基于机器学习识别与振荡剪切应力相关的特征基因

背景:动脉粥样硬化(AS)是中风的根本原因,而振荡剪切应力或低剪切应力是动脉粥样硬化的原因之一。我们研究的目的是通过机器学习筛选出受剪切应力调控的基因,并分析其生物学功能,以帮助动脉粥样硬化的诊断和治疗。方法:从基因表达综合数据库(GEO)中检索了GSE20739、GSE16706和GSE1518数据集。首先使用limma软件包筛选差异基因,然后使用蛋白质–蛋白质相互作用(PPI)网络删除一些不相互作用的基因。利用三种机器学习算法——最小绝对收缩和选择算子(LASSO)、随机森林和支持向量机(SVM)——筛选特征基因。通过受试者工作特征(ROC)曲线评估特征基因的诊断性能。结果:筛选出四个受剪切应力调控的特征基因(ADM, RAMP2, GNA14, FABP5),这些基因与动脉粥样硬化相关。ADM和GNA14与振荡剪切应力之间存在强相关性,ADM和FABP5之间存在基因共表达。结论:我们的研究识别了四个受剪切应力调控的基因,这些基因影响动脉粥样硬化的发生和发展,这可能有助于未来动脉粥样硬化的预防和治疗。

可扭转骨支架提高物质传输效率及细胞剪切应力响应水平的数值研究

目的骨支架内部营养物质的提供与废物的排出对骨组织再生至关重要,细胞受到的流体剪切应力被认为是重要的机械调控信号。扭转结构元素存在于天然骨骼的多个分级结构中,搅拌是日常生活中加速流体中物质均匀的常用手段。受此启发,本研究将扭转效应融入支架构型设计,提出了一种可扭转的骨支架结构构型,并进一步研究其在生理荷载作用下的物质传输行为和流体剪切应力水平。方法采用数值分析的手段,对支架施加循环荷载以模拟所受到的生理振荡荷载,对支架结构及周围流体进行流固耦合分析,并评估可扭转支架内部的物质传输效率及壁面剪切应力水平。结果研究结果显示,无论是物质传输能力,还是细胞剪切应力响应水平,扭转支架均相对传统支架展示出优越性;对荷载作用下支架-流体的流固耦合效应的考虑能够更为真实反映支架微环境,更为真实探讨支架的成骨效应。结论将扭转效应融入新型支架构型设计及优化,具备辅助提高成骨效率的潜力;结合数值分析,有助于开发新型的可加载器官芯片模型。

流体剪切应力对肝细胞分区的调控作用

目的肝细胞的空间异质性和代谢是肝脏有序执行其生理功能的基础,肝小叶内沿汇管区向中央静脉区方向可将肝细胞分为三区:一区主要参与糖异生、蛋白合成,二区负责铁调素的分泌,而三区执行糖酵解、脂肪生成等功能。间隙流剪切应力是调控肝细胞增殖和代谢的重要因素,其是否参与了肝细胞分区的形成,目前尚不清楚。方法采用两步胶原酶灌流方法提取原代小鼠肝细胞,通过微流控芯片施加不同大小的剪切应力,检测分区标志物和代谢功能的变化,分析流体剪切应力对肝细胞分区的调控作用。结果发现低剪切应力(0.005~0.05 dyn/cm^(2))可促进一区标志物E-钙黏素的表达,增加白蛋白分泌和糖原合成,同时上调葡萄糖-6-磷酸酶、氨甲酰磷酸合成酶1等糖异生、尿素生成关键酶的表达;而高剪切应力(0.5~5 dyn/cm^(2))可上调脂肪生成相关基因的表达,促进脂滴堆积,同时增加细胞色素P450酶、己糖激酶等药物代谢和糖酵解关键酶的表达。结论肝细胞分区受到剪切应力的调控,低剪切应力可促进肝细胞一区功能的执行,高剪切有利于肝细胞三区功能的执行。

壁面剪切应力与微环境演化在斑块异质性形成中的作用研究

目的动脉粥样硬化斑块存异质性(heterogeneity),血流在异质斑块局部形成复杂的力学环境降低了斑块的稳定性。尽管影像中广泛地观察到了斑块异质性,然而其形成机理尚无明确定论。本研究旨在通过定量分析斑块局部的血流动力学与微环境的相互作用,探究影响异质斑块的主要因素,寻找降低斑块异质性的可行治疗策略。方法本研究建立了多尺度耦合的三维狭窄血管段斑块发展演化模型,考虑血液流动、微环境发展和细胞活动等多尺度因素,研究异质性斑块的形成过程。该模型通过耦合求解血流的壁面剪切力(WSS)、脂质沉积以及巨噬细胞的炎性反应来揭示脂质代谢的动态演化过程对斑块异质性产生的影响。结果计算结果表明,WSS与炎性反应通过破坏微环境内脂质代谢的动态平衡,影响了斑块异质性。通过与临床影像与病理切片的结果对比,模型计算结果与实验数据有较好的一致性。此外,通过定量分析多尺度因素对斑块异质性的影响,发现减少斑块的低WSS区域或改变巨噬细胞的脂质代谢能力,能较好的改善斑块异质性。结论本研究所建立的多尺度模型,为理解斑块的动态发展机制提供了技术框架。同时,通过定量计算,为斑块的风险分析与新治疗策略的提出,提供了理论依据。

Caveolin-1介导流体剪切应力调控MC3T3-E1成骨细胞增殖和凋亡

背景:流体剪切应力在成骨细胞增殖和凋亡中起着重要作用。然而,Caveolin-1(Cav-1)是否参与成骨细胞中流体剪切应力诱导的增殖与凋亡过程尚不清楚。目的:探讨Cav-1在流体剪切应力调控成骨细胞增殖和凋亡中的作用。方法:选择生长状态良好的MC3T3-E1成骨细胞,加载不同时间(0,30,60,90 min)且强度为1.2 Pa的流体剪切应力,观察Cav-1蛋白的表达,筛选出时间为60 min的条件进行实验。将MC3T3-E1细胞分为:对照组、流体剪切应力组、流体剪切应力+pcDNA 3.1组(对照)、流体剪切应力+pcDNA Cav-1组(过表达质粒),分别采用流体剪切应力和过表达Cav-1等方式干预,通过q RT-PCR和Western blot检测MC3T3-E1细胞内增殖以及凋亡相关分子的表达量;通过CCK-8与Ed U实验检测MC3T3-E1细胞增殖活性;采用Hoechst 33258染色以及流式细胞术检测MC3T3-E1细胞凋亡情况。结果与结论:加载流体剪切应力后MC3T3-E1细胞中Cav-1的表达显著下调,且加载60 min表达水平最低。过表达Cav-1减弱了流体剪切应力促进MC3T3-E1细胞增殖及抑制细胞凋亡的效应。说明Cav-1在流体剪切应力调节成骨细胞增殖和凋亡过程中具有重要的作用,并可能为骨质疏松症提供潜在治疗策略。

壁面剪切应力评价优秀女子冰球运动员左心室节段性血流动力学特征

目的:探讨优秀女子冰球运动员左心室(left ventricular,LV)心腔内的节段性血流动力学特征。方法:以53名女子冰球运动员(27名优秀运动员、26名普通运动员)和24名健康对照受试者为研究对象,应用基于超声心动图的血流向量成像技术无创测量LV二维结构、LV心尖二/三/四腔心切面室内相对压力差(intraventricular pressure difference,IVPD)和各节段壁面剪切应力(wall shear stress,WSS),分析快速射血期、收缩末期和快速充盈期IVPD峰值时相下WSS的组间差异,统计组间差异显著的WSS与LV结构参数和训练水平的相关性,探讨优秀女子冰球运动员心脏结构适应长期高水平训练的LV心腔内节段性血流动力学特征。结果:1)优秀女子冰球运动员左心室质量指数(LV mass index,LVMi)、左心室舒张末期容积指数(LV end diastolic volume index,LVEDVi)和左心室收缩末期容积指数(LV end systolic volume index,LVESVi)显著高于健康对照组,相对室壁厚度指数(relative wall thickness index,RWTi)显著低于健康对照组;2)在快速射血期,优秀女子冰球运动员下侧壁心尖段(apical lateral,ApL)的WSS显著高于普通运动员(P=0.029);在收缩末期,优秀女子冰球运动员ApL(P=0.005)和下侧壁中间段(mid inferolateral,MIL;P=0.008)的WSS显著低于普通运动员,后间壁中间段(mid inferoseptal,MIS)的WSS显著低于普通运动员(P=0.027)和健康对照组(P=0.046);3)快速射血期ApL的WSS与RWTi显著负相关,与训练水平显著正相关;收缩末期ApL和MIL的WSS与LVMi、LVEDVi和LVESVi显著负相关,MIL和MIS的WSS与训练水平显著负相关。结论:1)优秀女子冰球运动员LV结构呈生理性增大,心腔内血流动力在收缩期呈节段性优化;2)运动员在长期专业训练中通过心腔内节段性血流动力的优化促进其心脏结构的生理性适应。研究结果可为运动员心脏形成的血流动力学机制提供理论依据,并为预防运动员心脏病理性重构的发展提供参考。

血管壁面剪切应力对动脉粥样硬化和动脉瘤的影响

血管壁面剪切应力是血流动力学的重要参数,正常的壁面剪切应力维持了血管的生理状态,而异常的壁面剪切应力与动脉粥样硬化和动脉瘤的病理进展关系密切,是发生恶性心脑血管事件的危险因素之一。异常的壁面剪切应力通过不同发病机制破坏了内皮细胞的正常功能,介导这两种疾病的起始、演变。文章结合近几年来的文献研究,综述了壁面剪切应力对动脉粥样硬化和动脉瘤的影响。

离心式血液泵外特性及内部剪切应力研究

为研究运行参数对泵性能及剪切应力的影响,采用高速摄像技术对泵内流动进行拍摄,并对泵内剪切应力状况进行数值模拟。建立血液泵内部流动可视化试验方法,揭示了泵的外特性随叶轮转速及血液流量的变化规律,同时阐明了泵的结构及运行参数对泵内剪切应力的影响。研究结果表明:泵内高剪切应力主要集中在蜗舌及叶片尾部,降低转速和增大流量都能够有效降低泵内剪切应力;试验所得流体运动轨迹与模拟结果相一致,且外特性误差在6.9%以内。

周期性剪切应力作用下碎石的滑移特性

为了研究碎石材料在周期性剪切荷载条件下的滑移特性,使用自主研发的多功能动剪试验机,对碎石试样施加恒定的法向应力,以及不同峰值、谷值和频率的水平方向周期性剪切应力,监测试样在加载过程中剪切位移随时间的变化情况,并分析剪切位移增量的变化情况以及整个加载期内剪切应力对应的能量密度。研究结果表明:周期性剪切应力引起的滑移特征与其峰值、谷值和频率有关;周期性剪切应力会导致碎石材料的滑移跃变,且出现滑移跃变点的条件与加载期内的能量密度有关,可根据能量密度范围将试样的滑移状态划分为三个区域,即稳定区、过渡区和跃变区。

死料柱状态对炉缸铁水环流及侧壁剪切应力的影响

采用数值模拟方法对不同死料柱状态下炉缸内的铁水流动特征进行解析,研究了死料柱的空隙度、中心恶化程度及位置对铁水环流及炉缸侧壁剪切应力分布的影响.结果表明:不同死料柱状态下,高炉炉缸侧壁的最大剪切应力均位于铁口平面下方1.5 m附近,铁口平面下方0°~20°的周向区域内炉缸侧壁剪切应力较大;当死料柱空隙度由0.2增至0.4时,炉缸侧壁最大剪切应力由9.045 mPa降至6.530 mPa,死料柱空隙度的增加可有效增大铁水在炉缸内的流动空间,减缓铁水环流对侧壁的冲刷侵蚀;当死料柱中心恶化区域占比由0.7增至0.9时,炉缸侧壁最大剪切应力由9.492 mPa增至22.02 mPa,铁水环流对侧壁的冲刷侵蚀加重;此外,死料柱浮起对减缓炉缸侧壁剪切应力无显著影响.因此,改善高炉原料和操作条件,提高死料柱空隙度和中心透液性,均能有效减缓铁水环流对炉缸侧壁的冲刷侵蚀,延长高炉寿命.

梯形明渠边界平均剪切应力计算方法

梯形断面是渠道设计中广泛采用的一种断面形式,边界剪切应力分布规律是研究水流结构及阻力特性的重要因素。经过理论推导,建立了梯形明渠床面与边壁平均剪切应力相对值随过水断面宽深比的计算表达式,并与多家试验资料进行了比较,结果表明两者变化趋势基本一致。针对梯形明渠不同边坡角下的水力最优断面,分析了其床面、边壁平均剪切应力的变化规律,发现随着边坡角的减小,床面平均剪切应力相对值变化不大,而边壁平均剪切应力相对值呈现出减小的趋势。

川芎嗪抗剪切应力诱导血小板聚集的实验研究

目的：观测川芎嗪对剪切应力诱导血小板聚集（ＳＩＰＡ）的影响。方法：采用新研制的激光散射剪切装置观测川芎嗪及对照药Ａｓｐｉｒｉｎ在体内外对抗ＳＩＰＡ的作用。结果与结论：Ａｓｐｉｒｉｎ能抑制ＡＤＰ诱导的血小板聚集，但不能抑制ＳＩＰＡ。川芎嗪在体内（２５～５０ｍｇ·ｋｇ－１）体外（９．２～７３．４ｍｍｏｌ·Ｌ－１）均有显著抗ＳＩＰＡ作用（Ｐ＜０．０１），其机制待进一步研究。

现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力研究

为研究现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力空间分布特征及其影响要素,本文在现代黄河三角洲不同沉积区域,垂直海岸线布设测线,采用黏结力仪进行沉积物临界剪切应力测试,并在相应测点开展沉积物物理力学性质与粒度成分测量工作。研究结果表明高潮滩沉积物临界剪切应力最高,在1.1~4.02Pa之间,沉积物不易发生侵蚀,含水量低、干容重大、黏粒与粉粒含量高、平均粒径小、不排水剪切强度大是高潮滩沉积物临界剪切应力偏高的重要因素;中潮滩沉积物受生物活动影响显著,临界剪切应力在0.10~1.90Pa之间,生物活动扰动、生物排泄及遗体遗迹的程度与数量是造成不同区域测试差异的重要原因;低潮滩沉积物临界剪切应力很低,在0.08~0.80Pa之间,沉积物极易发生侵蚀,含水量高、干容重偏低、砂砾含量高、平均粒径大、不排水剪切强度小是其典型的沉积物物理力学性质,也是造成低潮滩沉积物临界剪切应力普遍低于高潮滩的重要原因;现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力区域特征表现为北部沉积物临界剪切应力水平最低,在0.11~0.4Pa之间,东部最高,在2.8~4.55Pa之间,南部与东北部居中,分别在0.63~0.84Pa与0.83~2.99Pa之间,东北部空间非均匀性分布显著,粒度组分的分异是导致沉积物临界剪切应力区域差异显著的重要因素,黏粒含量高的沉积区域沉积物临界剪切应力普遍高于砂砾含量高的沉积区;与世界其他大型河口三角洲相比,现代黄河三角洲沉积物临界剪切应力水平偏低但非均匀程度较高。

流体剪切应力对晚期内皮祖细胞生物学功能的影响

目的研究流体剪切应力处理对晚期内皮祖细胞(endothelial progenitor cells,EPCs)体外及体内生物学功能的影响。方法密度梯度离心法分离大鼠骨髓单核细胞,应用EGM-2MV进行体外培养。以3~4代的EPCs,即晚期EPCs为靶细胞,对其施以1.2 Pa剪切应力处理。采用EdU标记技术、黏附能力测定实验、改良的Boyden小室、Annexin V/PI、β-半乳糖苷酶检测法、Matrigel法、荧光定量RT-PCR等方法分别检测剪切应力对晚期EPCs增殖、黏附、迁移、凋亡、衰老、体外成血管及VEGF mRNA表达等生物学功能的影响。应用大鼠颈动脉损伤模型及细胞原位移植等实验手段检测剪切应力预处理对晚期EPCs修复受损内皮的影响。结果 1.2 Pa剪切应力处理可不同程度提高晚期EPCs的增殖、黏附、迁移及成血管能力(P<0.01),上调VEGF的基因表达,抑制晚期EPCs的衰老及凋亡(P<0.01);移植经剪切应力预处理的晚期EPCs可加速损伤内皮的修复,减缓内膜的增生。结论流体剪切应力可改善晚期EPCs的功能活性,提高晚期EPCs修复损伤血管内皮的能力,这为EPCs的临床应用及剪切应力介导的细胞疗法提供了实验依据。

节理剪切应力–位移本构模型及剪胀现象分析

在法向与切向荷载的共同作用下,节理剪切应力–位移曲线宏观表现为峰前呈剪切硬化、峰后呈剪切软化现象:当微凸体爬坡效应占主导地位时,宏观表现为剪切硬化;当微凸体在剪切过程中磨损累积到一定程度时,宏观表现为剪切软化。剪胀硬化、磨损软化共同控制节理的剪切力学行为。在详细分析已有的剪切应力–位移本构模型的局限性的基础上,提出硬化–软化全剪切本构模型,采用单个函数反映节理剪切位移曲线的变化特征,其优点为:(1)避免分段讨论剪切位移曲线特征、分段求取拟合参数的麻烦;(2)在整个讨论区域内存在一个峰值且峰值处斜率为0;(3)当剪切位移足够大时,强度趋于残余值,体现出节理面材料的力学特征。对不同类型的剪切位移曲线进行分析,该模型均表现出较强的适应性。同时分析现有的剪胀模型,其主要缺陷是不能反映初始剪缩现象与体现真正的剪胀起始点。在分析典型剪胀曲线基本特征的基础上,采用分段函数考虑剪胀特征,能较好地拟合剪胀曲线。

自噬干预对低剪切应力下血管内皮细胞eNOS和ET-1表达的影响

目的探讨自噬干预对低剪切应力下血管内皮细胞内皮型一氧化氮合酶(eNOS)和内皮素1(ET-1)表达的影响。方法 ApoE-/-小鼠高脂饮食喂饲12周,HE染色法观察主动脉病理改变,免疫组织化学法检测自噬标志物Beclin1、微管相关蛋白轻链3Ⅱ(LC3Ⅱ)和p62的表达。人脐静脉内皮细胞和新西兰大白兔颈总动脉置于体外灌流系统,分别以低剪切应力(5 dyne/cm2)和正常剪切应力(15 dyne/cm2)灌流1 h,Western blot检测Beclin1、LC3Ⅱ和p62的表达;在此基础上,自噬抑制剂3-甲基腺嘌呤(3-MA)和自噬激动剂雷帕霉素(rapamycin)孵育低剪切应力处理后的血管内皮细胞和兔颈总动脉30 min,观察自噬干预对低剪切应力诱导的eNOS和ET-1表达的影响。结果动脉粥样硬化斑块中Beclin1、LC3Ⅱ和p62的表达明显增加;与正常剪切应力组相比,低剪切应力组Beclin1、LC3Ⅱ及p62的表达明显增加;雷帕霉素上调低剪切应力下血管内皮细胞以及离体血管eNOS的表达,抑制ET-1的表达;3-MA则进一步抑制血管内皮细胞以及离体血管eNOS的表达,上调ET-1的表达。结论低剪切应力抑制血管内皮细胞自噬从而抑制eNOS表达、上调ET-1表达,增强自噬能改善该过程。

剪切应力对家兔血管内膜增生及动脉粥样硬化斑块形成的影响

目的设计局部狭窄而导致血流动力学改变的实验模型,探讨剪切应力对血管内膜增生以及动脉粥样硬化斑块形成的影响。方法兔颈总动脉平直段套环形成狭窄度为40%的局部狭窄,饲以正常饮食4周;数值计算的方法模拟血流流场和剪切应力分布及其特征;HE染色检测颈总动脉病理改变;Verhoeff法染色观察血管弹力纤维分布;油红O染色观察斑块内的脂质沉积;高效液相色谱检测血管壁脂质含量。结果套环形成局部狭窄后,颈总动脉血流流场发生显著的扰动,狭窄远心端有涡流以及二次流形成;狭窄近心端形成局部高剪切应力区域(6Pa),而在远心端形成振荡的低剪切应力区域(0～0.3Pa);HE染色显示颈总动脉狭窄的近心端和远心端均有明显的内膜增生以及动脉粥样硬化斑块形成,近心端比远心端病变更严重,近心端增生内膜厚度为165.6±28.3μm,远心端增生内膜厚度为38.5±12.7μm,并且近心端增生内膜的细胞成分主要为圆形的泡沫细胞而远心端增生内膜的细胞成分主要为梭形平滑肌细胞;Verhoeff染色显示病变处弹力纤维排列紊乱,部分内弹力板断裂;油红O染色发现增生的斑块中有大量的脂质沉积;高效液相色谱检测也表明狭窄近心端胆固醇含量(7.6±2.1mg/g)以及远心端胆固醇含量(5.6±1.8mg/g)较对照侧(1.3±0.5mg/g)明显增加。结论高剪切应力以及低振荡剪切应力均引发动脉粥样硬化病变的形成,但不同的剪切应力对斑块的组成和特性有着不同的作用。

建立剪切应力导致椎间盘退变模型

目的建立剪切应力导致椎间盘退变的在体动物模型,探索剪切应力与椎间盘退变之间的关系。方法 20只成年日本大耳白兔随机平均分成2组。加载组通过手术在动物L4/5节段植入自行研制的剪切应力加载装置,并加载50 N的剪切力4周;对照组只植入加载装置但不加载剪切力。4周后处死所有动物并对所有相关节段的椎间盘做病理检查。结果术后的影像学检查显示加载装置位于动物腰椎,手术过程和植入的加载装置对实验动物的日常活动与饮食均无影响。病理学检查发现加载组椎间盘的纤维环组织排列紊乱,正常髓核细胞明显减少。结论新型装置的设计减少了对动物椎体的创伤,并且可以提供可靠的剪切应力;在体动物模型的建立揭示一定的剪切应力可导致动物椎间盘退变,对进一步研究载荷与椎间盘退变间的关系具有较大的意义。

细胞骨架F-actin在层流剪切应力诱导EPCs内皮分化中的作用

目的探讨细胞骨架F-actin在层流剪切应力促内皮祖细胞(endothelial progenitor cells,EPCs)向内皮分化中的作用。方法对大鼠骨髓来源的EPCs施以层流剪切应力(1.2 Pa),以荧光定量RT-PCR及流式细胞术检测特异性内皮细胞标记分子vWF、CD31 mRNA及蛋白的表达来反映EPCs分化程度;以免疫荧光染色观测F-actin的排列情况;应用Ras GTPase Pull-Down方法检测Ras活性。结果层流剪切力处理后,EPCs分化标记vWF及CD31的基因及蛋白表达较静止组明显升高(P<0.05),细胞骨架F-actin发生重排,Ras活性明显增高。细胞骨架稳定剂Jasplakinolide(JAS)及细胞骨架松弛剂Cytochalasin D(CytoD)预处理均不同程度地抑制了层流剪切应力所致的细胞骨架的重排、Ras活性的上调及EPCs分化效应(P<0.05),而过表达Ras则对层流剪切应力诱导的EPCs分化有明显促进作用(P<0.05)。结论一定大小的层流剪切应力可促进EPCs向内皮细胞分化,其机制可能与层流剪切应力重塑细胞骨架F-actin,进而影响Ras活性有关;这对于揭示受损血管内皮修复的具体机制、阐明动脉粥样硬化等心血管疾病的发病机理及临床防治此类疾病具有一定的意义。

剪切应力对毛细血管内皮细胞代谢的影响

建立的平行平板流动腔装置适用于研究血管内皮细胞代谢对剪切流场的响应。将培养的人胚肾小球血管单层内皮细胞置于剪应力分别为５×１０－５Ｎ／ｃｍ２，１×１０－４Ｎ／ｃｍ２和１．５×１０－４Ｎ／ｃｍ２的定常层流中剪切２５小时，样品中的内皮素分泌量用放射免疫法测定。结果表明，剪应力水平对内皮细胞内皮素的代谢活动有显著影响。与静态培养对照，低水平的剪应力（５×１０－５Ｎ／ｃｍ２、１×１０－４Ｎ／ｃｍ２）促进内皮素的分泌，而较高水平的剪应力（１．５×１０－４Ｎ／ｃｍ２）抑制内皮素的分泌；