
从患者影像连接到肝小叶
美国长岛大学(Long Island University)、法国 Dassault Systèmes 及新加坡等团队在 npj Digital Medicine 报道多尺度肝脏模型,尝试将门静脉血流与药物在肝小叶内的分布和损伤联系起来。
研究选择对乙酰氨基酚(acetaminophen,APAP)作为药物实例,在既有肝小叶模型上增加更大尺度的血管网络。APAP 的代谢和细胞损伤过程沿用先前框架,本篇重点建立跨尺度血流连接。
磁共振血管成像提供肝脏轮廓及可分辨的门静脉结构,重建后形成三维几何模型。小于成像分辨率的血管采用计算生成的替代网络,再连接到肝小叶。
整套模型把器官级门静脉、较小血管和小叶分别计算,前一级输出为后一级提供流量和压力条件。药物随血流进入局部组织,随后由小叶模型描述转运、代谢及损伤。
用替代网络补充影像分辨率以下的血管
中间层设置两种二维血管网络,分别连接毫米级入口与更小尺度的末端。网络沿用流动守恒和阻力关系,使药物能够从影像重建的大血管逐步进入小叶。
小叶部分采用多孔介质表示肝窦区域,描述入口、中心静脉方向及组织内分布。各部分组合后,可以比较不同位置获得的血流和药物,保留区域浓度差异。
这种安排减少了直接重建所有细血管的计算需求,同时保留区域差别。二维替代网络不能完整描述真实三维血管交叉,各位置的输出也依赖网络和边界条件。
整体血流与文献资料比较
门静脉入口流量按文献设置为 9.48–11.43 cm³/s,再计算血管内的速度分布。研究将计算得到的非均匀速度分布与既有四维磁共振速度图比较;后者来自外部文献,并非本篇同一患者的实测血流。
血管变细后,模型继续计算各出口流速及其对应的小叶入口。不同末端的压力和流量提供不均匀的组织输入,使局部药物浓度可以产生差异。
肝小叶内计算同时受到渗透性和入口速度影响。研究用已有小叶及体外模型资料比较相关数量级,但尚无对全部替代小血管的直接测量。
模型中的小叶入口速度约为 140–1260 μm/s,组织内部约为 60–600 μm/s。入口与内部是不同空间位置的计算输出,反映药物沿流路进入组织时的分布变化。
局部压力改变药物分布
研究设置两种假设条件,分别提高局部出口压力或同时提高全部出口压力。压力变化用于检验模型对灌流阻力的响应,没有对应的患者疾病测量队列。
局部出口压力由 800 Pa 提高至 820 Pa,即增加 2.5% 时,受影响出口的流速降至可忽略水平,相关小叶的药物输送也变得极少。局部输送变化因此可能被整体流量掩盖。
全部出口压力同样由 800 Pa 提高至 820 Pa 时,模型中药物流动恢复,各血管入口压力随之增加约 20 Pa。研究还把出口压力增幅提高至 20%,得到相似现象。
这些条件把局部阻力与药物可达性联系起来。它们是人为设置的敏感性测试,具体疾病引起多大压力变化、以及如何随损伤发展,仍需要相应生理资料。
APAP 实例检验血流与损伤的连接
药物输入由生理药代动力学(physiologically based pharmacokinetic,PBPK)关系提供,再经过血管和小叶计算,得到随位置与时间变化的浓度。局部 APAP 代谢及损伤沿用既有细胞过程。
作者说明,APAP 的主要损伤机制来自代谢活化及谷胱甘肽消耗。灌流决定药物如何进入组织,但本篇没有把血流差异作为启动这一毒性机制的直接原因。
在本次单次药物输入场景中,主要药物进入发生在较明显的损伤之前,因此损伤对当前分布曲线的反馈较小。持续或反复暴露需要重新检查这种时间关系。
肝细胞损伤示例采用 27.1 g APAP 过量输入,沿用先前小叶框架的代谢和细胞状态模型,展示沿门静脉—中心静脉方向的损伤分区。本篇增加的是不同小叶与整个血管树的输入连接。
当前细胞损伤模型围绕 APAP 的代谢活化和谷胱甘肽消耗设置。免疫反应、炎症与内皮损伤过程仍属于后续扩展。
仍需补充小血管与细胞转运资料
门静脉之外的肝动脉与静脉网络未完整纳入,药物主动摄取也未在当前输送部分表示。小血管和小叶的二维简化影响局部浓度解释。
后续工作包括更完整的三维微循环、组织转运、免疫和炎症过程,以及能够独立检查这些过程的实验数据。研究展示了空间连接如何建立,也保留了当前验证资料的范围。