UCLA陈俊，最新Nature大子刊：实现血管狭窄实时无创诊断

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临床上，血管移植物狭窄的传统诊断手段往往存在操作繁琐、检测间断的问题，难以实现早期诊断，导致患者确诊时血管已出现明显狭窄，错失最佳干预时机。针对这一临床痛点，加州大学洛杉矶分校的研究团队开发出一种基于磁弹性效应的血管移植物（MVG），兼具血流重建与狭窄诊断双重功能，实现了无线、实时、连续的血管狭窄监测，且经长期动物实验验证了其优异的生物相容性和稳定性，为血管疾病的临床管理带来了全新解决方案。

加州大学洛杉矶分校（UCLA）陈俊、Song Li教授研究团队设计的磁弹性血管移植物采用三层结构，将血流动力学获取型磁弹性微网（HAMM）夹在两层聚碳酸酯聚氨酯（PCU）纳米纤维膜之间，依托巨磁弹性效应将血流的流体机械能转化为磁通量变化，再通过外部软线圈感应为电信号，实现无外接电源的自主工作。该移植物通过静电纺丝和激光切割工艺规模化制备，可定制直径以适配不同解剖位置，机械性能与临床金标准膨体聚四氟乙烯（ePTFE）移植物相当，且顺应性更接近天然动脉。团队在大鼠和猪的股动脉模型中完成微血管吻合手术，验证了其血流重建能力，并结合人工智能辅助分析，精准识别狭窄的位置和严重程度；同时通过4个月的大鼠体内实验，证实了该移植物无明显免疫排斥、组织损伤等不良反应，具备长期体内应用的潜力。相关内容以“Hemodynamics-driven magnetoelastic vascular grafts for stenosis diagnosis”为题发表在《Nature Biotechnology》。

【主要内容】

图1：血流动力学驱动的磁弹性血管移植物

图中清晰展示了血管移植物狭窄的临床背景、传统诊断手段及MVG的核心设计与工作机制。传统诊断依赖血管造影、核磁共振、多普勒超声等成像技术，虽精度高但受设备和场地限制；而MVG以三层结构为核心，HAMM层在生理状态下维持稳定磁通量B₀，心脏收缩期血流压力使其形变，磁通量变为B₀+ΔB，舒张期恢复初始状态，磁通量变化可通过外部软线圈无线检测并转化为电信号，实现连续的狭窄诊断。此外，MVG具备良好的柔韧性和直径定制性，可适配不同解剖部位，为临床个性化应用奠定基础。

图2：磁弹性血管移植物的优化与表征

MVG通过静电纺丝和激光切割实现规模化定制，HAMM层的二氧化硅涂层磁性颗粒无泄漏风险，六边形分形网格结构提升了拉伸性和磁机械耦合效率；其拉伸强度、缝线保持强度与ePTFE相当，顺应性则与天然人体动脉高度契合。体外脉动流实验证实，MVG的感应电信号与流速、脉压呈强相关性，可精准检测脉率，且能根据信号变化区分狭窄位置（近端狭窄信号降低、远端狭窄信号升高），经20000次脉动形变后仍保持传感稳定性，同时具备防水性和远距离信号检测能力。生物安全性方面，内皮细胞可在其内壁正常黏附，与外周血单个核细胞共培养后未引发明显免疫细胞活化，且在1T核磁共振扫描中无升温、位移，安全性良好。

图3：大鼠模型中的在体血流传感

研究团队通过显微吻合手术将0.7mm直径的MVG植入大鼠股动脉，外部软线圈可经皮无线检测到稳定的血流动力学信号，术后4周MVG的传感响应时间无明显变化，信号稳定性良好。多普勒超声证实MVG内血流呈层流状态，其检测的大鼠心率与超声结果高度一致，壁面剪应力在移植物各段分布均匀。团队将MVG的在体信号与模拟狭窄数据结合构建数据集，经连续小波变换预处理后输入预训练卷积神经网络（CNN），模型对血管通畅、近端狭窄、远端狭窄的分类准确率达88.06%，证实了AI辅助MVG实现狭窄精准诊断的可行性。

图4：猪模型中磁弹性血管移植物用于狭窄诊断的在体验证

在大动物猪模型中进一步验证了MVG的临床转化潜力，完成了4mm直径MVG的股动脉端-端吻合手术，血管造影证实移植物内血流通畅，无夹层、梗阻等并发症，免疫荧光染色显示移植物周围动脉的内皮细胞、平滑肌细胞分布正常，无明显细胞损伤。MVG的感应电信号与临床生命体征监测仪的动脉血压波形高度契合，肌肉收缩引发的运动伪影可通过快速傅里叶变换有效去除，信号信噪比值达41dB。在体诱导急性狭窄实验中，MVG可精准区分不同位置、不同严重程度的狭窄，移除狭窄后信号恢复至基线水平；结合急性和模拟慢性狭窄数据训练的CNN模型，对基线通畅、急性近端狭窄、急性远端狭窄及不同程度慢性狭窄的分类准确率达91.2%。此外，MVG在20mm组织屏障下仍能保持26dB的信噪比，具备经皮远距离检测的能力，满足临床深部组织监测需求。

图5：长期生物相容性研究

通过120天的大鼠体内实验，全面评估了MVG的长期生物相容性和生物稳定性。植入MVG的大鼠术后行为正常，无皮肤坏死、肿胀等不良反应，多普勒超声和红外热成像证实移植物长期通畅，手术部位无感染、炎症。组织学染色显示，MVG周围组织与对照组无明显差异，无炎症细胞浸润、假性肿瘤形成或液体积聚；免疫荧光和流式细胞术分析证实，移植物未引发T细胞活化和巨噬细胞极化异常，M1、M2巨噬细胞比例与对照组无显著差异。PET-CT扫描显示手术部位氟代脱氧葡萄糖（FDG）摄取量与对照组相当，局部炎症反应轻微；元素分析未检测到MVG的硅材料泄漏至血液和器官中，血液学指标均在正常参考范围内，证实MVG无全身毒性，具备长期体内应用的生物安全性。

【全文总结】

本研究成功开发了一款集血流重建与狭窄诊断于一体的磁弹性血管移植物，创新性地将巨磁弹性效应与血管组织工程相结合，实现了血流动力学驱动的无线、实时、连续狭窄监测，突破了传统诊断手段的时空限制。该移植物不仅具备可规模化定制、机械性能优异的特点，更经大鼠和猪的在体实验验证了其血流重建能力、狭窄精准诊断能力，且120天的长期动物实验证实了其良好的生物相容性和生物稳定性，无明显免疫排斥和组织损伤。尽管目前该技术仍存在核磁共振成像伪影、骨性组织处信号衰减等待优化问题，但研究团队提出了设计改进、算法校正等解决方案，未来结合片上存储和低资源AI算法，有望实现居家监测和临床普适性应用。这款磁弹性血管移植物为血管移植物狭窄的早期诊断和干预提供了全新的技术手段，有望推动血管疾病诊疗体系的革新，为动脉粥样硬化、外周动脉疾病等患者带来更长的生存期和更高的生活质量。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41587-025-02619-7