5.2.2 斑块处的血流动力学特征及其对斑块发展的影响
（1）斑块处的血流动力学环境
血管向外扩张性重塑意味着斑块侵入内腔并不严重，这导致了低切应力区域的形成并促进了斑块的发展及破裂。低切应力作用下的血管扩张性重塑是导致斑块形成的重要因素。通过AS斑块动物模型的研究也发现，低切应力以及振荡流是AS形成的主要力学因素（图5-10和图5-11）。虽然血管狭窄前端切应力的增加可能导致纤维帽的破裂，但是斑块的破裂并不仅仅是由于切应力的作用，因为这些部位壁面切应力比由于周期性的血液搏动产生的张应力小得多。
图5-10 直动脉段近心端动脉粥样硬化斑块的切应力差异分布。［引自：Cecchi E, et al. Role of hemodynamic shear stress in cardiovascular disease［J］. Atherosclerosis, 2011, 214（2）: 249-256.］
Figure 5-10 Differential distribution of shear stress in a straight arterial segment proximal to a lumen-protruding atherosclerotic plaque.［Adapted from: Cecchi E, et al. Role of hemodynamic shear stress in cardiovascular disease［J］. Atherosclerosis, 2011, 214（2）: 249-256.］
周向应力即血流重复搏动对血管壁产生的张力，可能是导致斑块破裂以及血管内血栓形成的主要因素。斑块厚度的增加导致局部切应力的改变并不明显，但是斑块两肩的张应力显著增加，临床数据显示斑块破裂发生在斑块两肩与斑块中心的比例为63∶37。因此，周向应力的增加很可能是导致斑块破裂以及血栓形成最重要的因素。同时，血压也是斑块形成和发展的重要因素，特别是高血压和血液动力学的协同作用对斑块稳定性具有非常明显的影响。
图5-11 壁面剪应力在颈动脉分叉的分布。［引自： Cecchi E, et al. Role of hemodynamic shear stress in cardiovascular disease［J］. Atherosclerosis, 2011, 214（2）: 249-256.］
Figure 5-11 Distribution of wall shear stress in the carotid artery bifurcation.［Adapted from: Cecchi E, et al. Role of hemodynamic shear stress in cardiovascular disease［J］. Atherosclerosis, 2011, 214（2）: 249-256.］
（2）切应力与易损斑块的形成和发展
1）低切应力与斑块的形成： 低切应力和紊流状态下会导致斑块的发展，此外，低切应力和振荡流将引起斑块组成成分的变化。低切应力区域斑块的组成变化主要包括VSMCs的含量降低、脂质池变大、纤维帽变薄并且胶原纤维含量降低，以及大量巨噬细胞聚集；而振荡流所形成的斑块体积小且稳定。易脆性斑块与稳定性斑块这两者的最主要区别是，在易脆性斑块内有大量炎症细胞聚集。低切应力导致炎症细胞聚集的主要原因是低切应力增加了VECs表面与炎症细胞相结合的黏附分子的表达，因而降低了炎症细胞在内皮层上的滚动速度。动物试验结果发现，在低切应力作用下，VCAM-1和ICAM-1的表达都选择性上调。经在体内观察发现，低切应力区域有更多的单核细胞黏附到内皮细胞上。低切应力通过化学因子激活整合素，而内皮细胞通过激活的整合素捕获炎症细胞。随后的炎症反应刺激Ox-LDL促进内皮细胞捕获单核细胞，进而分化为巨噬细胞，巨噬细胞的大量存在降低了组织的强度，促进了AS的形成。同时，低切应力可激活VSMCs的金属基质蛋白酶（matrix metalloproteinases，MMPs），导致了内弹力板以及胞外基质的降解，从而形成了柔软而富含脂质的、大量炎症细胞聚集的、具有薄纤维帽结构和明显易脆特性的斑块。总之，低切应力增加了AS过程中的炎症分子的含量，因此改变了斑块的组成，导致易脆斑块形成。
2）高切应力对斑块分布的影响：斑块破裂主要发生在血管狭窄部位的上游区域，并且主要由巨噬细胞在该区域的聚集以及内皮下血栓引起。通过计算机三维重建技术与计算流体力学相结合的方法发现在血管狭窄部位近心端的高切应力区域，存在Ox-LDL、泡状巨噬细胞及MMPs的大量聚集。胞外蛋白聚糖基质的降解是由于高切应力作用导致了内皮细胞大量分泌丝氨酸蛋白酶（包括纤维蛋白溶酶和尿激酶）。这些研究充分表明了高切应力与易脆斑块的纵向分布之间具有较大的相关性。高切应力能够促进内皮细胞和血小板表达上调，从而促进AS的发展。
研究发现，在高切应力区，高切应力梯度损伤内皮细胞，使内皮细胞通透性增大，脂质以及炎症细胞更容易进入内皮下沉积，最终引发内膜增生和粥样斑块的形成，为一个急性反应的过程，并且导致斑块的不稳定性。而在狭窄远心端由于是振荡的低切应力区，影响着脂质在该区域的沉积从而影响内皮细胞的通透性。内皮通透性的增加导致脂质在内皮下沉积，引起平滑肌细胞的迁移和增殖，从而诱导内膜增生的形成和发展，为一个慢性反应过程。凌博等的近期研究结果显示，在高胆固醇饮食的条件下，构建的小鼠颈动脉狭窄血管模型中模型组近心端高切应力区域斑块堵塞情况非常严重，斑块面积已经占据整个管腔，斑块内有明显的免疫细胞和脂质浸润，并有明显的出血和血管新生的趋势（图5-12（a），（b））。而在模型组远心端低切应力区域斑块不明显，血管内膜有一定增生，但是斑块面积小，没有免疫细胞和脂质浸润，斑块内出血和血管新生趋势不明显（图5-12（c），（d））。因此，高切应力和高脂协同作用能促进动脉易损斑块的形成和发展。
图5-12 在高脂饮食情况下8周，小鼠颈动脉狭窄模型近心端和远心端斑块分布情况。（a）近心端（高切应力区域）斑块非常明显，内膜增生严重，血管管腔被斑块完全堵塞（放大倍数100×）；斑块内有大量免疫细胞和脂质浸润（放大倍数200×）。（b）远心端（低切应力区域）斑块不明显，内膜增生轻微，血管通畅（放大倍数100×）；斑块内无明显免疫细胞和脂质浸润（放大倍数200×）。［引自：凌博. 高切高脂通过VEGF-VEGFR2信号通路调控血管新生参与动脉粥样易损斑块形成［D］. 重庆: 重庆大学, 2015.］
Figure 5-12 Under high-fat diet for 8 weeks, the distribution of plaques in the proximal and distal end of the model group.（a）The plaque in proximal end（the high shear region）is very obvious, intimal hyperplasia is very serious, and the lumen is completely blocked by plaque（100×）; There are large immune cells and lipid infiltrate in the plaque（200×）.（b）The plaque in distal end（low shear region）is not obvious, intimal hyperplasia is slight, and the vessel is unobstructed（100×）; The infiltration of immune cells and lipid in the plaque are not obvious（200×）.［Adapted from: Ling B. The high shear stress and Ox-LDL by VEGF-VEGFR2 signal pathway induced angiogenesis involved in rupture-prone plaque formation［D］. Chongqing: Chongqing University, 2015.］
需要指出的是，由于缺乏更接近于人类成熟斑块的AS斑块动物模型和合适的体外研究装置及方法。血流动力学异常与AS斑块破裂之间的关系有待进一步的研究，而两者间关系的阐明也必将为AS斑块破裂所致心脑血管疾病的防治提供新的药物靶点。
3）高切应力促进易损斑块的形成：(https://www.daowen.com)
① 高切应力引起斑块内出血和斑块坏死。具有向外扩张性重塑的斑块一般会逐渐发展为具有薄纤维帽的高风险斑块。为了评价高切应力是否会引起血管扩张性重塑，通过测量狭窄血管远心端的面积后发现，血管狭窄后，血管远心端重塑均较为明显，而狭窄血管近心端有严重向外的扩张性重塑。也就是说，高切应力引起血管严重的向外扩张性重塑，高切应力区域的血管纵切面积比低切应力区域增加了0.8倍，而低切应力区域发生收窄性重塑。我们实验室对此做了进一步研究，分别观察高切应力和低切应力区域血管，HE染色切片的结果显示，斑块内出血和明显的斑块内坏死主要出现在高切应力区域（图5-13）。其中，斑块内出血可以独立于明显的斑块坏死存在于高切应力区域，斑块内出血也会与明显的斑块坏死同时存在于高切应力区域。而在狭窄远心端的低切应力区域却没有明显的斑块内出血和斑块内坏死，仅形成较为严重的内膜增生，有大量的细胞成分和胞外基质沉积，未观察到斑块内出血等易损斑块症状出现（图5-13（c））。经统计，在近心端高切应力区域斑块内出血和斑块坏死出现的概率是83%，而狭窄远心端区域出现斑块内出血的概率低至17%，并且没有观察到斑块内有坏死组织（图5-13（d））。因此，高切应力明显促进了易损斑块的形成。
② 高切应力引起胶原纤维降解。狭窄血管近心端的高切应力区域胶原含量低于低切应力区域胶原含量（图5-14）。从胶原纤维这个角度，说明了狭窄血管近心端的高切应力诱导易损斑块形成。Ⅰ型和Ⅲ型胶原既是血管内最主要的胶原蛋白，也是血管承受力学刺激并维持血管稳定性的胶原纤维。高切应力区域斑块内膜几乎没有胶原纤维，外膜胶原纤维的含量也极少，并且Ⅰ型和Ⅲ型胶原分散存在。而在低切应力区域，胶原纤维含量较多，外膜也有不同程度的增生，并且在血管外膜部位，Ⅰ型与Ⅲ型胶原交织在一起，形成稳定的网状结构。
③ 高切应力引起弹力纤维断裂（图5-15）。血管中膜主要由弹力纤维组成，由于狭窄血管近心端扩张性重塑导致弹力纤维急剧拉升，并部分降解，因而引起狭窄血管近心端的弹力纤维内弹力板被拉直，并且部分区域发生缺损、断裂。
图 5-13 斑块内出血和明显的斑块内坏死主要出现在高切应力区域。（a）斑块内出血独立于明显的斑块坏死存在于高切应力区域。（b）斑块内出血与明显的斑块坏死同时存在于高切应力区域。（c）而狭窄远心端的低切应力区域却没有明显的斑块内出血和斑块内坏死出现。（d）粗略估计，斑块内出血和斑块坏死在近心端高切应力区域出现的概率是83%，而狭窄远心端区域出现斑块内出血的概率低至17%，并且没有观察到斑块内有坏死组织。［引自：邱菊辉. Id1调控血管新生参与动脉粥样硬化易损斑块形成的力学生物学机制［D］. 重庆:重庆大学, 2011.］
Figure 5-13 Hemorrhaging and visible necrosis mainly localize in the high shear stress region.（a）Hemorrhages may exist without visible necrosis in the high shear region.（b）Hemorrhages can also exist with visible necrosis in the upstream direction of the stenosis with high shear stress.（c）No hemorrhaging or visible necrosis exists in low shear stress regions. Low shear stress regions were characterized with intimal hyperplasia.（d）On gross examination, frequent hemorrhaging and necrosis（83%）emerged in the upstream direction of carotid collar placement, while occasional hemorrhaging（17%）and the absence of visible necrosis（0）were observed in the downstream direction of carotid collar placement. H represents hemorrhaging and N represents necrosis.［Adapted from: Qiu JH. The mechanogical mechanisms of Id1-induced angiogenesis in rupture-prone plaque formation［D］. Chongqing: Chongqing University, 2011.］
④ 高切应力区域的VSMCs大量凋亡。已有的研究显示，VSMCs凋亡事件本身是AS稳定斑块向易损斑块发展的关键环节。通过透射电镜和TUNEL染色分析了平滑肌细胞的凋亡。超微结构显示套环模型8周后的血管，狭窄血管近心端高切应力区域VSMCs的细胞核和细胞质均有凋亡的显著特点，染色质发生固缩形成新月形的结构，细胞核具有核物质严重聚集，染色质高度浓缩并出现边缘化、空泡等特点。以上结果说明了高切应力区域的VSMCs明显具有凋亡的早期特点。然而定位于低切应力区域的VSMCs线粒体数量大大增加，高尔基体和糙面型内质网数量也大大增加，具有明显的合成型表型（图5-16）。
图5-14 高切应力区域胶原纤维含量较低。狭窄模型并高脂饮食8周后，Masson三色法对血管段进行染色，蓝色为胶原纤维，红色为细胞（放大倍数40×）。（a）很少有胶原纤维存在在高切应力区域，特别是在新生内膜部位。（b）胶原纤维在低切应力区域的定位情况。（c）定量分析胶原纤维在高切应力和低切应力区域斑块内的百分比（**p＜0.01，相对于高剪切应力区域）。［引自：邱菊辉. Id1调控血管新生参与动脉粥样硬化易损斑块形成的力学生物学机制［D］. 重庆:重庆大学, 2011.］
Figure 5-14 Low collagen content is found in high shear stress regions. After 8 weeks of stenosis model and high-fat diet, Masson’s trichrome stained vessel segments with collagen fibers in blue and cells in red (magnification 40x). (a) Few collagen fibers are present in areas of high shear stress, especially at neointimal sites. (b) Localization of collagen fibers in regions of low shear stress. (c) Quantitative analysis of the percentage of collagen fibers within the plaque in areas of high and low shear stress（＊＊p ＜ 0.01, relative to the high shear stress regions）.［Adapted from: Qiu JH. The mechanogical mechanisms of Id1-induced angiogenesis in rupture-prone plaque formation［D］. Chongqing: Chongqing University, 2011.］
图5-15 高切应力区域内弹力板发生明显的降解断裂。狭窄模型并高脂饮食8周后，VeRhoeff’s van Gieson对血管段进行染色，黑色为弹力纤维，红色为胶原纤维（放大倍数100×），白色箭头表示高脂血症小鼠上游主动脉的缺陷。［引自：邱菊辉. Id1调控血管新生参与动脉粥样硬化易损斑块形成的力学生物学机制［D］. 重庆:重庆大学, 2011.］
Figure 5-15 The elastic plate has obvious degradation and fracture in the high shear stress area. VeRhoeff’s van Gieson method was used to stain vessel segments after 8 weeks of stenosis model and high-fat diet, with elastic fibers in black and collagen fibers in red（magnification 100×）. A white arrow indicates the defects in the upstream aorta of hyperlipidemic mice.［Adapted from: Qiu JH. The mechanogical mechanisms of Id1-induced angiogenesis in rupture-prone plaque formation［D］. Chongqing: Chongqing University, 2011.］
图5-16 狭窄近心端的高切应力区域血管平滑肌大量凋亡。透射电子显微照片和TUNEL免疫组化染色显示高、低剪切应力区斑块中VSMCs的凋亡。（a）透射电镜观察套环模型8周后的血管显示，高切应力的平滑肌细胞细胞核和细胞质均有凋亡的特点，染色质固缩形成新月形的结构，细胞核呈现核物质聚集，染色质高度浓缩并出现边缘化和空泡。（b）低切应力区域平滑肌细胞的主要特点是线粒体数量大大增加，高尔基体和糙面型内质网也大大增加，具有明显的合成型表型（8 900×magnification）。（c）高切应力区域的TUNEL染色观察血管平滑肌细胞的凋亡（100×magnification）。（d）低切应力区域平滑肌细胞凋亡极少。（e）定量分析TUNEL染色的阳性百分比（c, d），高切应力区域平滑肌细胞凋亡大大增加。高切应力与低切应力之间的凋亡比较（*p ＜ 0.05）。［引自：邱菊辉. Id1调控血管新生参与动脉粥样硬化易损斑块形成的力学生物学机制［D］. 重庆:重庆大学, 2011.］
Figure 5-16 VSMCs have a high apoptotic rate in high shear stress regions. Transmission electron micrographs and immunohistochemical staining with TUNEL demonstrated the apoptosis of VSMCs in the plaque in high and low shear stress regions.（a）Electron micrographs from an artery 8 weeks after carotid collar placement showed nuclear and cytoplasmic abnormalities characteristic of apoptotic VSMCs in high shear stress regions. Condensed chromatin forming crescents in apposition to the nuclear envelope is characteristic of the early stages of apoptosis.（b）The main feature of smooth muscle cells in the low shear stress area is the greatly increased number of mitochondria, Golgi bodies and rough endoplasmic reticulum were also greatly increased, with a pronounced synthetic phenotype（8 900× magnification）.（c）Apoptosis of vascular smooth muscle cells was observed by TUNEL-staining in high shear stress regions（100× magnification）.（d）Fewer apoptotic cells are found in low shear stress regions.（e）Quantification of the percentage of positive areas for TUNEL-staining, and high shear stress administration increases apoptosis of the intimal VSMCs in atherosclerotic lesions. Apoptosis comparison between high and low shear stress（*p ＜ 0.05）.［Adapted from: Qiu JH. The mechanogical mechanisms of Id1-induced angiogenesis in ruptureprone plaque formation［D］. Chongqing: Chongqing University, 2011.］
（3）周向应力与斑块发展
我们实验室研究发现，当切应力和血管的刚度发生改变，血管壁细胞所受周向应力也发生相应的改变。是因为切应力引起血管组成和结构发生改变，使得血管壁的弹性模量等也发生改变。血管病变部位在形成低切应力的同时，具有较高的血管张力，高张力也可能是血管AS发展的一个重要因素。使用临床的核磁共振数据发现血管壁的厚度是AS发生发展过程中一个非常重要的因素，而壁面的低切应力并不是主要的AS预测因素。