血根碱对大鼠气道平滑肌细胞生物力学特性的影响

本研究拟探究血根碱对大鼠气道平滑肌细胞(rASMCs)的刚度、牵张力、应力纤维分布等细胞生物力学特性的影响。体外培养的rASMCs经过血根碱溶液在不同浓度(0.005~5μmol/L)条件下分别处理12 h、24 h、36 h和48 h后,采用噻唑盐比色法、光学磁粒扭转细胞测量仪、傅里叶变换牵张力显微术、划痕实验和免疫荧光显微技术等检测其活性、刚度、牵张力、迁移速度和微丝骨架分布等细胞生物力学特性的变化。实验结果显示,在浓度低于0.5μmol/L时,血根碱对细胞活性没有明显影响,但对细胞生物力学特性呈现浓度和时间依赖性,具体表现为r AMSCs经0.05μmol/L和0.5μmol/L浓度的血根碱处理12 h和24 h后细胞刚度、细胞牵张力和细胞迁移速度均明显降低、细胞骨架应力纤维出现解聚。鉴于气道平滑肌细胞(ASMCs)生物力学特性在哮喘气道高反应性(AHR)中的关键作用,上述的实验结果提示,血根碱有可能通过改变气道平滑肌细胞生物力学特性而改善AHR,进而为开发基于血根碱的气道松弛剂等哮喘治疗药物奠定基础。     

镍钛合金网状气道支架置入术的计算机数值模拟分析

气道狭窄已成为一种较为常见的呼吸系统疾病,临床上往往需要进行气道支架置入术以实现气道的快速扩张,缓解患者的呼吸困难。但支架置入后常会出现肉芽组织过度增生的现象,严重的会造成气道的再狭窄。基于"应力-生长"关系的理论,肉芽组织的过度增生可能与局部力学环境的改变相关,特别是支架对气道壁的应力刺激。为此,研究将针对镍钛合金网状气道支架置入术展开计算机数值模拟,以分析支架置入前后局部力学环境的改变。结果显示气道支架置入后,狭窄处壁面的局部应力环境发生了显著的改变,其壁面的扩张应力明显升高且应力集中的现象较为严重。我们认为显著改变的局部应力环境可能是造成气道肉芽组织过度增生的因素之一。     

哮喘等慢性气道疾病中气道缩窄的生物力学模型研究最新进展

虽然对于探索哮喘等气道疾病的潜在治疗方法和揭示气道系统中有趣的生物物理现象等意义重大,气道缩窄的生物力学模型研究一直是既吸引人又充满挑战的研究领域。近年来,这方面的研究呈现方兴未艾的形势,新的现象和新的研究思路不断出现。本文简要介绍这方面部分最新的研究进展,重点介绍针对哮喘气道缩窄行为,致力于解释在体气道行为的生物力学模型,尤其是不仅探讨孤立气道力学行为,而且也探讨气道间相互耦合和与周围环境耦合的气道力学模型。这些相互作用涉及气道和缠绕其上的气道平滑肌层,也涉及气道动态相互作用导致的气道—肺实质通气的空间分布形态等新颖的行为和现象。     

关于患者喉部增生肉芽组织摘除术的空气动力学分析

基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法分析咽喉部阻塞患者手术摘除增生肉芽组织前后咽、喉及气道内相关空气动力学指标的变化及其对流场特征的影响,以期为术后临床效果的评估提供理论依据。首先通过患者手术前后的CT影像学数据,建立咽部、喉部及气道的三维有限元数值模型;然后采用计算流体动力学的方法,数值模拟并分析喉部肉芽组织摘除术前后咽、喉及气道内空气动力学特征的变化。结果显示:术后喉部异常结构形态改善显著,气道阻力下降明显,患者呼吸困难的症状在很大程度上得到了缓解。但由于术后患者喉部解剖结构的变化,使得患者吸气时出现气流扰动及局部负压的情况。这些结果表明通过对咽、喉及气道内空气动力学的分析研究,有助于找出造成空气动力学异常的关键解剖结构,咽喉及气道内流场的CFD数值模拟分析可以有效地评估喉部增生肉芽组织摘除术的临床效果。为开展个性化咽喉部阻塞治疗术提供更多的理论依据。     

小鼠呼气末 CO2分压快速检测方法及其在气道阻力评估中的应用研究

探究小鼠呼吸产生二氧化碳（CO2）分压与呼吸阻抗的关系。首先设计一种能耦合到小动物肺功能仪上的小型气体 CO2浓度检测装置，并对其检测准确性进行了标定。随后将小鼠麻醉插管后进行机械通气，并致其吸入不同剂量的雾化乙酰胆碱，诱发气道产生不同程度的收缩。通过肺功能仪和耦合其上的 CO2检测装置同时测量小鼠气道阻抗和呼气末 CO2浓度并观察其变化。结果显示，随着乙酰胆碱浓度的增加，呼吸阻抗不断增加，同时呼气末 CO2浓度也相应增加，且呼吸阻抗与 CO2浓度增加的趋势具有正相关性。这些实验结果提示，本研究设计的检测装置能有效地测量小鼠呼气末 CO2浓度，并且测量所得的 CO2浓度变化与气道阻抗变化呈正相关性，间接地反映了气道收缩程度的变化，为后续进一步开发通过 CO2检测对哮喘、慢性梗阻性肺病（COPD）患者等的肺功能（如气道高反应性等）进行快速、方便和经济的监控与评估的临床诊断方法和技术提供了重要的参考价值。     

机械通气在治疗新型冠状病毒肺炎中的生物力学问题

新型冠状病毒肺炎(coronavirus disease 2019,Covid-19)危重症患者常表现出急性呼吸窘迫综合征(acute respiratory distress syndrome,ARDS),乃至急性呼吸衰竭,需要通过机械通气提供呼吸支持。但临床观察发现,机械通气后患者死亡率非常高( 50%)。鉴于机械通气的力学本质,机械通气后的高死亡率很可能与通气条件下机械拉伸刺激引起的肺损伤相关,因而从生物力学的角度理解机械通气条件下呼吸系统的病理变化及其机理和潜在对抗措施,对完善Covid-19危重症患者的治疗方法具有十分重要的意义和紧迫性。Covid-19危重症患者治疗中机械通气导致的肺损伤涉及诸多生物力学因素及作用机制,包括机械通气力学参数的变化、炎症因子风暴、纤毛-黏液系统、气道平滑肌的作用、肺纤维化、细胞对于拉伸的感应机制等。这些生物力学问题应当得到高度重视和深入研究,以为完善新冠肺炎等呼吸疾病的治疗方案提供新思路。