动脉血栓指的是在动脉中形成的病理性血块，它可能导致心脏病和脑卒中等心血管疾病。过去几十年来，心血管疾病一直高居全球发病率和死亡率榜首。然而，目前尚没有生物检测手段被证实可以在临床上准确评估动脉血栓形成的风险。尽管机械力（mechanical force）被认为促进血小板形成血块，但这一机理在目前正在开发的各种血栓相关检测技术中并未受到重视。2024年10月21日，德克萨斯大学医学分部的陈昀峰团队在Nature Communications发表文章Multi-parametric thrombus profiling microfluidics detects intensified biomechanical thrombogenesis associated with hypertension and aging。这项研究中，作者团队开发了一种将多色荧光成像与微流体技术结合的血栓检测平台，并研究了血液流动的机械力驱动的血小板聚集如何促成动脉血栓形成（ “力学驱动血栓”）。该检测平台从七个维度刻画血栓特征，并建立了一套 “条形码系统”用以简便评估受试者的血栓特征及抗血栓药物的效果。使用该检测平台，工作发现高血压和老年人群有更强的力学驱动血栓现象，并且这些人群的血栓中血小板活化程度也更高，与现实世界中对应人群的高血栓风险高度吻合。在此基础上，作者团队使用了四种其他技术手段——流动腔、生物膜测力仪（BFP）、荧光BFP和流式细胞术——解读出部分分子机制。他们发现高血压导致血小板表面的GPIbα-整合素αIIbβ3机械传感轴过度活跃，直接促进力学驱动血栓形成，从而增加了高血压患者得心血管疾病的风险。该研究首先介绍了其开发的“血栓特征检测法”的基本原理。该检测法使用微流控技术观察血小板在区域性狭窄所造成的高速血液流动环境下所自发形成的血栓，并使用荧光标记法标记血栓中的七种重要成分：（1）血小板（通过标记血小板表面的的整合素αIIbβ3），（2）纤维蛋白原（交联血小板形成聚集的血液蛋白之一），（3）血管性血友病因子（VWF，另一种交联血小板形成聚集的血液蛋白），（4） P-选择素（表示血小板活化），（5）磷脂酰丝氨酸（表示血小板活化并出现凝血能力），（6）处于直立活化形态（E+）的整合素αIIbβ3（表示血小板活化并具备较强黏附能力），以及（7）处于完全活化形态（Act.）的整合素αIIbβ3（表示血小板活化并具备高强度黏附能力）（图1）。图1. 文章中使用的微流控芯片以及七个特征维度的标志性荧光染色结果。标号1-7分别是（1）血小板，（2）纤维蛋白原，（3）血管性血友病因子，（4） P-选择素，（5）磷脂酰丝氨酸，（6）处于直立活化形态（E+）的整合素αIIbβ3，以及（7）处于完全活化形态（Act.）的整合素αIIbβ3。
接着，研究使用了一系列高特异性抗体抑制交联血小板的不同蛋白，并发现这些蛋白在机械力驱动血小板聚集过程中的贡献各不相同。血小板表面的糖蛋白Ibα（GPIbα）可以和VWF相互结合，而抑制这种结合会导致：（1）血栓变小，（2）纤维蛋白原水平不变，（3）VWF水平降低，（4）P-选择素水平降低，（5）PS水平不变，（6）E+ αIIbβ3水平降低和（7）Act. αIIbβ3水平降低，利用“条形码系统”可简单表述为：[- 0 - - 0 - -]。血小板表面的整合素αIIbβ3既可以和纤维蛋白原结合，也可以和VWF结合。抑制前者会导致[- 0 - 0 0 0 0]的效果，而抑制后者会导致 [- - 0 0 0 0 0] 的效果。完全抑制整合素αIIbβ3会导致[- - - 0 0 0 0]，正好是前两者之和（[- 0 - 0 0 0 0]+ [- - 0 0 0 0 0]）。而完全抑制VWF会导致[- 0 - - 0 - -]，也正好是抑制GPIbα—VWF和抑制整合素αIIbβ3—VWF的效果之和。这些发现的意义有二。首先，之前学术界对于机械力驱动血小板聚集这一现象的了解仍然较浅，并不清楚其中不同的血小板交联机理是如何协同作用的。以上发现首次将不同的血小板交联机理进行了“解耦”，精确剖析了其各自的贡献。第二，抑制不同血小板交联机理会造成不同的“效果条形码”，这一特质可以被用来简化抗血栓药物的筛选和开发，因为只要将未知药物和各种已知药物的“效果条形码”进行比对，找到条形码一致的已知药物，就可以反推出未知药物的分子靶点，不再需要通过其他实验手段一个个试错。为了了解“血栓特征检测法”是否可以准确探测出高血栓风险人群的异常，该研究征集了四个人群的志愿者抽取血液样本：年轻健康个体、高龄（50岁以上）健康个体、年轻高血压患者和高龄高血压患者。检测发现高血压和高龄均会造成血栓特征异常：血栓尺寸增大，并且纤维蛋白原、E+ αIIbβ3和Act. αIIbβ3水平也显著升高（图2a、b）。同时具备高血压和高龄特征的个体，其血栓尺寸和αIIbβ3激活水平还会再次提升，表明这两个风险因素的效果可以叠加。研究进一步发现，高血压患者的血栓特征异常与患病时长、当前血压水平（治疗后）、血糖水平、BMI和血脂水平均无显著相关性，表示高血压作为单一因素可以独立造成高血栓风险。此外，性别和人种也与血栓特征异常无显著关联。目前临床上并没有医学测试可用以评判个人的血栓风险，仅能根据病人的个人信息、疾病史等作出大致判断。而以上发现展示了研究新开发的血栓特征检测法能够敏感、准确地检测高血栓风险，并针对血栓异常状态提供全面信息。因此，该检测法或许在未来能用于临床，在诊断和体检中提供有效信息，帮助医生制定个人化的血栓防止策略。
图2. 血栓特征检测法发现高血压和高龄均会造成血栓特征异常。(a). 高血压患者的血液出现机械力驱动血小板聚集增强的现象。(b). 高血压和高龄均会造成[+ + 0 0 0 + +] 的血栓特征异常。(c) 力学驱动血栓中的E+ αIIbβ3水平和血栓大小具有强正相关性。
为什么高血压会造成力学驱动血栓的特征异常？研究接下来分析了血栓大小和其他特征维度的关联，并发现E+ αIIbβ3水平和血栓大小具有最强的正相关性（图2c）。这一发现印证了陈昀峰博士2019年作为第一作者发表在Nature Materials的另一篇论文（https://www.nature.com/articles/s41563-019-0323-6；BioArt报导：院士点评Nat Materials丨血栓的力学驱动机制：细胞力的黑暗面VS心血管治疗的新曙光？）的发现：E+ αIIbβ3在机械力驱动血小板聚集中起着核心作用。该论文也首次发现血小板是通过GPIbα的力学信号传导造成αIIbβ3的E+激活。在这里，研究围绕高血压提出新的机理假设：高血压会导致血小板表面的GPIbα-整合素αIIbβ3机械传感轴过度活跃。为了验证该假设，研究依次使用了流动腔、生物膜力学探针（BFP）、荧光BFP和流式细胞术，发现高血压通过两种机理导致血小板表面的GPIbα-整合素αIIbβ3机械传感轴过度活跃：（1）在未受刺激的情况下，高血压患者血小板表面的整合素αIIbβ3已存在内在激活情况；（2）高血压患者血小板的GPIbα黏附能力变强，因此在与VWF结合后会激发更强的力学信号传导，更有效地激活未活化的整合素αIIbβ3（图3）。图3. 文章发现高血压通过两种机理导致血小板表面的GPIbα-整合素αIIbβ3机械传感轴过度活跃。
最后，研究建立了个人化的血栓特征条形码系统，并发现即使在同样的健康状况和年龄层内，不同受试者的血栓特征条形码也会有很强的多样性。当不同受试者的血液接受同样药物的治疗时，药物的效果也会产生差异。作者团队因此认为，开发一款适用于所有人的抗血栓药物可能并不现实，我们或许需要建立一个抗血栓药物库以满足不同患者的需求。使用血栓特征检测法测定不同患者的血栓特征条形码及其对不同药物的响应将可能帮助临床医生确定患者最适配的药物或药物组合，以最大化疗效并最小化副作用。该研究为心血管疾病的诊断和预测提供了新手段，也为其治疗提供了重要的新思路。高血压、糖尿病、肥胖症和代谢综合症等疾病所引起的血栓对传统抗血小板药物（例如阿司匹林和P2Y12抑制剂）存在某种未知原因的耐药性。而该研究指出，这种抗药性很有可能是因为以上疾病会强化机械力驱动血小板聚集，而传统抗血小板药物并不抑制机械力驱动血小板聚集。因此，研发以机械力驱动血小板聚集作为靶点的新型药物可能是打破目前抗血栓治疗瓶颈的关键。通讯作者陈昀峰博士表示：“众所周知，血小板聚集异常会增加动脉血栓的形成风险，但其中是否涉及机械力驱动血小板聚集的异常仍然未知，其主要原因是过去对于机械力驱动血小板聚集这一问题的研究一直仅限于健康人群。我们早已经知道血小板在区域性狭窄所造成的高速血液流动环境下可以自发聚集，但是这种血小板聚集是否在某些疾病情况下变得更强，是否是某些人群拥有更高心血管疾病风险的诱因，都尚不清楚。该工作首次揭示了高血栓风险因素（高血压、衰老）可以直接导致机械力驱动血小板聚集增强。”本文通讯作者陈昀峰本科毕业于北京大学工学院，博士师从美国佐治亚理工学院朱承教授，博后期间师从美国斯克里普斯研究所的血管生物学专家Zaverio Ruggeri，2022年加入德克萨斯大学医学分部生物化学与分子生物学系成为助理教授，研究机械生物学在心血管疾病中的作用、机理及相应防治手段。共同作者居理宁（澳大利亚悉尼大学副教授）为陈昀峰的长期合作者，两人多年来通过一系列工作推广了生物膜测力仪对活细胞上的单分子力感应机理的研究，以及机械生物学对心血管健康的重要性。https://www.nature.com/articles/s41467-024-53069-9
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