“三十年河?xùn)|三十年河西”與循環(huán)系統(tǒng)中的血液流動1)

喬愛科

(北京工業(yè)大學(xué)生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，北京100124)

給大伙兒出個燈謎：三十年河?xùn)|三十年河西––打一六字成語。

先賣個關(guān)子，不揭曉謎底。先說說謎面“三十年河?xùn)|三十年河西”這個成語。

“三十年河?xùn)|三十年河西”是一漢語成語，也有一說是一句廣泛流傳的諺語。出自清代吳敬梓《儒林外史》第四十六回：“大先生，‘三十年河?xùn)|，三十年河西’！就像三十年前，你二位府上何等優(yōu)勢，我是親眼看見的?！边@句話比喻人事的盛衰興替，變化無常，有時候會向反面轉(zhuǎn)變，難以預(yù)料。

因此，上面的謎底不難猜到：此一時彼一時。語出《孟子·公孫丑下》：“彼一時，此一時也。五百年必有王者興，其間必有名世者”。

繼續(xù)說主題。“三十年河?xùn)|三十年河西”里的河指的是黃河?！昂?xùn)|”和“河西”是指河邊的人家有時候住在河的東面，有時候住在河的西面。但這并不是因為這家人不停地在搬家，而是因為黃河改道了。

在古代，由于黃河河床較高，泥沙淤積嚴(yán)重，河道不固定，經(jīng)常泛濫成災(zāi)，所以黃河經(jīng)常改道。改道后，原來在河?xùn)|的地方很可能就變到河西面去了。究其原因：黃河流經(jīng)彎道時，流水質(zhì)點作曲線運動產(chǎn)生離心力；在離心力的影響下，表層水流趨向凹岸，而底部的水流在壓力的作用下 (也是質(zhì)量連續(xù)定律的作用)，由凹岸流向凸岸，形成彎道環(huán)流(圖1)；在彎道環(huán)流的作用下，凹岸發(fā)生侵蝕擴(kuò)展，凸岸發(fā)生沉淀堆積，以至河流越來越彎。由于長期對凹岸的沖刷作用，會發(fā)生“截彎取直”，形成牛軛湖。昔日的西岸就變成了今日的東岸了。如果河岸崩塌，決堤潰壩，那就更是四處泛濫，傻傻分不清哪里是河?xùn)|、哪里是河西了！

實際上，人體也有一條“大河”，它就是循環(huán)系統(tǒng)中的血液流動(圖2)。血液在心臟泵的作用下遵循一定方向在心臟和血管系統(tǒng)中周而復(fù)始地流動。血液沿著“左心室→主動脈→毛細(xì)血管網(wǎng)→靜脈→右心房→右心室→肺動脈→肺部毛細(xì)血管網(wǎng)→肺靜脈→左心房→左心室”這樣一條路徑循環(huán)流動，維持人體的正常生命運動。

圖1 彎道環(huán)流

圖2 血液循環(huán)系統(tǒng)

“三十年河?xùn)|三十年河西”這樣的現(xiàn)象也會發(fā)生在人體里的這條“大河”中––循環(huán)系統(tǒng)中的血液流動會改變血管的河道形貌。就主動脈血管中的血液流動表現(xiàn)而言，主要包括動脈粥樣硬化、動脈瘤、主動脈夾層等各種各樣的血管病變。

1 動脈粥樣硬化

動脈粥樣硬化是指受累動脈病變從內(nèi)膜開始，一般先有脂質(zhì)和復(fù)合糖類積聚、出血及血栓形成，進(jìn)而纖維組織增生及鈣質(zhì)沉著，并有動脈中層的逐漸退變和鈣化，導(dǎo)致動脈壁增厚變硬、血管流腔改形、血流改道、血管腔狹窄 (圖 3(a))。由于在動脈內(nèi)膜積聚的脂質(zhì)外觀呈黃色粥樣，因此稱為動脈粥樣硬化。動脈粥樣硬化斑塊相當(dāng)于是在河道中有淤積，改變了河道形貌。然而，如果動脈粥樣硬化斑塊堵塞了血管，則下游的組織就可能通過其他血管的血液來完成代償性的灌注；這樣，血流就相當(dāng)于改道了。不幸的是，動脈粥樣硬化病變常累及大中動脈，一旦發(fā)展到足以阻塞動脈腔，則該動脈所供應(yīng)的組織或器官將缺血或壞死，引起心衰和缺血性中風(fēng)等嚴(yán)重后果。本病多見于40歲以上的男性和絕經(jīng)期后的女性。常伴有高血壓、高膽固醇血癥或糖尿病等。腦力勞動者較多見，為老年人主要病死原因之一。

圖3 動脈粥樣硬化及其治療

動脈粥樣硬化具有明顯的病灶性：好發(fā)部位主要是冠狀動脈、頸動脈分支、腹主動脈、股動脈等的復(fù)雜流動區(qū)域，而其他動脈中則不發(fā)生或基本不發(fā)生這樣的病變[1-2]。這一現(xiàn)象與這些部位的血流動力學(xué)密切相關(guān)。具體而言，就是與這些部位的壓力、速度、流動分離、二次流、粒子滯留時間、壁面切應(yīng)力及其梯度等生物力學(xué)因素相關(guān)。這些病變部位的血液流動常常伴隨著流動分離、回流、停滯、二次流、血流動力學(xué)紊亂等復(fù)雜流動現(xiàn)象，而這些復(fù)雜流動現(xiàn)象與動脈的分岔、彎曲等幾何因素有關(guān)。

從生物力學(xué)的角度而言，動脈粥樣硬化的形成和發(fā)展機(jī)理大致有如下幾種假說。

(1)流動分離假說[3]：代表人物是Fox和Hugh。流動中出現(xiàn)回流區(qū)、大的流動分離區(qū)等血流動力學(xué)現(xiàn)象，這些現(xiàn)象導(dǎo)致血流不暢，甚至出現(xiàn)“死水區(qū)”，這里的血管壁內(nèi)皮細(xì)胞因得不到充足的養(yǎng)分和新陳代謝而受損，就會促進(jìn)動脈粥樣硬化的發(fā)展。

(2)動脈壁高剪切應(yīng)力作用假說[4]：代表人物是Fry。高壁面切應(yīng)力對血管壁內(nèi)皮細(xì)胞會造成損失，從而產(chǎn)生病變。然而，很多研究表明，高壁面切應(yīng)力不是動脈粥樣硬化的危險因素。因此，這一假說基本上不再被接受。

(3)動脈壁低剪切應(yīng)力作用假說[5]：代表人物是Caro。低壁面切應(yīng)力與流動停滯等是一樣的道理。內(nèi)皮細(xì)胞在低壁面切應(yīng)力環(huán)境下，其生長和排布發(fā)生紊亂，血液中的有形成分會比較容易黏附在血管壁上，從而形成粥樣硬化斑塊。另外，近壁駐留時間被用來定量描述粒子與血管壁相互作用的嚴(yán)重程度，該指標(biāo)可以解釋粒子遲滯、近壁集中化、血小板激化以及表面反應(yīng)等現(xiàn)象。低剪切應(yīng)力作用下，近壁駐留時間會加長，從而促進(jìn)斑塊形成。低壁面切應(yīng)力和長的粒子(如血脂質(zhì))駐留時間是動脈疾病最危險的血流動力學(xué)因素。同時，較大的壁面切應(yīng)力梯度則表明流場的紊亂和應(yīng)力集中的發(fā)生，同樣是不利的血流動力學(xué)指標(biāo)。這一假說也被很多研究證實，所以是目前被廣泛認(rèn)可的理論。

(4)脈動型低剪切應(yīng)力作用假說[6]：代表人物是Ku等。根據(jù)力學(xué)原理分析可知，在強(qiáng)烈的交變應(yīng)力作用下，內(nèi)皮細(xì)胞極易產(chǎn)生疲勞損傷。血流脈搏波在血管壁面產(chǎn)生往復(fù)震蕩的低壁面切應(yīng)力，容易破壞內(nèi)皮細(xì)胞的定向生長和排布，從而引發(fā)動脈粥樣硬化。這一觀點也是目前被廣泛接受的理論。

(5)擾動流假說[7]：代表人物是 Chien S(錢煦)等。各種非生理性流動如非層流、湍流等引起的內(nèi)皮細(xì)胞所受應(yīng)力超過了正常的生理范圍，都可能導(dǎo)致內(nèi)皮細(xì)胞的生長和排布發(fā)生紊亂，以及血管內(nèi)平滑肌細(xì)胞的過度增殖等。這一假說是前面幾種假說的高度概況，因此容易被接受。

歸根到底，無論何種學(xué)說，血管壁的“改道”都是受到血液成分和血液流動等作用和刺激而發(fā)生的響應(yīng)。就像河水里的泥沙含量以及河水流動狀況對河道也有影響一樣，只不過血液在血管里的流動現(xiàn)象更復(fù)雜一些。應(yīng)該說，血液和血管壁之間的相互作用符合生物力學(xué)中最普遍的一種現(xiàn)象或者機(jī)理––“應(yīng)力-生長關(guān)系”，即生物體受到應(yīng)力刺激，就會發(fā)生相應(yīng)的響應(yīng)而生長和改變，也叫自適應(yīng)或者自我調(diào)控。其中的生物力學(xué)作用機(jī)制，又形成了一個新的學(xué)科分支––力生物學(xué)(Mechanobiology)。

動脈粥樣硬化是非常普遍的一種心血管病變，而且往往是在人們不經(jīng)意間造成嚴(yán)重的后果––堵塞血管，導(dǎo)致“缺血性”中風(fēng)或者死亡。河道淤塞了，人們就需要給它清淤、修理；血管堵塞了，人們也想到給它清淤、修理。對于輕度的動脈粥樣硬化，一般可以采用口服溶栓藥物這樣的保守治療方法。對于中度和重度的動脈粥樣硬化，則需要采用血管內(nèi)支架介入術(shù)或者旁路移植管搭橋術(shù)進(jìn)行治療[8]。

服藥的目的是降低血液里的“泥沙”，如低密度脂蛋白等“壞”物質(zhì)，以減少它們在“河道”即血管壁上的沉積。

血管內(nèi)支架介入術(shù)是在病變血管段置入內(nèi)支架以達(dá)到支撐狹窄閉塞段血管、減少血管彈性回縮及再塑形、保持管腔血流通暢的目的[9]。支架就像是給河道加固了一個網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，幫助撐開河道(圖3(b))。

旁路移植管搭橋術(shù)用移植的血管即橋血管 (常為大隱靜脈及帶蒂的乳內(nèi)動脈，也有用橈動脈、帶蒂胃網(wǎng)膜動脈和其他肢體動靜脈或者人工血管等)在發(fā)生狹窄病變的動脈上下游之間搭建一條血管旁路河道，使血液經(jīng)過所搭建的血管橋，繞過病變部位，流向動脈狹窄或梗阻病變的遠(yuǎn)端，達(dá)到給遠(yuǎn)端組織供血的目的 (圖 3(c))。

由此可見，血管內(nèi)支架介入術(shù)和旁路移植管搭橋術(shù)都是采用工程技術(shù)手段給血管河道進(jìn)行修理、疏通[10]。這一工程問題，當(dāng)然蘊含了很多生物力學(xué)機(jī)理。治療方案的制定、手術(shù)器械的設(shè)計和應(yīng)用、治療效果的預(yù)判和評估等等，都離不開生物力學(xué)的支持[11-12]。

2 動脈瘤

動脈瘤是由于動脈壁的病變或損傷，形成動脈壁局限性或彌漫性擴(kuò)張或膨出的現(xiàn)象(圖4(a))。它以膨脹性、搏動性腫塊為主要表現(xiàn)，可以發(fā)生在動脈系統(tǒng)的任何部位，而以肢體主干動脈、主動脈、頸動脈、腦動脈較為常見。動脈瘤改變了血管形狀，也改變了血液流動和血管壁的受力。動脈瘤一旦破裂，那就像黃河決堤潰壩一樣，往往會造成出血性中風(fēng)等嚴(yán)重危及生命的后果。

圖4 動脈瘤及其治療

動脈內(nèi)發(fā)生動脈瘤，基本上有三個原因：

(1)動脈壁有三層組織，動脈的支撐力量是由中間肌肉層所提供的，而這層組織可能有先天性的缺陷。受影響的動脈中的正常血壓會造成一種像氣球似的腫大，這種腫大叫做囊形動脈瘤。由于先天性缺陷所造成的動脈瘤幾乎總是發(fā)生在腦基部的動脈中。由于其形狀類似瓜果以及幾個動脈瘤常會聚生在一起，所以它們又被稱之為“漿果”動脈瘤。

(2)不管是什么原因造成的發(fā)炎，都會使動脈壁變得薄弱。大多數(shù)的動脈發(fā)炎是由諸如結(jié)節(jié)性多動脈炎或細(xì)菌性心內(nèi)膜炎等疾病所造成。

(3)部分動脈壁中層由于動脈粥樣硬化或高血壓等慢性疾病而緩慢惡化，力學(xué)性能變差。由動脈粥樣硬化所造成的動脈瘤很可能是一種香腸形的腫大，這種動脈瘤叫做梭形動脈瘤，它會沿著動脈的一小段發(fā)展出來。另外一種相似的腫大是由高血壓所造成。然而，動脈中的血壓增高，會使動脈壁以許多不同的方式擴(kuò)張。

這其中，血流對血管壁同樣起到了非常重要的作用。比如：高血壓、血流沖擊等力學(xué)因素，會使血管壁變形、壁厚變薄。當(dāng)血管壁所受應(yīng)力超過其強(qiáng)度極限時，動脈瘤即發(fā)生破裂，引發(fā) “出血性”中風(fēng)，比如俗話說的“腦溢血”，致死率極高！

動脈瘤的治療也是一個改變血管河道的工程技術(shù)活兒。根據(jù)動脈瘤的形態(tài)，可以將其分為兩種：有明顯瘤頸的叫窄頸動脈瘤或者簡單動脈瘤；沒有明顯瘤頸的叫寬頸動脈瘤或者復(fù)雜動脈瘤。為什么這么叫呢？一般而言，窄頸動脈瘤容易治療；而寬頸動脈瘤則不易治療，它是醫(yī)生的痛點。治療方案主要有兩種：一是外科手術(shù)，可以用手術(shù)鉗夾閉動脈瘤頸；二是微創(chuàng)介入術(shù)，利用彈簧圈填充瘤腔、利用支架或分流器(即密網(wǎng)支架)遮擋動脈瘤口、或者合并使用支架和彈簧圈(圖4(b))[13-14]。容易想象，有脖子的動脈瘤即窄頸動脈瘤容易被夾閉，也容易采用彈簧圈栓塞，而沒有脖子的寬頸動脈瘤就不好治療了?？傊?，這些治療手段的目的都是恢復(fù)血管河道的正常流腔形貌，避免河道受到血流的進(jìn)一步?jīng)_擊而使動脈瘤繼續(xù)擴(kuò)張。

3 主動脈夾層

正常的主動脈血管壁明顯地分為三層結(jié)構(gòu)，分別稱為內(nèi)層、中層和外層。主動脈夾層指主動脈腔內(nèi)血液從主動脈內(nèi)膜撕裂處進(jìn)入主動脈血管壁的中膜，使中膜分離，沿主動脈長軸方向擴(kuò)展形成主動脈壁的真假兩腔分離狀態(tài)(圖5(a))。血流在主動脈壁內(nèi)形成假腔；可經(jīng)外膜破裂或返向內(nèi)膜。假腔可在主動脈的任何部位再進(jìn)入主動脈真腔?？梢?，主動脈夾層很明顯地改變了血液流道。

圖5 主動脈夾層、擴(kuò)展的受力分析和支架治療

主動脈夾層撕裂使主動脈的供血發(fā)生障礙，且引起主動脈瓣關(guān)閉不全、心臟肥大等。本病少見，但發(fā)病兇險，可迅速導(dǎo)致死亡，且死亡率很高。主動脈夾層撕裂可起于主動脈的任何部位，但最常見的部位是在升主動脈近端(離主動脈瓣5 cm內(nèi))，或者降主動脈胸段左鎖骨下動脈開口處下方。這與該部位的血流動力學(xué)有著密切的關(guān)系。一般認(rèn)為是活動的主動脈弓與相對固定的胸降主動脈相連接部位的緣故。專家給出的定性解釋是，血管壁運動受到左鎖骨下動脈以及胸部降主動脈的限制；當(dāng)血管收縮時，血管內(nèi)層的收縮趨勢較大，外層由于受到牽制而收縮趨勢較小，這樣就在層與層之間產(chǎn)生了較大的拉力，從而導(dǎo)致中層膜的撕裂形成原發(fā)破口[15]。

主動脈夾層的發(fā)病原因大致如下：

(1)高血壓和動脈硬化：由于高血壓動脈粥樣硬化所致主動脈夾層占70%～80%。動脈中的血壓增高，會使動脈壁以許多不同的方式擴(kuò)張。高血壓可使動脈壁長期處于應(yīng)激狀態(tài)，彈性纖維常發(fā)生囊性變性或壞死，甚至?xí)浧苿用}壁的組織層，迫使血液進(jìn)入組織層里去，導(dǎo)致夾層形成。

(2)結(jié)締組織病：馬方綜合征、皮膚彈性過度綜合征、Erdheim中層壞死或Behcet病等。

(3)先天性心血管?。喝缦忍煨灾鲃用}縮窄所繼發(fā)的高血壓或者主動脈瓣二瓣化。

(4)損傷：嚴(yán)重外傷可引起主動脈峽部撕裂，醫(yī)源性損傷也可導(dǎo)致主動脈夾層。

(5)其他：妊娠、梅毒、心內(nèi)膜炎、系統(tǒng)性紅斑狼瘡、多發(fā)性結(jié)節(jié)性動脈炎等。

以上關(guān)于主動脈夾層的論述來自于醫(yī)學(xué)的描述，可以看出：主動脈夾層的產(chǎn)生與生物力學(xué)因素有著非常直接的關(guān)系。無論如何，當(dāng)外力作用超過了血管壁材料的強(qiáng)度極限時，撕裂就不可避免。而一旦夾層形成，則血管壁層與層之間存在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的交替作用(圖5(c))，容易造成疲勞損傷，使得夾層進(jìn)一步擴(kuò)展，從而導(dǎo)致發(fā)病迅速，猝不及防，致死率極

高[15]。

主動脈夾層的治療手段比較常見的是微創(chuàng)介入術(shù)，采用覆膜支架隔絕夾層，目的依然是恢復(fù)動脈血管河道的流腔形貌 (圖5(c))，避免血流進(jìn)入假腔而加重夾層的撕裂和擴(kuò)展。可否采用旁路移植管搭橋術(shù)來減緩主動脈夾層的血流沖擊呢[16-18]？這個問題目前還是一個大膽的設(shè)想，需要綜合評估其力學(xué)和醫(yī)學(xué)的可行性。

4 結(jié)語

“三十年河?xùn)|三十年河西”是河流與河床相互作用的結(jié)果。同樣，主動脈病變也是血流與血管相互作用的結(jié)果。深入了解動脈粥樣硬化、動脈瘤等病變的血流動力學(xué)機(jī)理，包括“本構(gòu)關(guān)系”和“應(yīng)力-生長關(guān)系”等核心問題[19]，可以很好地揭示和定量地描述這些心血管病變的產(chǎn)生和發(fā)展的情況，為臨床醫(yī)學(xué)的疾病預(yù)防和治療提供重要依據(jù)。

就我們普通人而言，應(yīng)該花點心思更多地愛護(hù)自己身體里的循環(huán)系統(tǒng)這條大河，盡量不要讓她“三十年河?xùn)|三十年河西”地來回改道，否則后果會很嚴(yán)重！