复苏过程中主动脉阻塞的血液动力学和病理效应：体外循环平台与体内动物研究

《Journal of Biomechanics》：Hemodynamic and pathological Effects of aortic occlusion during Resuscitation: An ex vivo circulatory platform and in vivo animal study

主动脉阻断血流动力学与血管损伤机制研究通过生物模拟平台和动物模型揭示压力恢复阈值与血管壁炎症的关系，提出需平衡心脏输出量不足和超生理压力导致的血管损伤风险。

　　

李中友|刘凌军|高飞|陈宇|白涛平|蒋文涛|陈冲|张明

四川省生物力学工程实验室，中国成都

摘要

主动脉阻断是一种关键的救命干预措施，它能够同时控制出血并恢复灌注压。然而，由于其难以在紧急情况下实时评估血流动力学反应以及缺乏病理学验证，其临床效果仍存在争议。在这里，我们提出了一个结合仿生循环平台和体内动物验证的综合性生物力学-病理学框架。该平台将脉动泵-马达系统与3D打印的主动脉模型相结合，能够真实模拟生理血流，并能够在不同的心输出量下系统地绘制阻塞部位的压力和脑灌注图谱。我们发现，近端阻塞随着心输出量的减少（从髂动脉到胸主动脉段：<22%至<64%）逐渐恢复压力；但在相对较小的压力降低（<5%–55%）情况下，可能会引发超生理压力，从而导致血管壁损伤。中等程度的心输出量减少可以缓解这种权衡，平衡灌注不足和压力引起的血管损伤。补充的动物研究表明，持续时间超过30分钟的阻塞在高血压条件下会引发血管壁炎症，并导致肝肾缺血-再灌注损伤。总体而言，这些发现明确了压力恢复不足、血管过载和远端缺血之间的竞争风险，为基于解剖学的决策提供了生物力学依据。

引言

创伤是45岁以下人群的主要死亡原因，在欧盟每年导致超过14万人死亡（Hakkenbrak等人，2021年）。虽然外部压迫可以有效止血，但在深层不可压缩躯干出血（NCTH）的情况下却完全无效——这是一个关键的院前治疗瓶颈。这些危及生命的事件在战争、动脉瘤破裂、分娩和交通事故中很常见，对平民和军事人员都构成了普遍挑战。

几十年来，开放性主动脉夹闭一直是处理NCTH的唯一可行方法（Otsuka等人，2021年），遵循“先手术再止血”的原则。然而，开胸或剖腹手术会带来严重的二次创伤，而且麻醉、暴露和转运过程往往会加剧出血性休克。可复性血管内球囊主动脉阻断（REBOA）的出现改变了这一模式。通过暂时阻断远端主动脉血流，REBOA能够快速控制出血并支持近端灌注，体现了“先止血再手术”的方法。动物研究（White等人，2011年；Dogan等人，2024年；Siemieniak等人，2024年；Mcgreevy等人，2022年；Cralley等人，2022年；Bader等人，2024年）一致证明了REBOA的血流动力学效果，不同休克模型中的收缩压（SBP）升高幅度在24至88毫米汞柱之间。

临床上，REBOA已被应用于多种情况——从主动脉瘤修复（Mochida等人，2020年）和穿透性躯干创伤（Garcia等人，2021年）到心脏骤停（Jang等人，2022年）和产后出血（Yu等人，2020年）——这增强了其治疗前景。然而，越来越多的证据表明REBOA并不能始终达到预期的效果（Saito等人，2015年；Jansen等人，2023年；Norii等人，2015年；Heo等人，2020年；Ahmed和Kuo，2024年；Nekooei等人，2025年；Li等人，2021年）。尽管REBOA在全球范围内的应用日益广泛，但其效果的不一致性凸显了工程设计与临床生理学之间的关键转化差距。一个悖论出现了：尽管在胸主动脉中部署了球囊，一些患者的血流动力学恢复仍然不足（Heo等人，2020年）。这一区域还伴随着超生理的动脉压力（Wasicek等人，2019年；Eliason等人，2021年），这增加了脑部（Uchino等人，2016年）或动脉损伤（?zlüer和Karaman，2021年）的风险。近端阻塞虽然能挽救生命，但也剥夺了内脏器官的灌注，使其容易发生缺血-再灌注损伤（Huang等人，2025年；Chiu等人，2024年）。动脉压力的不可控性和缺血-再灌注损伤是围绕REBOA的争议焦点，突显了迫切需要从生物力学和病理学角度进行澄清。

毫无疑问，导致REBOA当前困境的一个关键因素是对其复杂血流动力学机制的理解不足。从生物力学的角度来看，外周血管网络调节全身阻力，从而决定动脉压力。当远端区域被排除在循环之外时，血流重新分配会以区域依赖的方式改变阻力动态，导致近端压力出现突然且不可预测的变化。主动脉的广泛分支进一步加剧了这种复杂性，在创伤情况下，救命干预和快速转运到医院等相互竞争的优先事项使得在紧急条件下进行直接的血流动力学评估几乎不可能。因此，现有的数据稀缺且零散（Li等人，2025年；Renaldo等人，2022年）。除了长期存在的压力不足问题外，过高的压力也会引起血管损伤，这一现象尚未得到充分研究。此外，关于阻塞持续时间对内脏器官影响的病理学证据缺乏，限制了REBOA的循证应用。这些未解决的问题使其临床使用主要基于经验。

为了解决这些挑战，我们开发了一个仿生循环平台，以在心输出量减少的情况下描绘不同阻塞区域的压力调节模式。同时，我们使用动物模型来研究长时间阻塞对主动脉壁和下游内脏的病理后果。这些方法共同建立了一个综合性的生物力学-病理学框架，将血流动力学变化与组织水平的损伤联系起来，为优化REBOA引导的复苏策略和设计具有可控压力调节的下一代阻塞装置提供了机制上的见解。

部分摘录

循环平台

大多数NCTH病例由主动脉破裂引起，包括动脉瘤破裂、穿透性创伤和由髂内动脉供血的产后子宫出血，这些都是危及生命的（图1A）。因此，我们关注的血流动力学并发症主要集中在主动脉。然而，在严重出血的紧急情况下，捕捉不同心输出量和阻塞部位下的全范围血流动态是非常具有挑战性的

血压模式

心输出量减少5–50%后，阻塞引起的压力反应逐渐变化。在轻度减少（5–10%；图2A和B）时，波形接近基线水平，P1阻塞产生的压力正常，而P2以上的部位压力超过生理范围。在中度减少（20–40%；图2C–E）时，整体压力低于生理范围，但某些部位的压力仍高于基线。在20%的情况下，P4

讨论

血流动力学控制对于出血后的有效复苏至关重要；然而，在危急、危及生命的状况下直接进行评估几乎是不可能的。这一限制导致了主动脉阻断在临床实践中的效果不一致。为了解决这一差距，我们开发了一个仿生主动脉平台，以绘制从髂总动脉到胸主动脉的时空血流动力学反应。利用动物模型，我们详细研究了病理

局限性

本研究存在一些局限性。首先，尽管兔子是心血管研究中常用的模型，但代谢性酸中毒、严重的肠系膜缺血、早期高死亡率和盆腔侧支循环等因素显著影响实验结果，这表明在未来的REBOA模型开发中需要仔细考虑和监测这些因素。此外，由于血容量、代偿能力和凝血功能的差异，兔子并不是理想的出血模型

结论

我们将离体循环平台与动物模型结合，研究了紧急情况下主动脉阻塞的生物力学和病理学后果。在心输出量下降<22%、<33%、<34%、<41%、<48%和<64%的情况下，从髂动脉到胸主动脉（P1-P6）的压力得到了恢复，尽管在心输出量下降<5%、14%、16%、29%、40%和<55%时存在超生理压力的风险。这表明与

作者贡献声明

李中友：撰写——审稿与编辑，撰写——初稿，验证，软件，方法学，研究设计，资金获取，数据管理，概念化。刘凌军：数据管理。高飞：资金获取，概念化。陈宇：验证，概念化。白涛平：验证，方法学，概念化。蒋文涛：方法学，资金获取，概念化。陈冲：张明：撰写——审稿与编辑，资金获取，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（12302402和12472311）、四川省自然科学基金（2024NSFSC1377）、国家重点研发计划（2024YFC2422200）、研究资助委员会，大学资助委员会（PolyU15211322）、中国博士后科学基金会（2024 T170616）和香港学者计划（XJ2024014）的支持。

伦理批准。

动物实验获得了四川西部医院伦理委员会的批准