来源:中华胰腺病杂志


综述与讲座
胰腺炎力医学
陈弟1 许泽文1 谢宁2,3
1海南医科大学附属海南医院(海南省人民医院)消化内科,海口 570311;2西安交通大学生命科学与技术学院 生物医学信息工程教育部重点实验室 仿生工程与生物力学研究所,西安 710049;3西安交通大学第二附属医院消化内科,西安 710004
通信作者:徐峰;刘娜


胰腺炎是一种复杂的消化系统疾病,其有效诊治高度依赖消化内科、外科、急诊科、重症医学科等多学科协作。既往研究主要聚焦于生物化学层面的致病因素,近年来,随着生物力学与力生物学的快速发展,力学因素在胰腺炎发生与进展中的关键作用日益受到重视。目前对于胰腺炎所呈现的多尺度力学特征及其力生物学机制尚缺乏系统认知与总结,而诊疗模式正经历从传统生物化学机制向力学调控范式的转变。本文首次提出“胰腺炎力医学”概念,并以生物力学、力生物学、力诊断学与力治疗学4个方面,系统阐述多尺度力学特征在胰腺炎病理进程中的核心作用。通过解析胰管压力、组织刚度等宏观力学参数与Piezo1等力敏感通道及钙稳态等微观力生物学机制之间的交互作用,揭示力学环境改变驱动炎症级联反应与纤维化进程的分子基础。进一步结合弹性成像、压力传感等创新诊断技术,以及靶向力学通路的治疗策略,构建“生物力学特征—力生物学分子机制—临床干预”三位一体的诊疗体系,旨在为胰腺炎的早期识别、精准分期及力学靶向治疗提供理论依据。
胰腺炎是临床上较为常见的消化系统疾病,主要分为
研究表明,胰管高压是诱发胰腺炎发作的核心因素。
一、胰腺炎生物力学
胰腺炎生物力学是一门聚焦胰腺在内外力学刺激下所呈现的力学行为学科,通过探究胰腺在受力、形变及运动过程中的生理与病理特征,阐释力学因素在胰腺炎发生与发展中的作用。
1.器官与组织的力学特征:(1)胰管压力。在正常生理状态下,主胰管压力约为7 mmHg(1 mmHg=0.133 kPa)。当胰腺分泌活动增强时,该压力可升至正常值的2~3倍,极端情况下可达20 mmHg左右。在较低压力范围内,胰管黏膜可有效阻止酶原等大分子物质从管腔侧渗入腺泡与间质,维持胰腺微环境的稳态。然而,一旦胰管压力超过生理范围,
2.细胞外基质与力学微环境:胰腺组织刚度与细胞外基质(extracellular matrix, ECM)的合成、降解以及交联程度密切相关。正常生理条件下,ECM中胶原、糖蛋白和蛋白聚糖等成分处于动态平衡,星状细胞和成纤维细胞大多保持静息状态。当炎症或压力负荷反复出现时,ECM的合成和交联程度明显提高,形成更加致密、刚度更高的基质,从而加剧组织硬化。此种力学微环境会进一步激活星状细胞等间质细胞,诱导更多胶原沉积,引发炎症与纤维化之间的正反馈循环。
值得注意的是,细胞水平的力学研究对阐明胰腺微环境的动态变化至关重要。例如,原子力显微镜等仪器可量化细胞或组织切片的局部刚度;微机电系统传感器则能在微流控环境下监测细胞力学响应。随着这些技术的应用不断成熟,人们有望更加精细地揭示胰腺炎微环境在多尺度力学调控下的演变过程,为早期诊断和精准干预提供新的策略。
二、胰腺炎力生物学
在胰腺炎生物力学研究的基础上,胰腺炎力生物学从细胞和分子水平阐释了力学刺激对炎症与纤维化的放大效应。AP中,胰腺腺泡细胞的钙稳态失衡和中性粒细胞的激活是主要病变驱动;CP则以星状细胞激活与ECM异常沉积为主轴。与此同时,胰管细胞在维持腔内碱性环境以及腹腔压力和微循环变化,也对胰腺炎的进程和严重程度产生深远影响。对这些分子与细胞水平机制的深入研究,不仅能为胰腺炎的精准诊断和个体化治疗提供新思路,也为该疾病的整体防治带来更深层次的理论依据。
1.胰腺腺泡细胞与AP:在AP的发病机制中,胰腺腺泡细胞是响应力学刺激的核心效应单元。已有研究证实,细胞内Ca²⁺稳态失衡是诱发AP的主要因素之一,并引发一系列级联反应。当胰管梗阻发生时,内质网中的Ca²⁺释放显著增加,细胞外Ca²⁺则经Orai1通道大量内流,导致腺泡细胞内Ca²⁺过载。过高的细胞内Ca²⁺会过早激活
更值得关注的是,机械敏感通道Piezo1在应对力学刺激中起着关键作用。研究显示,胰管压力升高可激活Piezo1通道,使腺泡细胞Ca²⁺水平急剧升高,诱导线粒体功能受损及胰蛋白酶原过度激活,从而引发腺泡细胞坏死。在AP患者标本中,Piezo1信使
2.中性粒细胞与AP:中性粒细胞是AP发生与发展过程中的另一类重要细胞群。它们通过浸润炎症部位,释放多种炎性介质,加剧局部组织损伤,并迅速放大全身炎症反应。
3.胰腺导管细胞与AP:胰腺导管细胞是维持胰管碱性环境的关键。胰管细胞通过
当胰管内压力升高时,嗜铬样细胞可分泌5⁃羟色胺(5⁃hydroxytryptamine, 5⁃HT),与胰管细胞基底侧膜上的5⁃HT3受体结合,抑制钠⁃碳酸氢根离子(Na⁺⁃HCO₃⁻)协同转运,使胰管内pH值下降,进一步促进胰蛋白酶自我活化。CFTR基因缺陷或功能低下者,其胰管分泌效率更低,易出现蛋白沉积及管腔阻塞,加剧胰管高压并最终推动AP进程。因此,维持胰管
4.胰腺星状细胞与CP:CP是一种进行性、反复发作且炎症⁃纤维化相互促进的慢性过程,其中胰腺星状细胞(pancreatic stellate cells, PSCs)是胰腺外分泌纤维化的主要驱动者。在正常生理条件下,PSCs多处于静息状态,主要参与胰腺ECM的基础维持。然而在
5.其他力学因素:除上述因素之外,在重症AP中,IAP升高和微循环障碍同样是重要的力学调控因素。IAH会造成血管受压、局部缺血,促进胰腺坏死与感染等严重并发症;而微循环异常则增加毛细血管通透性与炎性因子聚集,进一步加剧组织损伤及全身炎症反应。因此,综合监测和调控IAP以及改善微循环,对重症AP的早期救治及并发症防控具有重要意义。
三、胰腺炎力诊断学
胰腺炎的生物力学与力生物学研究为临床诊断提供了全新的思路,催生了胰腺炎力诊断学这一新兴方向。该方向通过将力学原理与先进技术相结合,利用胰腺的力学特性(如组织刚度、胰管压力)及力学信号相关生物学标志物,实现对胰腺炎病程进展的精准监测与疗效评估。近年来,以超声弹性成像和MRE为代表的力学检测技术在胰腺疾病的早期诊断与分期方面取得了显著成效,为临床干预时机的把握提供了更加客观而量化的依据。
1. AP的力诊断学:(1)胰管压力测量。AP的力学诊断高度依赖于对力学特征的精确测量。自20世纪70年代起,研究者便开始采用ERCP测量胰管压力,这一突破为胰腺炎力诊断学的进展奠定了基础。随后,Ebbehøj等首次使用带有压力传感器的细针,直接测量胰腺实质内的组织压力,为该领域的进一步发展提供了新的技术路径。尽管该方法因其创伤性和操作复杂性在临床实践中的应用受到限制,但其有效性已得到验证。随着内镜技术与压力传感器的不断发展,通过更微创的方式实时获取胰管或胰腺实质压力数据,正成为评估AP严重程度的新兴手段。(2)组织刚度评估。相比侵入式检测,弹性成像技术作为一种无创的组织刚度评估方法,在AP诊断中表现出显著优势。该技术包括应变弹性成像和剪切波弹性成像(shear wave elastography, SWE)两大类。应变弹性成像通过测量组织受力变形程度,以半定量方式反映胰腺刚度;SWE则通过监测剪切波在组织内的传播速度来计算弹性模量,实现对组织刚度的定量测量。研究显示,SWE对AP的灵敏度可达98%,特异度为98%,明显优于传统超声。若剪切波速度超过一定阈值(如1.63 m/s),可准确区分AP与正常组织;当周围软组织剪切波速度超过2.2 m/s时,则提示AP可能存在。这些方法有望显著提高AP的早期诊断准确度,为临床治疗提供可靠的依据。近期,结合人工智能(artificial intelligence, AI)的弹性成像技术已大幅提高胰腺病灶的分类诊断率。未来,AI与SWE等弹性成像技术的结合有望在床旁环境下实现更快速、客观的AP分期与重症预警,为临床制定个体化救治方案提供依据。(3)腹腔压力监测。重症AP常伴有IAH,后者会导致胰腺组织灌注受限并加重坏死与炎症损伤。若IAP进一步升高至20 mmHg以上并出现多器官功能障碍,则可诊断为ACS,死亡率显著增加。因此,精确监测IAP对早期识别IAH或ACS及制定相应减压措施至关重要。IAP测量方法包括经尿道膀胱压测量(被视为“金标准”)、直肠压力测量,以及新兴的微波反射法等非侵入式技术。随着传感器精度的提升和床旁监测设备的改进,IAP的实时动态监测在AP重症监护与综合管理中的地位日益凸显。
2. CP的力诊断学:(1)超声弹性成像与多模态评估。CP通常在疾病晚期才被确诊,主要表现为胰腺纤维化、腺泡萎缩与钙化。由于CP发病初期缺乏典型影像学特征,亟需敏感且易推广的检测技术进行早期识别。超声弹性成像(尤其是超声内镜下的应变弹性成像)可较敏感地检测胰腺刚度的改变,从而判断纤维化程度。然而,应变弹性成像多为半定量方法,结果易受操作和主观因素影响。相比之下,SWE通过定量测量胰腺弹性模量,可实现更准确的早期诊断。已有研究表明,通过经腹部SWE检测,CP患者的胰腺刚度在病变早期即明显升高,且与纤维化程度高度相关。值得注意的是,多模态影像学结合力学指标正成为识别早期CP的重要趋势。例如,一项前瞻性研究显示,将SWE获取的胰腺刚度与CT的参数整合,可提高对纤维化程度的综合判断,显著优于单一检查手段。随着SWE技术的成熟,其在临床中对胰腺疾病的分期、疗效监测以及预后预测等方面的应用价值有望进一步凸显。(2)MRE与纤维化监测。MRE是一种基于相位对比成像的
3.临床价值与展望:对于AP患者,基于SWE的早期识别和对IAP的动态监测,有助于及时发现重症倾向并指导个体化治疗;对于CP患者,超声弹性成像及MRE等技术能在病变初期便检测到组织刚度的升高,为及早干预提供可能。随着AI算法与新型传感器技术的不断发展,基于力学指标的诊断方案可进一步提升准确度与操作便捷性。未来,力诊断学的发展可在以下方面重点突破:(1)融合多源数据(SWE/MRE与血清学、生化指标)的胰腺炎精准诊断模型;(2)实时、连续的在体力学监测传感器,用于床旁或可穿戴式监测胰腺压力或弹性变化;(3)将力学指标纳入胰腺炎危险分层及重症评分体系,为临床医师提供更全面的决策支持。
四、胰腺炎力治疗学
胰腺炎力治疗学的核心目标,是将前期生物力学和力生物学研究中获得的理论与技术成果应用于胰腺炎的临床干预。通过靶向力学信号转导通路或直接调控胰腺内外力学环境,旨在有效减轻炎症、延缓纤维化进程或逆转组织损伤。随着力学检测及治疗手段的不断升级,越来越多基于力学调控的创新策略开始应用于临床,展现出良好的前景。
1.传统治疗方法中的力学机制:(1)内镜及手术操作。在胰腺炎治疗过程中,降低胰管压力是缓解症状的重要策略之一。内镜治疗(如ERCP)可通过取石、扩张狭窄、置入支架等方式,降低胰管压力并改善胰液引流。其中,胰管结石是CP的常见并发症,可阻碍胰液外排、增加胰管内压并加剧疼痛;内镜下取石结合体外冲击波碎石术,可使>5 mm的胰管结石有效粉碎并取出。当ERCP或体外碎石无效时,可选择胰管镜引导下电液碎石或激光碎石等辅助治疗。对于存在顽固性胰管狭窄的CP患者,初期可放置塑料支架,若狭窄持续存在,则可考虑使用多枚塑料支架或自膨式金属支架。在急性胆源性胰腺炎中,ERCP也有助于及时清除胆管或
2.药物治疗:(1)镇痛与支持疗法。临床上胰腺炎疼痛多按照世界卫生组织的镇痛阶梯逐级用药:首先使用非甾体抗炎药(non⁃steroidal anti⁃inflammatory drugs, NSAIDs),若疗效不佳再升级至弱
3.新型力治疗方法:(1)物理力学干预。除传统内镜与药物治疗外,采用物理力学干预手段,如声动力疗法、经皮低频超声刺激等,也正在探索其在胰腺炎缓解中的作用机理。部分动物实验显示,特定频率与强度的超声刺激,或可影响微循环与炎性细胞黏附,从而减轻组织水肿及局部高压。尽管目前尚缺乏大规模临床数据,但其潜在机制值得进一步研究。(2)组织工程与生物支架。在CP后期,组织大面积纤维化或萎缩可导致严重的外分泌与内分泌功能丧失。利用组织工程和生物支架技术构建胰腺类器官,诱导干细胞分化成功能性胰腺细胞,并植入患者体内以修复受损组织,亦是力治疗学的一大前沿方向。通过在生物支架上调控力学属性(如刚度、孔隙结构),可指导胰腺细胞有序生长与功能重建,为晚期CP的功能恢复提供可能性。虽然该领域尚处于初级探索阶段,但前景值得期待。
总体而言,胰腺炎力治疗学主要围绕两大策略:(1)降低胰管与胰腺组织压力;(2)靶向力学信号通路、逆转或干预炎症与纤维化进程。传统的内镜、手术及药物治疗通过改善胰管通畅、减轻胰腺高压和止痛,为大多数AP和CP患者提供了基础管理方案;而基于Piezo1、LOX、TRPV4等力学通路的新型靶向药物和物理力学干预手段,则为改善顽固性疼痛、延缓纤维化乃至促进组织再生带来了新的契机。未来,随着力学生物学机制研究的进一步深入,以及多学科交叉与转化医学的持续推进,预计将有更多精准且个性化的力治疗策略投入胰腺炎临床应用。通过大规模临床试验的验证和循证医学证据的完善,力治疗学或将成为胰腺炎综合管理不可或缺的重要组成部分,为患者带来实质性获益。
五、小结与展望
综上所述,力学因素在胰腺炎的发生、发展以及临床诊疗中起着至关重要的作用。随着力医学相关理论与技术的快速发展,胰腺炎的早期识别、精准分期及个性化干预正在迎来新的机遇。然而,如何将这些力学研究成果更好地应用于临床,仍需在以下几个方面加以突破。
首先,在技术层面,虽然超声弹性成像、MRE及微型压力传感器等工具已逐步应用于胰腺炎的检测与诊断,但其在空间与时间分辨率、定量化标准以及生物安全性方面尚存在不足。原子力显微镜和流变仪等高精度力学仪器难以在活体环境下实时观测力学微观变化。如何开发活体多尺度力学表征技术(如可穿戴式胰管压力监测设备),实现对胰腺局部与全局力学指标的实时、动态测量,是未来需要重点攻关的方向。其次,在基础研究层面,力生物学机制尚待深入厘清。当前多数研究基于体外力学模型,难以全面模拟体内环境中力学、炎症和纤维化等多因素交织的复杂过程。利用组织工程、3D生物打印及微流体等新兴技术,构建类器官芯片模型或高仿真的3D生物打印胰腺组织,可更好地模拟胰腺炎力学微环境,为解析关键分子通路与细胞行为提供新平台。同时,多学科交叉融合(临床医学、材料科学、生物工程等)对于完善胰腺炎力学调控机制、推动相关实验成果向临床转化具有决定性意义。第三,在临床转化层面,仍需针对不同分型及分期的胰腺炎人群,构建“力学诊断—分期—干预—随访”的完整临床路径。力学指标可与传统生物化学及影像学指标相结合,形成新型综合评估系统,为患者提供个性化、精准化的治疗策略。与此同时,应加快力学靶向药物(如Piezo1抑制剂、LOX抑制剂等)与抗纤维化联合疗法的临床试验研究,明确其疗效与安全性。这些创新策略一旦获得大规模多中心随机对照试验的支持,将为胰腺炎的治疗格局带来革命性转变。