是拉伸力和壓縮應(yīng)力的共同作用形成的。拉伸力對瓣膜的影響較大，壓縮力的影響較小。Thubrikar等利用不透X射線的物質(zhì)置于主動脈瓣瓣葉， 在X線透視下觀察瓣葉的彎曲度， 通過計算瓣葉的應(yīng)力分布， 發(fā)現(xiàn)瓣葉與瓣環(huán)結(jié)合處彎曲應(yīng)力最大， 這與臨床病例瓣膜易鈣化的部位一致。

3結(jié)語

血流與瓣膜組成了一個耦合系統(tǒng)， 血流動力學(xué)作用于瓣膜， 而瓣膜的變形反過來又影響流體的力學(xué)特性，因此將瓣膜和血流動力學(xué)作為一個耦合系統(tǒng)進行研究才是更合理的。外科手術(shù)治療是對退行性心臟瓣膜病進行根治的唯一方法，手術(shù)方式主要包括瓣膜成形術(shù)及瓣膜置換術(shù)。因此，了解心臟瓣膜的血流動力學(xué)特征對瓣膜病病理和病理生理的探索、瓣膜手術(shù)的設(shè)計、術(shù)后遠期療效以及人工心臟瓣膜的研制均有重要意義。

參考文獻：

[1]Otto CM，Lind BK ，Kitzman DW，et al. Association of aortic valve sclerosis with cardiovascular mortality and morbidity in the elderly[J]. N Engl J Med ，1999 ，341 (3):142-147.

[2]Kaden JJ，Dempfle CE，Grobholz R，et a1．Inflammatory regulation of extracellular matrix remodeling in calcific aortic valve stenosis[J]．Cardiovasc Pathol，2005，14(2)：80—87．

[3]Sacks， M. S.， W. David Merryman， and D. E. Schmidt.On the biomechanics of heart valve function[J]. J Biomech，2009，42(12):1804–1824.

[4]Butcher JT， Simmons CA， Warnock JN. Mechanobiology of the aortic heart valve[J].J Heart Valve Dis 2008，17(1):62-73.

[5]Otto CM. Evaluation and management of chronic mitral regurgitation[J].New England Journal of Medicine， 2001，345(10):740–746.

[6]Mazzag， B.， and A. Barakat. The effect of noisy flow on endothelial cell mechanotransduction: a computational study[J]. Ann. Biomed. Eng，2011， 39(2): 911–921.

[7]Yap， C.， N. Saikrishnan， G. Tamilselvan， and A. Yoganathan .Experimental measurement of dynamic fluid shear stress on the aortic surface of the aortic valve leaflet[J].Biomech Model Mechanobiol， 2012， 11(1-2): 171–182.

[8]Simmons， C. A.， G. R. Grant， E. Manduchi， and P. F.Davies. Spatial heterogeneity of endothelial phenotypes correlates with side-specific vulnerability to calcification in normal porcine aortic valves[J]. Circ Res，2005，96(7):792–799.

[9]Freeman，R. V.，and C. M. Otto. Spectrum of calcific aortic valve disease: pathogenesis， disease Progression ， and treatment strategies[J]. Circulation， 2005，111(24):3316–3326.

[10]Butcher JT， Nerem RM. Valvular endothelial cells regulate the phenotype of interstitial cells in co-culture: effects of steady shear stress[J].Tissue Eng，2006，12(4):905–915.

[11]Otto CM. Calcific aortic stenosis—Time to look more closely at the valve[J].New England Journal of Medicine，2008，359(13):1395–1398.

[12]Platt MO， Xing Y， Jo H， Yoganathan AP. Cyclic pressure and shear stress regulate matrix metalloproteinases and cathepsin activity in porcine aortic valves[J].Journal of Heart Valve Disease ， 2006， 15(5):622–629.

[13]Xing， Y.， J. N. Warnock， Z. He， S. L. Hilbert， and A. P.Yoganathan. Cyclic pressure affects the biological properties of porcine aortic valve leaflets in a magnitude and frequency dependent manner[J]. Ann Biomed Eng，2004，32(11):1461–1470.

[14]Antonini-Canterin， F.， G. Huang， E. Cervesato， P. Faggiano，D. Pavan， R. Piazza， et al. Symptomatic aortic stenosis: does systemic hypertension play an additional role[J]? Hypertension，2003，41(6):1268–1272.

[15]Rajamannan， N. M.， R. O. Bonow， and S. H. Rahimtoola.Calcific aortic stenosis: an update[J]. Nat Clin Pract Cardiovasc Med，2007，4(5):254–262.

[16]Weston， M.， and A. Yoganathan. Biosynthetic activity in heart valve leaflets in response to in vitro flow environments[J].Ann Biomed Eng，2001，29(9):752–763.

[17]Thayer， P.， K. Balachandran， S. Rathan， C. Yap， S.Arjunon， H. Jo， et al. The effects of combined cyclic stretch and pressure on the aortic valve interstitial cell phenotype[J].Ann Biomed Eng，2011，39(6):1654–1667.

[18]Warnock JN， Burgess SC， Shack A， Yoganathan AP. Differential immediate-early gene responses to elevated pressure in porcine aortic valve interstitial cells[J].Journal of Heart Valve Disease，2006，15(1):34–42.

[19]Batten P， Ku CH， Johnson PH， et al. Collagen synthesis by mesenchymal stem cells and aortic valve interstitial cells in response to mechanical stretch[J].Cardiovascular Research， 2006， 71(3): 548–556.

[20]Chen JH， Yip CYY， Zhao R， Simmons CA. Calcification by valve interstitial cells is regulated by the stiffness of the extracellular matrix[J]. Arteriosclerosis Thrombosis and Vascular

Biology，2009，29(6):936–942.

[21]Sucosky P， Balachandran K， Jo H， Yoganathan AP. Elevated cyclic stretch alters matrix remodeling in aortic valve cusps: implications for degenerative aortic valve disease[J].American Journal of Physiology，2009，296(3):H756–H764.

[22]Ferdous Z， Jo H， Nerem RM. Strain Magnitude-Dependent Calcific Marker Expression in Valvular and Vascular Cells[J]. Cells Tissues Organs，2013， 197(5):372-383.

編輯/蘇小梅