軟組織的力學(xué)特性通常與多種疾病的進展密切相關(guān)，例如骨關(guān)節(jié)炎、纖維化和癌癥等。這些軟組織中的病理變化被認為源于分子尺度，并逐漸演變到更高層次的細胞和組織尺度，最終導(dǎo)致軟組織和器官功能的喪失。盡管梗塞的心臟組織與其靜態(tài)力學(xué)特性之間的關(guān)聯(lián)性已逐漸得到研究，但對心肌梗塞進展過程中心臟組織的動態(tài)力學(xué)特性仍知之甚少。通過準確描繪心臟組織在梗塞過程中的力學(xué)變化，提煉可用于追蹤疾病進展的力學(xué)指標將具有重要意義。
為了探索心肌梗塞進程中心臟組織流變學(xué)特性的細微變化，西安交通大學(xué)徐光魁教授團隊，采用原子力顯微鏡-微流變測試技術(shù)研究了心肌梗塞不同階段（早期、中期和晚期）的心臟組織流變學(xué)特性，發(fā)現(xiàn)它們都具有雙段的標度律粘彈性特性，且標度律指數(shù)與疾病進程密切相關(guān)。進一步，發(fā)展了自相似的多級結(jié)構(gòu)理論模型，表征了心臟組織從亞細胞到組織尺度的力學(xué)性能，給出了多尺度的力學(xué)新指標，并探索了這些新力學(xué)指標在心肌梗塞疾病進展過程中的應(yīng)用（圖1）。
圖 1 基于實驗發(fā)現(xiàn)的雙階段冪律流變學(xué)行為和自相似多級結(jié)構(gòu)理論提煉的力學(xué)新指標，用于追蹤心肌梗塞病變進程的精準評估
普遍的雙階段冪律流變學(xué)行為
軟組織通常表現(xiàn)出獨特的非線性和粘彈性力學(xué)特性，這些力學(xué)行為會隨著各類疾病和癌癥的發(fā)生而產(chǎn)生復(fù)雜的變化，從而影響人體正常的生理功能。研究人員利用原子力顯微鏡-微流變測試技術(shù)，對不同程度的心臟梗塞局部組織進行了力學(xué)分析（圖2）。令人驚訝的是，在不同病變階段，心臟組織在不同的時間尺度上呈現(xiàn)出普遍的雙階段冪律流變學(xué)行為，而這種特殊的流變學(xué)行為之前僅在單個細胞和細胞核中被發(fā)現(xiàn)過。進一步研究發(fā)現(xiàn)，在心肌梗塞初期（第一周），心臟組織在短時間尺度（0.01 - 0.1秒）和長時間尺度（1 - 10 秒）上分別對應(yīng)的兩個冪律指數(shù)αshort和αlong均顯著減小，這揭示了實驗發(fā)現(xiàn)的冪律指數(shù)可以捕捉到心肌梗塞初期心臟組織不明顯的流變學(xué)變化，從而使其特別適合作為心肌梗塞早期診斷的力學(xué)標志物。此外，研究人員認為這種普適的雙階段冪律流變學(xué)行為可能存在于各類軟組織中，其對應(yīng)的冪律指數(shù)可以簡潔高效地描述軟組織在疾病進程中流變學(xué)行為變化規(guī)律。
圖 2 心肌梗塞進程和雙階段冪律流變學(xué)變化
適用于精準追蹤心肌梗塞進程的多尺度力學(xué)指標
盡管現(xiàn)有的心電圖和特定生物標志物檢測方法已經(jīng)被廣泛用于心肌梗塞的臨床診斷，但如何快速、準確且定量地評估心肌梗塞的疾病進程仍然具有挑戰(zhàn)性。這也限制了心肌梗塞這一人類重大健康問題的精準診斷和預(yù)后。基于軟組織的多級結(jié)構(gòu)特征，研究人員發(fā)展了一個自相似的多級理論用于表征心肌梗塞過程中心臟組織從亞細胞，細胞到組織尺度的力學(xué)性能逐漸變化的規(guī)律（圖3）。通過理論計算，發(fā)現(xiàn)隨著心肌梗塞疾病的發(fā)展，心臟細胞的細胞質(zhì)的粘性（η）和彈性模量（Ε1），細胞骨架的彈性模量（Ε2）、細胞外基質(zhì)橫向膨脹模量（Ε3）和心臟組織中各個力學(xué)參數(shù)的分布模式（即單峰或者雙峰分布）都發(fā)生了不同程度的變化。
圖 3自相似多級結(jié)構(gòu)理論計算的新力學(xué)指標隨心肌梗塞病變進程的變化
如圖4所示，經(jīng)過評估后發(fā)現(xiàn)，實驗中得到的冪律指數(shù)（即αshort和αlong）在心肌梗塞早期診斷中表現(xiàn)出色，而不同組織層級的力學(xué)參數(shù)在跟蹤心肌梗塞中期和晚期時顯示出更卓越的能力。這些參數(shù)可作為新的力學(xué)標記物，用于追蹤心肌梗塞疾病進程中心臟組織流變特性的細微變化，此外，這些力學(xué)標志物的應(yīng)用可能進一步擴展到其他軟組織，例如癌癥診斷、疾病進展與預(yù)后的定量評估，以及生物醫(yī)學(xué)材料設(shè)計等。
圖 4 適用于心肌梗塞各階段診斷的力學(xué)標志物
以上研究成果以“New mechanical markers for tracking the progression of myocardial infarction”為題于8月14日發(fā)表在《Nano Letters》上。文章第一作者為西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院助理教授暢茁，通訊作者是西安交通大學(xué)航天航空學(xué)院徐光魁教授。徐光魁教授主要研究方向為活性材料力學(xué)、多尺度力學(xué)，在細胞、細胞群體、軟組織等不同尺度上探究活性材料的變形與運動機制。近些年，在細胞尺度發(fā)表相關(guān)工作在《Nature Communications》(2021, 12: 6067)、《Science Advances》(2022, 8: eabn6093)、《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》(2020, 137: 103872; 2022, 167: 104989)、《Biophysical Journal》(2016, 111: 1478; 2018, 114: 701) 、《Acta Mechanica Sinica》(2022, 38, 222006)等期刊；在細胞群體尺度發(fā)表相關(guān)工作在《Advanced Science》(2022, 9: 2105179)、《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》（2022, 169: 105077; 2023, 177: 105327）、《Biophysical Journal》(2022, 121: 1931; 2022, 121: 4091)等期刊，在軟組織尺度發(fā)表相關(guān)工作在《Nano Letters》(本工作)、《Journal of the Mechanics and Physics of Solids》（2021, 147: 104280）、《ACS Nano》（2016, 10, 4695; 2017, 11, 721; 2019, 13, 12062）、《Acta Mechanica Sinica》(2023, 39, 623129)等期刊。這些研究得到了國家自然科學(xué)基金青年基金、面上項目、優(yōu)秀青年科學(xué)基金等資助。
原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01712
