“三十年河东三十年河西”与循环系统中的血液流动1)

乔爱科

(北京工业大学生命科学与化学学院，北京100124)

给大伙儿出个灯谜：三十年河东三十年河西––打一六字成语。

先卖个关子，不揭晓谜底。先说说谜面“三十年河东三十年河西”这个成语。

“三十年河东三十年河西”是一汉语成语，也有一说是一句广泛流传的谚语。出自清代吴敬梓《儒林外史》第四十六回：“大先生，‘三十年河东，三十年河西’！就像三十年前，你二位府上何等优势，我是亲眼看见的。”这句话比喻人事的盛衰兴替，变化无常，有时候会向反面转变，难以预料。

因此，上面的谜底不难猜到：此一时彼一时。语出《孟子·公孙丑下》：“彼一时，此一时也。五百年必有王者兴，其间必有名世者”。

继续说主题。“三十年河东三十年河西”里的河指的是黄河。“河东”和“河西”是指河边的人家有时候住在河的东面，有时候住在河的西面。但这并不是因为这家人不停地在搬家，而是因为黄河改道了。

在古代，由于黄河河床较高，泥沙淤积严重，河道不固定，经常泛滥成灾，所以黄河经常改道。改道后，原来在河东的地方很可能就变到河西面去了。究其原因：黄河流经弯道时，流水质点作曲线运动产生离心力；在离心力的影响下，表层水流趋向凹岸，而底部的水流在压力的作用下 (也是质量连续定律的作用)，由凹岸流向凸岸，形成弯道环流(图1)；在弯道环流的作用下，凹岸发生侵蚀扩展，凸岸发生沉淀堆积，以至河流越来越弯。由于长期对凹岸的冲刷作用，会发生“截弯取直”，形成牛轭湖。昔日的西岸就变成了今日的东岸了。如果河岸崩塌，决堤溃坝，那就更是四处泛滥，傻傻分不清哪里是河东、哪里是河西了！

实际上，人体也有一条“大河”，它就是循环系统中的血液流动(图2)。血液在心脏泵的作用下遵循一定方向在心脏和血管系统中周而复始地流动。血液沿着“左心室→主动脉→毛细血管网→静脉→右心房→右心室→肺动脉→肺部毛细血管网→肺静脉→左心房→左心室”这样一条路径循环流动，维持人体的正常生命运动。

图1 弯道环流

图2 血液循环系统

“三十年河东三十年河西”这样的现象也会发生在人体里的这条“大河”中––循环系统中的血液流动会改变血管的河道形貌。就主动脉血管中的血液流动表现而言，主要包括动脉粥样硬化、动脉瘤、主动脉夹层等各种各样的血管病变。

1 动脉粥样硬化

动脉粥样硬化是指受累动脉病变从内膜开始，一般先有脂质和复合糖类积聚、出血及血栓形成，进而纤维组织增生及钙质沉着，并有动脉中层的逐渐退变和钙化，导致动脉壁增厚变硬、血管流腔改形、血流改道、血管腔狭窄 (图 3(a))。由于在动脉内膜积聚的脂质外观呈黄色粥样，因此称为动脉粥样硬化。动脉粥样硬化斑块相当于是在河道中有淤积，改变了河道形貌。然而，如果动脉粥样硬化斑块堵塞了血管，则下游的组织就可能通过其他血管的血液来完成代偿性的灌注；这样，血流就相当于改道了。不幸的是，动脉粥样硬化病变常累及大中动脉，一旦发展到足以阻塞动脉腔，则该动脉所供应的组织或器官将缺血或坏死，引起心衰和缺血性中风等严重后果。本病多见于40岁以上的男性和绝经期后的女性。常伴有高血压、高胆固醇血症或糖尿病等。脑力劳动者较多见，为老年人主要病死原因之一。

图3 动脉粥样硬化及其治疗

动脉粥样硬化具有明显的病灶性：好发部位主要是冠状动脉、颈动脉分支、腹主动脉、股动脉等的复杂流动区域，而其他动脉中则不发生或基本不发生这样的病变[1-2]。这一现象与这些部位的血流动力学密切相关。具体而言，就是与这些部位的压力、速度、流动分离、二次流、粒子滞留时间、壁面切应力及其梯度等生物力学因素相关。这些病变部位的血液流动常常伴随着流动分离、回流、停滞、二次流、血流动力学紊乱等复杂流动现象，而这些复杂流动现象与动脉的分岔、弯曲等几何因素有关。

从生物力学的角度而言，动脉粥样硬化的形成和发展机理大致有如下几种假说。

(1)流动分离假说[3]：代表人物是Fox和Hugh。流动中出现回流区、大的流动分离区等血流动力学现象，这些现象导致血流不畅，甚至出现“死水区”，这里的血管壁内皮细胞因得不到充足的养分和新陈代谢而受损，就会促进动脉粥样硬化的发展。

(2)动脉壁高剪切应力作用假说[4]：代表人物是Fry。高壁面切应力对血管壁内皮细胞会造成损失，从而产生病变。然而，很多研究表明，高壁面切应力不是动脉粥样硬化的危险因素。因此，这一假说基本上不再被接受。

(3)动脉壁低剪切应力作用假说[5]：代表人物是Caro。低壁面切应力与流动停滞等是一样的道理。内皮细胞在低壁面切应力环境下，其生长和排布发生紊乱，血液中的有形成分会比较容易黏附在血管壁上，从而形成粥样硬化斑块。另外，近壁驻留时间被用来定量描述粒子与血管壁相互作用的严重程度，该指标可以解释粒子迟滞、近壁集中化、血小板激化以及表面反应等现象。低剪切应力作用下，近壁驻留时间会加长，从而促进斑块形成。低壁面切应力和长的粒子(如血脂质)驻留时间是动脉疾病最危险的血流动力学因素。同时，较大的壁面切应力梯度则表明流场的紊乱和应力集中的发生，同样是不利的血流动力学指标。这一假说也被很多研究证实，所以是目前被广泛认可的理论。

(4)脉动型低剪切应力作用假说[6]：代表人物是Ku等。根据力学原理分析可知，在强烈的交变应力作用下，内皮细胞极易产生疲劳损伤。血流脉搏波在血管壁面产生往复震荡的低壁面切应力，容易破坏内皮细胞的定向生长和排布，从而引发动脉粥样硬化。这一观点也是目前被广泛接受的理论。

(5)扰动流假说[7]：代表人物是 Chien S(钱煦)等。各种非生理性流动如非层流、湍流等引起的内皮细胞所受应力超过了正常的生理范围，都可能导致内皮细胞的生长和排布发生紊乱，以及血管内平滑肌细胞的过度增殖等。这一假说是前面几种假说的高度概况，因此容易被接受。

归根到底，无论何种学说，血管壁的“改道”都是受到血液成分和血液流动等作用和刺激而发生的响应。就像河水里的泥沙含量以及河水流动状况对河道也有影响一样，只不过血液在血管里的流动现象更复杂一些。应该说，血液和血管壁之间的相互作用符合生物力学中最普遍的一种现象或者机理––“应力-生长关系”，即生物体受到应力刺激，就会发生相应的响应而生长和改变，也叫自适应或者自我调控。其中的生物力学作用机制，又形成了一个新的学科分支––力生物学(Mechanobiology)。

动脉粥样硬化是非常普遍的一种心血管病变，而且往往是在人们不经意间造成严重的后果––堵塞血管，导致“缺血性”中风或者死亡。河道淤塞了，人们就需要给它清淤、修理；血管堵塞了，人们也想到给它清淤、修理。对于轻度的动脉粥样硬化，一般可以采用口服溶栓药物这样的保守治疗方法。对于中度和重度的动脉粥样硬化，则需要采用血管内支架介入术或者旁路移植管搭桥术进行治疗[8]。

服药的目的是降低血液里的“泥沙”，如低密度脂蛋白等“坏”物质，以减少它们在“河道”即血管壁上的沉积。

血管内支架介入术是在病变血管段置入内支架以达到支撑狭窄闭塞段血管、减少血管弹性回缩及再塑形、保持管腔血流通畅的目的[9]。支架就像是给河道加固了一个网状结构，帮助撑开河道(图3(b))。

旁路移植管搭桥术用移植的血管即桥血管 (常为大隐静脉及带蒂的乳内动脉，也有用桡动脉、带蒂胃网膜动脉和其他肢体动静脉或者人工血管等)在发生狭窄病变的动脉上下游之间搭建一条血管旁路河道，使血液经过所搭建的血管桥，绕过病变部位，流向动脉狭窄或梗阻病变的远端，达到给远端组织供血的目的 (图 3(c))。

由此可见，血管内支架介入术和旁路移植管搭桥术都是采用工程技术手段给血管河道进行修理、疏通[10]。这一工程问题，当然蕴含了很多生物力学机理。治疗方案的制定、手术器械的设计和应用、治疗效果的预判和评估等等，都离不开生物力学的支持[11-12]。

2 动脉瘤

动脉瘤是由于动脉壁的病变或损伤，形成动脉壁局限性或弥漫性扩张或膨出的现象(图4(a))。它以膨胀性、搏动性肿块为主要表现，可以发生在动脉系统的任何部位，而以肢体主干动脉、主动脉、颈动脉、脑动脉较为常见。动脉瘤改变了血管形状，也改变了血液流动和血管壁的受力。动脉瘤一旦破裂，那就像黄河决堤溃坝一样，往往会造成出血性中风等严重危及生命的后果。

图4 动脉瘤及其治疗

动脉内发生动脉瘤，基本上有三个原因：

(1)动脉壁有三层组织，动脉的支撑力量是由中间肌肉层所提供的，而这层组织可能有先天性的缺陷。受影响的动脉中的正常血压会造成一种像气球似的肿大，这种肿大叫做囊形动脉瘤。由于先天性缺陷所造成的动脉瘤几乎总是发生在脑基部的动脉中。由于其形状类似瓜果以及几个动脉瘤常会聚生在一起，所以它们又被称之为“浆果”动脉瘤。

(2)不管是什么原因造成的发炎，都会使动脉壁变得薄弱。大多数的动脉发炎是由诸如结节性多动脉炎或细菌性心内膜炎等疾病所造成。

(3)部分动脉壁中层由于动脉粥样硬化或高血压等慢性疾病而缓慢恶化，力学性能变差。由动脉粥样硬化所造成的动脉瘤很可能是一种香肠形的肿大，这种动脉瘤叫做梭形动脉瘤，它会沿着动脉的一小段发展出来。另外一种相似的肿大是由高血压所造成。然而，动脉中的血压增高，会使动脉壁以许多不同的方式扩张。

这其中，血流对血管壁同样起到了非常重要的作用。比如：高血压、血流冲击等力学因素，会使血管壁变形、壁厚变薄。当血管壁所受应力超过其强度极限时，动脉瘤即发生破裂，引发 “出血性”中风，比如俗话说的“脑溢血”，致死率极高！

动脉瘤的治疗也是一个改变血管河道的工程技术活儿。根据动脉瘤的形态，可以将其分为两种：有明显瘤颈的叫窄颈动脉瘤或者简单动脉瘤；没有明显瘤颈的叫宽颈动脉瘤或者复杂动脉瘤。为什么这么叫呢？一般而言，窄颈动脉瘤容易治疗；而宽颈动脉瘤则不易治疗，它是医生的痛点。治疗方案主要有两种：一是外科手术，可以用手术钳夹闭动脉瘤颈；二是微创介入术，利用弹簧圈填充瘤腔、利用支架或分流器(即密网支架)遮挡动脉瘤口、或者合并使用支架和弹簧圈(图4(b))[13-14]。容易想象，有脖子的动脉瘤即窄颈动脉瘤容易被夹闭，也容易采用弹簧圈栓塞，而没有脖子的宽颈动脉瘤就不好治疗了。总之，这些治疗手段的目的都是恢复血管河道的正常流腔形貌，避免河道受到血流的进一步冲击而使动脉瘤继续扩张。

3 主动脉夹层

正常的主动脉血管壁明显地分为三层结构，分别称为内层、中层和外层。主动脉夹层指主动脉腔内血液从主动脉内膜撕裂处进入主动脉血管壁的中膜，使中膜分离，沿主动脉长轴方向扩展形成主动脉壁的真假两腔分离状态(图5(a))。血流在主动脉壁内形成假腔；可经外膜破裂或返向内膜。假腔可在主动脉的任何部位再进入主动脉真腔。可见，主动脉夹层很明显地改变了血液流道。

图5 主动脉夹层、扩展的受力分析和支架治疗

主动脉夹层撕裂使主动脉的供血发生障碍，且引起主动脉瓣关闭不全、心脏肥大等。本病少见，但发病凶险，可迅速导致死亡，且死亡率很高。主动脉夹层撕裂可起于主动脉的任何部位，但最常见的部位是在升主动脉近端(离主动脉瓣5 cm内)，或者降主动脉胸段左锁骨下动脉开口处下方。这与该部位的血流动力学有着密切的关系。一般认为是活动的主动脉弓与相对固定的胸降主动脉相连接部位的缘故。专家给出的定性解释是，血管壁运动受到左锁骨下动脉以及胸部降主动脉的限制；当血管收缩时，血管内层的收缩趋势较大，外层由于受到牵制而收缩趋势较小，这样就在层与层之间产生了较大的拉力，从而导致中层膜的撕裂形成原发破口[15]。

主动脉夹层的发病原因大致如下：

(1)高血压和动脉硬化：由于高血压动脉粥样硬化所致主动脉夹层占70%～80%。动脉中的血压增高，会使动脉壁以许多不同的方式扩张。高血压可使动脉壁长期处于应激状态，弹性纤维常发生囊性变性或坏死，甚至会胀破动脉壁的组织层，迫使血液进入组织层里去，导致夹层形成。

(2)结缔组织病：马方综合征、皮肤弹性过度综合征、Erdheim中层坏死或Behcet病等。

(3)先天性心血管病：如先天性主动脉缩窄所继发的高血压或者主动脉瓣二瓣化。

(4)损伤：严重外伤可引起主动脉峡部撕裂，医源性损伤也可导致主动脉夹层。

(5)其他：妊娠、梅毒、心内膜炎、系统性红斑狼疮、多发性结节性动脉炎等。

以上关于主动脉夹层的论述来自于医学的描述，可以看出：主动脉夹层的产生与生物力学因素有着非常直接的关系。无论如何，当外力作用超过了血管壁材料的强度极限时，撕裂就不可避免。而一旦夹层形成，则血管壁层与层之间存在拉应力和压应力的交替作用(图5(c))，容易造成疲劳损伤，使得夹层进一步扩展，从而导致发病迅速，猝不及防，致死率极

高[15]。

主动脉夹层的治疗手段比较常见的是微创介入术，采用覆膜支架隔绝夹层，目的依然是恢复动脉血管河道的流腔形貌 (图5(c))，避免血流进入假腔而加重夹层的撕裂和扩展。可否采用旁路移植管搭桥术来减缓主动脉夹层的血流冲击呢[16-18]？这个问题目前还是一个大胆的设想，需要综合评估其力学和医学的可行性。

4 结语

“三十年河东三十年河西”是河流与河床相互作用的结果。同样，主动脉病变也是血流与血管相互作用的结果。深入了解动脉粥样硬化、动脉瘤等病变的血流动力学机理，包括“本构关系”和“应力-生长关系”等核心问题[19]，可以很好地揭示和定量地描述这些心血管病变的产生和发展的情况，为临床医学的疾病预防和治疗提供重要依据。

就我们普通人而言，应该花点心思更多地爱护自己身体里的循环系统这条大河，尽量不要让她“三十年河东三十年河西”地来回改道，否则后果会很严重！