炎症、纤维化到肿瘤是肝脏病变发展的三个主要过程，精准评估肝纤维化和预后可以显著提高患者的治愈率。然而，目前在临床上尚无能够精准评估肝纤维化及治疗预后的基础理论与技术手段。尽管研究发现肝组织的力学特性变化与肝脏病变如纤维化、肝硬化和肝癌密切相关，但以往的研究主要关注肝脏的静态力学特性（即弹性模量），对于肝组织在疾病和预后进程中的粘弹性与多尺度力学特性却鲜有探讨，这导致了缺乏有效地肝脏疾病诊断与治疗效果评估手段。
为解决上述问题，西安交通大学徐光魁教授团队发展了高精准度原子力显微镜-微流变测试技术，用以探索肝纤维化疾病和治疗过程中肝组织流变学特性的微妙变化。他们发现，无论肝组织处于何种状态，都表现出统一的双阶段幂律流变学特性。实验结果表明，幂律指数及其分布状态与肝脏状态密切相关。随后，他们发展了自相似多级结构理论，有效描述了不同尺度的肝脏组织的粘弹性力学性能。进一步研究发现，实验和理论所得的粘弹性多尺度力学指标及其力学异质性和分布模式可作为新的肝纤维化和预后精准评估标准（图1），为临床应用和生物材料设计奠定坚实技术基础。
图1 建立的肝纤维化病变与预后精准追踪的粘弹性多尺度力学指标的评估标准
统一的双阶段标度律流变学特征
尽管肝脏组织的静态力学特性与肝脏疾病密切相关，但如何有效地描述其动态力学特性变化仍然具有挑战性。研究人员利用纳米压痕微流变测试技术，对肝纤维化和接受间充质干细胞治疗后的肝脏局部组织进行了力学分析（图2A-2C），发现了统一的双阶段幂律流变学行为，并可以通过两个幂律指数（αshort和αlong）简洁高效地描述这种行为（图2D）。进一步分析发现，肝脏组织在短时间尺度（0.01 - 0.1秒）上的幂律指数（αshort）及其分布状态显示出减小且双峰形式的变化，这有助于标定纤维化的发生(图2E)。而对比治疗前后的肝组织，长时间尺度（1 - 10 秒）上幂律指数（αlong）的分布状态则从双峰形式转变为单峰形式（图2F），更好地反应了肝纤维化的治疗效果。研究人员认为，这种用于描述生物软组织流变学行为的幂律指数同样适用于其他疾病或癌症诊断和预后评估。
图2 肝纤维化与间充质干细胞治疗过程和不同状态肝组织的动态力学响应测试及其双阶段幂律流变学变化
建立了基于粘弹性多尺度力学指标的肝病变与预后精准评估新标准
在临床中，肝纤维化和肝硬化的诊断主要依赖于肝穿刺活检以及非侵入性的肝脏超声和弹性成像技术等方法。然而，这些技术存在众多问题，如个体差异性大、准确度低、难以定量评估等，严重影响了对肝脏疾病的诊断与治疗。为了更精准地追踪疾病的多尺度演变进程，研究人员发展了自相似的多级结构理论，对不同状态的肝脏组织从细胞质，细胞骨架到细胞外基质的多尺度力学行为进行了深入研究（图3A）。这些理论计算结果与实验高度吻合（图3B）。进一步的分析发现，随着纤维化的发展，肝脏组织的细胞质粘性（η）和弹性模量（E1），细胞骨架的弹性模量（E2）、以及细胞外基质的横向膨胀模量（E3）及其分布模式都发生了显著变化（图3C-3J），经过治疗后，各个组织尺度的力学特性统一地向正常肝脏组织状态转变，精准追踪了间充质干细胞治疗对肝纤维化的缓解与治疗效果。
图3 自相似多级结构理论计算的多尺度粘弹性力学指标描述肝纤维化与间充质干细胞治疗后组织力学行为变化
研究人员进一步评估了这一系列多尺度粘弹性力学指标在诊断肝纤维化和评估治疗效果方面的能力（图4A）。研究结果显示，不论是组织的各层级弹性模量参数，还是组织整体的短时间幂律指数（αshort），在这两个方面都表现出卓越的性能。此外，这些新的力学指标令人惊讶地揭示了不同组织层级下的力学不均匀性和力学特性分布模式，它们呈现出从健康状态下的统一、均匀、单峰分布到疾病状态下的混乱、无序、双峰分布的变化趋势。这些力学指标及其独特的分布特性被认为可以精准描述肝脏疾病的演变和预后评估（图4B）。本研究提出的粘弹性多尺度力学指标及其评估标准有望进一步推广到心脑血管疾病和癌症等领域，用于早期筛查和疾病的精准评估。
图4 基于新力学指标的肝纤维化病变与治疗效果评估标准
以上研究成果以“Viscoelastic multiscale mechanical indexes for assessing liver fibrosis and treatment outcomes”为题于10月4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与第二附属医院刘文佳教授。徐光魁教授主要研究方向为活性材料力学、多尺度力学，在单细胞、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，在单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)、《Nano Letters》 (2023, 23:7350-7357 )、《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.3c03341
下载：Viscoelastic multiscale mechanical indexes for assessing liver fibrosis and treatment outcomes
