软组织的力学特性通常与多种疾病的进展密切相关，例如骨关节炎、纤维化和癌症等。这些软组织中的病理变化被认为源于分子尺度，并逐渐演变到更高层次的细胞和组织尺度，最终导致软组织和器官功能的丧失。尽管梗塞的心脏组织与其静态力学特性之间的关联性已逐渐得到研究，但对心肌梗塞进展过程中心脏组织的动态力学特性仍知之甚少。通过准确描绘心脏组织在梗塞过程中的力学变化，提炼可用于追踪疾病进展的力学指标将具有重要意义。
为了探索心肌梗塞进程中心脏组织流变学特性的细微变化，西安交通大学徐光魁教授团队，采用原子力显微镜-微流变测试技术研究了心肌梗塞不同阶段（早期、中期和晚期）的心脏组织流变学特性，发现它们都具有双段的标度律粘弹性特性，且标度律指数与疾病进程密切相关。进一步，发展了自相似的多级结构理论模型，表征了心脏组织从亚细胞到组织尺度的力学性能，给出了多尺度的力学新指标，并探索了这些新力学指标在心肌梗塞疾病进展过程中的应用（图1）。
图 1 基于实验发现的双阶段幂律流变学行为和自相似多级结构理论提炼的力学新指标，用于追踪心肌梗塞病变进程的精准评估
普遍的双阶段幂律流变学行为
软组织通常表现出独特的非线性和粘弹性力学特性，这些力学行为会随着各类疾病和癌症的发生而产生复杂的变化，从而影响人体正常的生理功能。研究人员利用原子力显微镜-微流变测试技术，对不同程度的心脏梗塞局部组织进行了力学分析（图2）。令人惊讶的是，在不同病变阶段，心脏组织在不同的时间尺度上呈现出普遍的双阶段幂律流变学行为，而这种特殊的流变学行为之前仅在单个细胞和细胞核中被发现过。进一步研究发现，在心肌梗塞初期（第一周），心脏组织在短时间尺度（0.01 - 0.1秒）和长时间尺度（1 - 10 秒）上分别对应的两个幂律指数αshort和αlong均显著减小，这揭示了实验发现的幂律指数可以捕捉到心肌梗塞初期心脏组织不明显的流变学变化，从而使其特别适合作为心肌梗塞早期诊断的力学标志物。此外，研究人员认为这种普适的双阶段幂律流变学行为可能存在于各类软组织中，其对应的幂律指数可以简洁高效地描述软组织在疾病进程中流变学行为变化规律。
图 2 心肌梗塞进程和双阶段幂律流变学变化
适用于精准追踪心肌梗塞进程的多尺度力学指标
尽管现有的心电图和特定生物标志物检测方法已经被广泛用于心肌梗塞的临床诊断，但如何快速、准确且定量地评估心肌梗塞的疾病进程仍然具有挑战性。这也限制了心肌梗塞这一人类重大健康问题的精准诊断和预后。基于软组织的多级结构特征，研究人员发展了一个自相似的多级理论用于表征心肌梗塞过程中心脏组织从亚细胞，细胞到组织尺度的力学性能逐渐变化的规律（图3）。通过理论计算，发现随着心肌梗塞疾病的发展，心脏细胞的细胞质的粘性（η）和弹性模量（Ε1），细胞骨架的弹性模量（Ε2）、细胞外基质横向膨胀模量（Ε3）和心脏组织中各个力学参数的分布模式（即单峰或者双峰分布）都发生了不同程度的变化。
图 3自相似多级结构理论计算的新力学指标随心肌梗塞病变进程的变化
如图4所示，经过评估后发现，实验中得到的幂律指数（即αshort和αlong）在心肌梗塞早期诊断中表现出色，而不同组织层级的力学参数在跟踪心肌梗塞中期和晚期时显示出更卓越的能力。这些参数可作为新的力学标记物，用于追踪心肌梗塞疾病进程中心脏组织流变特性的细微变化，此外，这些力学标志物的应用可能进一步扩展到其他软组织，例如癌症诊断、疾病进展与预后的定量评估，以及生物医学材料设计等。
图 4 适用于心肌梗塞各阶段诊断的力学标志物
以上研究成果以“New mechanical markers for tracking the progression of myocardial infarction”为题于8月14日发表在《Nano Letters》上。文章第一作者为西安交通大学航天航空学院助理教授畅茁，通讯作者是西安交通大学航天航空学院徐光魁教授。徐光魁教授主要研究方向为活性材料力学、多尺度力学，在细胞、细胞群体、软组织等不同尺度上探究活性材料的变形与运动机制。近些年，在细胞尺度发表相关工作在《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；在细胞群体尺度发表相关工作在《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，在软组织尺度发表相关工作在《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。这些研究得到了国家自然科学基金青年基金、面上项目、优秀青年科学基金等资助。
原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.3c01712
