深入探究骨髓深部的血管力学传导：一项全新计算生物力学框架

身体的运动所产生的机械刺激可以传递到深部骨髓中。长期以来，骨形成和淋巴造血过程都依赖于运动所诱导的机械刺激来维持。然而，我们对于基础生物力学领域中从致密骨到深骨髓脉管系统的机械传播还不够了解。我们不知道骨髓干细胞是如何感知并对其机械微环境作出反应，调节其分化过程的。这种机械生物学的进步对于解决癌症（如骨肉瘤和白血病）、老化（如骨关节炎）、甚至太空飞行（如骨质疏松症）等健康问题和疾病是非常重要的。

最近，来自悉尼大学的研究团队利用革命性的体内三维深部骨成像技术，设计了一个集成的计算生物力学框架，用于定量评估骨髓小动脉、动脉和血窦的机械刺激传播能力。通过利用清除胫骨的最新深度共聚焦图像，该团队在存在血管壁厚和血管内脉压的情况下，完成了血管的三维几何形状重建。接下来，该研究首先创建了光滑的三维骨髓血管几何形状，并通过实现五参数Mooney-Rivlin模型以描绘超弹性机械性能。之后，进行有限元分析（FEA），深入研究运动诱导的振动拉伸对骨髓脉管系统的机械影响，并定量评估了骨髓小动脉、动脉和静脉窦的机械传播能力，最后，使用相同的模型检查了由于血管内脉压引起的骨髓血管的机械性能变化。

图1. 来自深部骨髓共聚焦成像的 3D 血管重建和生物力学分析配置。

图2. 横向血管介导振动拉伸机械传播的三维模拟。

在这项研究中，研究团队克服了深部骨髓共聚焦图像中的荧光不连续性，完成了微米级的体内血管重建工作，并且引入了血管内脉压，恢复了生理骨髓血管的几何形状和机械性能。此外，研究团队模拟了三种运动诱导的机械传播机制，实现了骨髓机械生物学背景下的大规模表型数据采集，这项研究具有极高的实用性。此外，该计算生物力学框架不仅适用于共聚焦图像，还可以分析其他医学成像模式获得的3D血管图像，因此在组织解剖学方面具有更加广泛的潜力，包括CT和MRI。该方法加速了从通用性到个体特异性建模的转变，为未来的研究提供了广泛的应用前景。

图3. 血管内脉压诱导收缩机械传播的三维模拟。

图4. 皮质骨传播血管周围弯曲机械传播的三维模拟。

图5. 血管内脉压和血管周围弯曲对机械传播的协同作用。

图6. 横向血管机械传播的 3D 模拟介导的振动拉伸与血管内脉压相结合。

这一成果近期发表在Advanced Healthcare Materials上，并被选为当期封面。文章的第一作者是悉尼大学博士研究生Yunduo Charles Zhao，通讯作者是Lining Arnold Ju（居理宁）教授。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

A Novel Computational Biomechanics Framework to Model Vascular Mechanopropagation in Deep Bone Marrow

Yunduo Charles Zhao, Yingqi Zhang, Fengtao Jiang, Chi Wu, Boyang Wan, Ruhma Syeda, Qing Li, Bo Shen, Lining Arnold Ju

Adv. Healthcare Mater., 2023, 12, 2201830, DOI: 10.1002/adhm.202201830

导师介绍

居理宁教授于2008年在北京大学工学院力学系获得本科学位，并赴美国留学，于2013年在乔治亚理工学院和埃默里大学联合获得生物医学工程博士学位。自2014年至2019年，他在澳大利亚莫纳什大学和悉尼大学从事博士后研究。2020年，他加入悉尼大学生物医学工程系，并成为独立研究员（tenure track），建立了生物力学和机械生物学实验室。在研究生涯中，居理宁教授获得多个国际知名奖项和荣誉。他是澳大利亚基金委优秀青年基金（ARC DECRA Fellow）、澳大利亚心脏基金会杰出青年基金（Heart Foundation Future Leader - Level 2）获得者，并在2021年被《麻省理工科技评论》评选为亚太地区“35岁以下科技创新35人”之一，更获得了新南威尔士皇家科学院Edgeworth David青年院士奖章（全澳每年仅颁发一人）。

更多信息请登录悉尼大学居理宁实验室网站进行查看：http://www.julab.org/ 

居理宁教授的研究团队通过与皇家阿尔弗雷德王子医院、数字科学研究所和查尔斯珀金斯中心等合作，开发了许多先进的生物力学纳米工具，包括血凝块芯片微流体装置（Nature Materials 2019）、单血小板生物膜力探针（Nature Communications 2018）和4-D血液动力学模型（Nature 2021）。同时，他的团队还在开发即时微设备、人工智能成像模式和机械医学筛查平台，以预测、诊断和治疗血栓形成。居理宁教授实验室的微系统工程技术旨在帮助医生做出更准确的诊断决策、监测血液凝固进程、优化治疗过程。这些技术还可以应用在救护车上，基于智能手机并交付给那些无法四处走动的老龄化人口、偏远地区的消费者，以及COVID时代的澳大利亚、欠发达国家和社会疏远的普通大众。这些人群由于无法访问都市中心的过于拥挤和紧俏的临床资源，所以这项技术对于他们来说具有极大的帮助和意义。