动脉血流改变后壁切应力动态变化的检测与分析*
作者：陈卫军 应大君
单位：第三军医大学 解剖学教研室，重庆 400038
关键词：颈总动脉；内皮；壁切应力；血流量；管径
生物医学工程学杂志990310 摘要 在实验兔发出甲状腺前动脉的远心端结扎左颈总动脉，使其近心段血流约减少了90%，在术后不同时相点观测该部位血流壁切应力的动态变化规律，以期进一步研究切应力在内皮重建过程中的作用。结果表明，切应力在术后的变化可概括为三个阶段：正常对照切应力→切应力显著降低阶段(术后1 h～7 d)→从低切应力显著增高阶段(术后7 d以后)→切应力回复正常对照水平阶段(术后30 d以后)。这种改变与动脉管径的缩减密切相关。说明血流改变后切应力在调控动脉重建中可能起主要作用。
A Measurement and Analysis on the Dynamic Changes of Wall
, http://www.100md.com
Shear Stress in Altered Arterial Flow
Chen Weijun Yin Dajun
(Department of Anatomy, the Third Military Medical University, Chongqing 400038)
Abstract This study was designed to estimate the dynamic changes of wall shear stress in reduced arterial flow and hence to get a better understanding of its effect on the endothelial adaptive remodeling. Left common carotid arteries of experimental rabbits were ligated distal to the origin of the thyroid artery to reduce flow by about 90% in the carotid upstream of this branch, and the vessels were examined respectively at different time intervals. The changes of mean shear stress showed three different stages. The shear stress decreased significantly during postoperative 1 hour to 7 days, increased markedly after 7 days and returned to control levels after 30 dyas. These changes were closely related to the decreased arterial diameters. The results indicate that the shear stress may paly an important role in the arterial remodeling after alterations in blood flow.
, 百拇医药
Key words Common carotid artery Endothelium Wall shear stress Blood flow
Dimaeter
1 前 言
血流动力学因素在调控血管适应性生长和重建中起重要作用，且是依赖于内皮的。体内不同部位血管内皮受到各不相同的剪切流场的作用，以保持相应部位血管结构和功能的相对稳定，血流切应力改变，内皮的生物学特性也会随之发生变化，进而影响血管的构建[1～3]。
通过动静脉或动脉间吻合、缩窄动脉及阻断动脉改建血流等实验手段，已证实切应力增高或降低均明显影响内皮细胞的结构和功能状态[2～10]。体外对培养内皮细胞施加流体剪切表明内皮细胞结构和功能不仅受切应力大小的影响而且与其作用时间相关[11]。因此，对于血流改变后，切应力的动态变化规律及其在内皮乃至血管适应性重建中的作用，还有待进一步研究，这对于认识动脉血流受阻后，缺血组织血管重建规律及促进缺血组织有效代偿，都具有重要的意义。
, 百拇医药
通过在体实验改变动脉血流，在术后一定时间内，检测与分析壁切应力的动态变化规律及其相关因素，以便建立良好稳定的动物模型，为深入研究血流切应力调控动脉内皮适应性重建及其机制奠定基础。
2 材料与方法
50只雄性日本大耳实验兔，重2～3 kg，随机分为8组，H0：正常对照组(12只，其中6只为术后1 h组术前检测值)；H1：术后1 h组(6只)；H12：12 h组(6只)；D1：1 d组(7只)；D3：3 d组(6只)；D7：7 d组(7只)；D14：14 d组(6只)；D30：30 d组(6只)。动物模型的建立与检测参照Walpola等建立的方法[4]。1%戊巴比妥钠按20 mg/kg静脉缓慢推注麻醉，行颈部正中切口，剖露左颈总动脉发出甲状腺动脉的远心段，1号丝线予以双重结扎，改建该处血流方向为主动脉→左颈总动脉近心段→甲状腺动脉→甲状腺，左颈总动脉近心段作为待检测部位。应用日产MFV-1200电磁流量计检测各时相点动脉血流量，探头直径分别为1、1.5、2 mm，根据动脉管径选择合适的探头，检测时尽可能地清除动脉表面的疏松结缔组织，保持探头与血流方向垂直，每例检测时间持续2 h左右，获取动脉平均血流量Q，计算机程控摄像监测动脉直径D。依据Poiseiulle流体公式计量动脉平均壁切应力：τ=32ηQ/πD3(血液粘度η=0.035dynes.s/cm2[4])。另外，各时相点随机选取2例行左颈总动脉插管，国产LCY-Ⅲ型血压测量仪监测血压。
, 百拇医药
3 结 果
术后各时相点观察结扎处上游左颈总动脉的搏动。除术后1 h～1 d外，其余时相点搏动均不明显，血压也无显著变化(平均压为(94.5±5.9) mmHg)。
结扎后1 h左颈总动脉近心段平均血流量即下降了近90%，从正常对照的(18.79±3.35) ml/min降为(2.07±0.56) ml/min，以后各时相点流量在(1.88±0.62) ml/min～(2.63±0.86) ml/min范围内波动，各组间无显著性差异(见图1)。
图1 各时相点动脉血流量的变化
Fig 1 The changes of arterial flow at different time intervals
, http://www.100md.com
术后1 h～3 d，左颈总动脉近心段平均管径较正常对照组无显著改变，术后7 d管径缩小显著，从正常对照的(1.91±0.18) mm减为(1.28±0.12) mm，(P<0.01)，此后，管径逐步缩小，直至术后30 d降为最低(见图2)。
图2 各时相点动脉管径的变化
Fig 2 The changes of arterial diameter at different time intervals
根据各时相点获取的平均血流量及动脉管径，计算得出左颈总动脉近心段随时间变化的平均壁切应力。术后1 h～14 d期间，壁切应力均显著低于正常对照组(P<0.01)，其中术后1 h～3 d最低，其间无显著差异，术后7 d天切应力显著增高(从术后3 d的(2.52±1.64) dynes/cm2到术后7 d的(5.59±1.20) dynes/cm2，P<0.01)，此后，壁切应力逐步增高，直至术后30 d回复至正常对照水平(见图3)。
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图3 各时相点动脉壁切应力的变化
Fig 3 The changes of arterial wall shear stress at differeat time intervals
4 讨 论
颈总动脉发出甲状腺动脉前的近心段，动脉长而直，管径均匀，无其它分支，血流近于定常流，沿该段动脉壁切应力相对比较恒定，因而可应用Poiseuille流体公式较为理想地获取平均壁切应力。电磁流量计是目前应用最广泛的检测动脉血流量的方法之一，能较为精确地检测出动脉瞬间及平均血流量，由于该项检测忽略了动脉壁厚，为此我们选定监测动脉外径来反映其管径变化，使之与血流量的检测相适配。由于各时相点的检测方法和条件相同，因而计量结果能较客观地反映壁切应力的动态变化规律，故该动物模型的建立与检测方法，是较为理想的在体检测切应力改变对内皮结构和功能影响的手段之一，已被较多的研究者所采纳[4～7]。
, 百拇医药
内皮细胞作为血管的内衬，直接受到血流切应力、血压及血管伸缩的牵张三种主要形式的机械应力作用。本实验各时相点左颈总动脉近心段血压均无明显变化，动脉的搏动均较弱，因此，后两种机械应力的作用可忽略不计，血流切应力成为影响内皮乃至血管构建的主要因素。从实验结果分析可得知，动脉结扎后，左颈总动脉近心段壁切应力的大小随时间而规律性变化，统计分析表明其大小变化可概括为三个阶段：正常对照切应力→切应力显著降低阶段(术后1 h～7 d)→从低切应力显著增高阶段(术后7 d以后)→切应力回复正常对照水平阶段(术后30 d以后)。壁切应力这种规律性变化是由于动脉管径逐步缩减所致，Walpola等[4]在阻断颈总动脉血流5 d后检测，动脉管径显著性缩小，也印证了这一点。左颈总动脉结扎后1 h，近心段血流量减少了近90%，直至术后30 d仍无显著变化，这一结果与Cho等在相同模型中术后3周应用多普勒超声检测的结果是一致的[5]。Galt等在结扎颈外动脉术后4周检测发现颈总动脉壁切应力与正常对照相比无明显变化[7]，我们在预实验中发现术后60 d与术后30 d的检测结果无显著差异。这些均表明切应力的动态变化与内皮及血管的适应性重建密切相关。切应力的改变可能调控内皮细胞合成和分泌某些生物活性物质，从而导致动脉管径的逐步缩小 ，以恢复血流切应力至原有水平。本实验模型的建立，为进一步在体研究从低切应力到高切应力环境下对内皮细胞生物学特性的影响奠定了基础，这也符合环境对细胞、组织及器官的影响具有阶段性和时间性的特征，因此能比较真实地反映内皮对血流切应力的识别与应答过程。
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* 国家自然科学基金资助项目(39770207)
参考文献
1 Langille BL. Arterial remodeling:relation to hemodynamics. Can J Physiol Pharmacol, 1996; 74(7)∶834
2 Tohda K, Masuda H, Kawamura K et al. Difference in dilatation between endothlium-preserved and -desquamated segments in the flow-loaded rat common carotid artery. Arterioscler Thromb, 1992; 12(4)∶519
3 Masuda H, Kawamura K, Sugiyama T et al. Effects of endothelial denudation in flow-induced arterial dilation. Front Med Biol Eng, 1993; 5(1)∶57
, http://www.100md.com
4 Walpola PL, Gotlieb AI, Langille BL. Monocyte adhesion and changes in endothelial cell number, morphology, and F-actin distribution elicited by low shear stress in vivo. Am J Pathol, 1993; 142(5)∶1392
5 Cho A, Mitchell L, Koopmans D et al. Effects of changes in blood flow rate on cell death and cell proliferation in carotid arteries of immature rabbits. Circ Res, 1997; 81(3)∶328
6 Walpola PL, Gotlieb AI, Cybulsky MI et al. Expression of ICAM-1 and VCAM-1 and monocyte adherence in arteries exposed to altered shear stress. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 1995; 15(1)∶2
, 百拇医药
7 Galt SW, Zwolak RM, Wagner RJ et al. Differential response of arteries and vein grafts to blood flow reduction. J Vasc Surg, 1993; 17(3)∶563
8 Kraiss LW, Geary RL, Mattsson EJR et al. Acute reduction in blood flow and shear stress induce paltelet-derived growth factor-A expression in baboon prosthetic grafts. Circ Res, 1996; 79(1)∶45
9 Uematsu M, Kitabatake A, Tanouchi J et al. Reduction of endothelial microfilament bundles in the low-shear region of the canine aorta. Arterioscler Thromb, 1991; 11(1)∶107
10 Brownlee RD, Langille BL. Arterial adaptations to altered blood flow. Can J Physiol Pharmacol, 1991; 69(7)∶978
11 陈槐卿，丁肇华，王 玲等.切应力作用下脐静脉内皮细胞的流变特性.华西医科大学学报，1995；26(2)∶181
(收稿：1998-05-28), 百拇医药
单位：第三军医大学 解剖学教研室，重庆 400038
关键词：颈总动脉；内皮；壁切应力；血流量；管径
生物医学工程学杂志990310 摘要 在实验兔发出甲状腺前动脉的远心端结扎左颈总动脉，使其近心段血流约减少了90%，在术后不同时相点观测该部位血流壁切应力的动态变化规律，以期进一步研究切应力在内皮重建过程中的作用。结果表明，切应力在术后的变化可概括为三个阶段：正常对照切应力→切应力显著降低阶段(术后1 h～7 d)→从低切应力显著增高阶段(术后7 d以后)→切应力回复正常对照水平阶段(术后30 d以后)。这种改变与动脉管径的缩减密切相关。说明血流改变后切应力在调控动脉重建中可能起主要作用。
A Measurement and Analysis on the Dynamic Changes of Wall
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Shear Stress in Altered Arterial Flow
Chen Weijun Yin Dajun
(Department of Anatomy, the Third Military Medical University, Chongqing 400038)
Abstract This study was designed to estimate the dynamic changes of wall shear stress in reduced arterial flow and hence to get a better understanding of its effect on the endothelial adaptive remodeling. Left common carotid arteries of experimental rabbits were ligated distal to the origin of the thyroid artery to reduce flow by about 90% in the carotid upstream of this branch, and the vessels were examined respectively at different time intervals. The changes of mean shear stress showed three different stages. The shear stress decreased significantly during postoperative 1 hour to 7 days, increased markedly after 7 days and returned to control levels after 30 dyas. These changes were closely related to the decreased arterial diameters. The results indicate that the shear stress may paly an important role in the arterial remodeling after alterations in blood flow.
, 百拇医药
Key words Common carotid artery Endothelium Wall shear stress Blood flow
Dimaeter
1 前 言
血流动力学因素在调控血管适应性生长和重建中起重要作用，且是依赖于内皮的。体内不同部位血管内皮受到各不相同的剪切流场的作用，以保持相应部位血管结构和功能的相对稳定，血流切应力改变，内皮的生物学特性也会随之发生变化，进而影响血管的构建[1～3]。
通过动静脉或动脉间吻合、缩窄动脉及阻断动脉改建血流等实验手段，已证实切应力增高或降低均明显影响内皮细胞的结构和功能状态[2～10]。体外对培养内皮细胞施加流体剪切表明内皮细胞结构和功能不仅受切应力大小的影响而且与其作用时间相关[11]。因此，对于血流改变后，切应力的动态变化规律及其在内皮乃至血管适应性重建中的作用，还有待进一步研究，这对于认识动脉血流受阻后，缺血组织血管重建规律及促进缺血组织有效代偿，都具有重要的意义。
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通过在体实验改变动脉血流，在术后一定时间内，检测与分析壁切应力的动态变化规律及其相关因素，以便建立良好稳定的动物模型，为深入研究血流切应力调控动脉内皮适应性重建及其机制奠定基础。
2 材料与方法
50只雄性日本大耳实验兔，重2～3 kg，随机分为8组，H0：正常对照组(12只，其中6只为术后1 h组术前检测值)；H1：术后1 h组(6只)；H12：12 h组(6只)；D1：1 d组(7只)；D3：3 d组(6只)；D7：7 d组(7只)；D14：14 d组(6只)；D30：30 d组(6只)。动物模型的建立与检测参照Walpola等建立的方法[4]。1%戊巴比妥钠按20 mg/kg静脉缓慢推注麻醉，行颈部正中切口，剖露左颈总动脉发出甲状腺动脉的远心段，1号丝线予以双重结扎，改建该处血流方向为主动脉→左颈总动脉近心段→甲状腺动脉→甲状腺，左颈总动脉近心段作为待检测部位。应用日产MFV-1200电磁流量计检测各时相点动脉血流量，探头直径分别为1、1.5、2 mm，根据动脉管径选择合适的探头，检测时尽可能地清除动脉表面的疏松结缔组织，保持探头与血流方向垂直，每例检测时间持续2 h左右，获取动脉平均血流量Q，计算机程控摄像监测动脉直径D。依据Poiseiulle流体公式计量动脉平均壁切应力：τ=32ηQ/πD3(血液粘度η=0.035dynes.s/cm2[4])。另外，各时相点随机选取2例行左颈总动脉插管，国产LCY-Ⅲ型血压测量仪监测血压。
, 百拇医药
3 结 果
术后各时相点观察结扎处上游左颈总动脉的搏动。除术后1 h～1 d外，其余时相点搏动均不明显，血压也无显著变化(平均压为(94.5±5.9) mmHg)。
结扎后1 h左颈总动脉近心段平均血流量即下降了近90%，从正常对照的(18.79±3.35) ml/min降为(2.07±0.56) ml/min，以后各时相点流量在(1.88±0.62) ml/min～(2.63±0.86) ml/min范围内波动，各组间无显著性差异(见图1)。
图1 各时相点动脉血流量的变化
Fig 1 The changes of arterial flow at different time intervals
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术后1 h～3 d，左颈总动脉近心段平均管径较正常对照组无显著改变，术后7 d管径缩小显著，从正常对照的(1.91±0.18) mm减为(1.28±0.12) mm，(P<0.01)，此后，管径逐步缩小，直至术后30 d降为最低(见图2)。
图2 各时相点动脉管径的变化
Fig 2 The changes of arterial diameter at different time intervals
根据各时相点获取的平均血流量及动脉管径，计算得出左颈总动脉近心段随时间变化的平均壁切应力。术后1 h～14 d期间，壁切应力均显著低于正常对照组(P<0.01)，其中术后1 h～3 d最低，其间无显著差异，术后7 d天切应力显著增高(从术后3 d的(2.52±1.64) dynes/cm2到术后7 d的(5.59±1.20) dynes/cm2，P<0.01)，此后，壁切应力逐步增高，直至术后30 d回复至正常对照水平(见图3)。
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图3 各时相点动脉壁切应力的变化
Fig 3 The changes of arterial wall shear stress at differeat time intervals
4 讨 论
颈总动脉发出甲状腺动脉前的近心段，动脉长而直，管径均匀，无其它分支，血流近于定常流，沿该段动脉壁切应力相对比较恒定，因而可应用Poiseuille流体公式较为理想地获取平均壁切应力。电磁流量计是目前应用最广泛的检测动脉血流量的方法之一，能较为精确地检测出动脉瞬间及平均血流量，由于该项检测忽略了动脉壁厚，为此我们选定监测动脉外径来反映其管径变化，使之与血流量的检测相适配。由于各时相点的检测方法和条件相同，因而计量结果能较客观地反映壁切应力的动态变化规律，故该动物模型的建立与检测方法，是较为理想的在体检测切应力改变对内皮结构和功能影响的手段之一，已被较多的研究者所采纳[4～7]。
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内皮细胞作为血管的内衬，直接受到血流切应力、血压及血管伸缩的牵张三种主要形式的机械应力作用。本实验各时相点左颈总动脉近心段血压均无明显变化，动脉的搏动均较弱，因此，后两种机械应力的作用可忽略不计，血流切应力成为影响内皮乃至血管构建的主要因素。从实验结果分析可得知，动脉结扎后，左颈总动脉近心段壁切应力的大小随时间而规律性变化，统计分析表明其大小变化可概括为三个阶段：正常对照切应力→切应力显著降低阶段(术后1 h～7 d)→从低切应力显著增高阶段(术后7 d以后)→切应力回复正常对照水平阶段(术后30 d以后)。壁切应力这种规律性变化是由于动脉管径逐步缩减所致，Walpola等[4]在阻断颈总动脉血流5 d后检测，动脉管径显著性缩小，也印证了这一点。左颈总动脉结扎后1 h，近心段血流量减少了近90%，直至术后30 d仍无显著变化，这一结果与Cho等在相同模型中术后3周应用多普勒超声检测的结果是一致的[5]。Galt等在结扎颈外动脉术后4周检测发现颈总动脉壁切应力与正常对照相比无明显变化[7]，我们在预实验中发现术后60 d与术后30 d的检测结果无显著差异。这些均表明切应力的动态变化与内皮及血管的适应性重建密切相关。切应力的改变可能调控内皮细胞合成和分泌某些生物活性物质，从而导致动脉管径的逐步缩小 ，以恢复血流切应力至原有水平。本实验模型的建立，为进一步在体研究从低切应力到高切应力环境下对内皮细胞生物学特性的影响奠定了基础，这也符合环境对细胞、组织及器官的影响具有阶段性和时间性的特征，因此能比较真实地反映内皮对血流切应力的识别与应答过程。
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* 国家自然科学基金资助项目(39770207)
参考文献
1 Langille BL. Arterial remodeling:relation to hemodynamics. Can J Physiol Pharmacol, 1996; 74(7)∶834
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3 Masuda H, Kawamura K, Sugiyama T et al. Effects of endothelial denudation in flow-induced arterial dilation. Front Med Biol Eng, 1993; 5(1)∶57
, http://www.100md.com
4 Walpola PL, Gotlieb AI, Langille BL. Monocyte adhesion and changes in endothelial cell number, morphology, and F-actin distribution elicited by low shear stress in vivo. Am J Pathol, 1993; 142(5)∶1392
5 Cho A, Mitchell L, Koopmans D et al. Effects of changes in blood flow rate on cell death and cell proliferation in carotid arteries of immature rabbits. Circ Res, 1997; 81(3)∶328
6 Walpola PL, Gotlieb AI, Cybulsky MI et al. Expression of ICAM-1 and VCAM-1 and monocyte adherence in arteries exposed to altered shear stress. Arterioscler Thromb Vasc Biol, 1995; 15(1)∶2
, 百拇医药
7 Galt SW, Zwolak RM, Wagner RJ et al. Differential response of arteries and vein grafts to blood flow reduction. J Vasc Surg, 1993; 17(3)∶563
8 Kraiss LW, Geary RL, Mattsson EJR et al. Acute reduction in blood flow and shear stress induce paltelet-derived growth factor-A expression in baboon prosthetic grafts. Circ Res, 1996; 79(1)∶45
9 Uematsu M, Kitabatake A, Tanouchi J et al. Reduction of endothelial microfilament bundles in the low-shear region of the canine aorta. Arterioscler Thromb, 1991; 11(1)∶107
10 Brownlee RD, Langille BL. Arterial adaptations to altered blood flow. Can J Physiol Pharmacol, 1991; 69(7)∶978
11 陈槐卿，丁肇华，王 玲等.切应力作用下脐静脉内皮细胞的流变特性.华西医科大学学报，1995；26(2)∶181
(收稿：1998-05-28), 百拇医药