在小鼠中，尽管发生了博来霉素诱导的纤维化，肺组织的粘弹性仍然得以保持

肺纤维化导致肺组织变硬但粘弹性保持一致，通过 bleomycin 小鼠模型和流变学、纳米压痕术发现纤维化进程中粘弹性特性未改变，并成功构建基于透明质酸的水凝胶模型模拟肺组织力学特性。

Leilani R. Astrab | Riley T. Hannan | Mackenzie L. Skelton | Jeffrey M. Sturek | Steven R. Caliari

弗吉尼亚大学生物医学工程系，美国弗吉尼亚州夏洛茨维尔市 22903

摘要

在肺纤维化中，过多的瘢痕组织在肺泡间质空间积聚，从而损害气体交换并影响肺功能。这种纤维化重塑导致组织硬化，但更为复杂的肺机械特性（如粘弹性和应力松弛）仍然知之甚少。为了解决这一问题，我们使用博来霉素诱导的老化小鼠模型来表征正常肺和纤维化肺的整体及空间分辨的粘弹性机械特性。我们的分析表明，尽管博来霉素引起的纤维化导致肺硬度增加，但通过tan δ（损耗模量与储存模量的比值）测得的粘弹性以及应力松弛时间尺度在年龄和博来霉素处理的影响下仍保持显著的一致性。这种尽管存在纤维化硬化但仍能保持粘弹性的现象突显了纤维化肺的一种先前未被充分认识的机械特征。为了在体外模拟这些独特的机械特性，我们使用了一种基于透明质酸的水凝胶系统，该系统在很大程度上再现了正常肺和纤维化肺的粘弹性机械特性。种植在这些人凝胶上的人类肺成纤维细胞在模拟纤维化肺的培养基上表现出更高的活性。这些发现为理解纤维化的机械后果提供了新的见解，并建立了一个可调节的体外水凝胶平台，能够模拟关键的组织粘弹性特性。

意义声明

组织粘弹性在多种生物过程中起着关键作用，包括肿瘤发生、干细胞分化和纤维化。虽然已知肺纤维化会导致组织硬化，但肺粘弹性如何随纤维化变化尚不清楚。我们利用一个成熟的小鼠模型全面表征了正常肺和纤维化肺的粘弹性。我们发现，尽管在纤维化过程中组织硬度存在明显的异质性变化，但在年轻和老化的小鼠模型中，粘弹性却表现出惊人的稳定性。随后，我们开发了能够大致再现组织粘弹性特性的水凝胶，为未来将组织模拟水凝胶应用于纤维化细胞培养模型奠定了基础。

部分摘录

引言

特发性肺纤维化（IPF）是最常见的间质性肺病（ILD），其特征是慢性且不可逆的瘢痕组织形成，其原因尚不清楚[1]。虽然IPF的直接原因尚不清楚，但细胞外基质（ECM）生成肌成纤维细胞的持续激活[2,3]导致ECM成分（如胶原蛋白和透明质酸（HA）的过量和无序积聚。随着瘢痕组织在肺泡间质空间的积聚，...

动物护理和博来霉素模型

所有动物实验均获得了弗吉尼亚大学动物护理和使用委员会的批准。C57BL/6J雄性小鼠在8-10周大时从Jackson实验室购买，并在注射博来霉素前饲养至15个月大。接受博来霉素处理的小鼠被麻醉后，通过口服方式给予博来霉素（0.3 U/kg），具体方法与先前描述的方法类似[25]。简而言之，在麻醉后，小鼠被悬挂起来并收回舌头，然后注入50 µL的博来霉素溶液...

与正常同龄对照组相比，博来霉素处理后的小鼠组织沉积增加

为了研究肺纤维化发展过程中肺组织机械特性的变化，我们使用了成熟小鼠中的博来霉素模型[20,21,33]。15个月大的C57BL/6J小鼠通过口服给予博来霉素（0.3 U/kg），随后进行21天的观察，并通过流变学和纳米压痕技术对其肺组织进行机械表征（图1）。通过组织病理学评估纤维化的发展，使用H&E染色来观察细胞和组织的积聚情况...

讨论

我们的结果与先前关于小鼠对博来霉素反应异质性的研究一致，这是该模型的一个众所周知的特征，反映了纤维化的程度及其空间分布[15,[40],[41],[42]。这种异质性可能是由于博来霉素的局部输送差异、免疫反应差异或组织敏感性差异等原因造成的[15,[40],[41],[42]。尽管这种异质性导致了...

结论

我们利用博来霉素诱导的小鼠纤维化模型研究了正常肺和纤维化肺的机械变化。通过流变学和纳米压痕技术对组织进行表征，我们能够评估整体及空间分辨的组织力学差异。我们发现，尽管组织硬度随纤维化进展而增加，但粘弹性行为仍然保持不变。这一发现无论是在流变学测量还是纳米压痕测量中都得到了验证，并且在年轻和老化的小鼠中都是一致的...

作者贡献声明

Leilani R. Astrab：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、实验设计、资金获取、数据分析。Riley T. Hannan：撰写 – 审稿与编辑、方法学设计、实验设计、资金获取、数据分析。Mackenzie L. Skelton：撰写 – 审稿与编辑、实验设计、资金获取、数据分析。Jeffrey M. Sturek：撰写 – 审稿与编辑、项目监督、资金获取、数据分析。