胆道系统动力学在病理状态下的变化特征及临床转化应用价值

Characteristics of the changes in biliary system dynamics under pathological conditions and related clinical translation value

摘要

胆道系统动力学变化与相关疾病的发生发展密切相关，随着医工交叉研究的深入，胆道生物力学在临床诊疗中的价值日益凸显。本文系统综述胆道系统动力学在病理状态下的变化特征，并探讨胆道测压、流体力学评估和实验模拟等技术在临床诊疗及术后管理中的应用价值，旨在深化对现有诊疗模式的理解，为推动胆道疾病精准医疗提供新思路。

Abstract

Changes in biliary system dynamics are closely associated with the development and progression of related diseases， and with the in-depth interdisciplinary research on medical sciences and engineering， the value of biliary biomechanics in clinical diagnosis and treatment has become increasingly important. This article systematically reviews the characteristics of changes in biliary system dynamics under pathological conditions and explores the application value of technologies such as biliary manometry， hydrodynamic evaluation， and experimental simulation in clinical diagnosis， treatment， and postoperative management， so as to deepen the understanding of existing diagnostic and therapeutic modes and provide new ideas for promoting precision medicine for biliary tract diseases.

关键词

胆道疾病 / 胆道系统动力学 / 转化医学研究

Key words

Biliary Tract Diseases / Biliary System Dynamics / Translational Medical Research

胆道系统疾病是临床常见病及多发病，发病率呈逐年上升趋势，其病理进程复杂，常累及其他系统，需要临床医生快速、正确地诊断并治疗^［1］。胆道系统由肝内胆管和肝外胆道两部分组成，通过内部精密的分支网络结构，保证胆汁定向输送，形成自身独特的三维流场特性，维持消化系统稳态平衡^［2］。胆道系统动力学异常是多种胆道疾病发生的关键环节，其通过力学-生物学耦合效应改变胆道压力与管壁剪切应力分布，从而驱动疾病进程^［3］。近年来，在医工交叉融合的创新驱动下，胆道系统动力学研究已从传统宏观的压力监测，拓展至多尺度、多模态的综合分析，为揭示内部力学变化对胆汁流动的影响提供了新视角^［4］。本文围绕胆道系统动力学的病理变化特征及相关临床转化研究进展进行综述，以期为胆道疾病的个体化诊疗提供启示。

1 病理状态下的胆道系统动力学变化特征

胆囊的周期性收缩与奥狄括约肌（sphincter of Oddi，SO）的节律性开闭是胆汁有序流动的生理学基础，维持胆道系统的动力学平衡^［5］。生理状态下，胆囊的静息压力维持在10～20 cmH₂O，收缩时最高可升至约40 cmH₂O，促进胆汁排出；与此同时，SO通过间歇性松弛与闭合，使胆总管压力在10～19 cmH₂O之间波动，形成胆汁脉冲式排泄的生理节律^［6］。这一动力学平衡在病理状态下被显著打破，其变化特征是临床识别和处理胆道疾病的重要依据。

1.1 胆道解剖结构与功能异常

胆道系统解剖变异率高达40%，包括胆管分支模式异常、双胆囊和胆总管囊肿等，其通过影响胆汁的正常流动路径，诱发区域性胆汁排空障碍、胆道流体微环境紊乱，是影响其动力学平衡的重要因素之一^［7］。其中，胆总管囊肿因其特殊的囊状扩张结构，不仅容易导致胆汁滞留，还可继发反复的胆管炎，并显著增加远期胆管癌风险^［8］。

在功能调控层面，胆囊运动功能障碍可因胆囊收缩乏力或收缩过度，破坏胆汁储存与排出的周期性节律，导致其与SO活动的协调性丧失，引发异常动力学状态及相应的胆绞痛与炎症^［9］。SO作为胆胰管末端的关键解剖屏障，其功能障碍可引起收缩频率紊乱，导致胆汁淤积或胆道积气，降低管壁机械顺应性，破坏胆道内流体分布的均匀性，促使胆汁流动状态由层流向湍流转变，进而通过壁面剪切力紊乱等机制促进微结石形成环境^［10］。在细胞调控层面，分布于胆管壁内的特络细胞通过调控胆囊收缩素信号通路影响平滑肌电生理活动，其功能紊乱与胆道运动障碍的发生密切相关^［11］。同时，肝内胆管细胞的初级纤毛作为力学-化学感受器，其结构功能异常亦能通过影响胆汁流动，参与胆道闭锁等疾病的动力学发病机制^［12］。因此，胆道系统的解剖与功能异常，是导致其动力学紊乱并最终引发相关疾病的机制之一。

1.2 胆道梗阻

胆道梗阻引发的胆汁淤积是诱发胆道动力学紊乱的常见原因，此状态下胆汁流速减慢、梗阻近端胆道压力显著升高并远超出生理范围，可直接引起胆管壁面剪切应力分布异常，通过扰乱胆管上皮细胞骨架结构，损伤其屏障功能。此外，由于胆管细胞与内皮细胞对流体剪切的敏感度不同，会进一步加剧局部炎症反应^［13］。

胆道梗阻加重时，狭窄部位的局部流场紊乱加剧，胆汁特性随之显著变化。数值模拟研究表明，胆道狭窄改变了胆汁的正常流动模式，阻力增加；狭窄段上下游流速减慢、喉部流速加快，并在后方形成再循环区；同时，狭窄段的延长可增大系统压降，而偏心性狭窄则会使胆汁流动偏离中心线，加剧流场紊乱程度，为胆固醇结晶析出与结石形成创造条件^［14］。此外，基于流固耦合（fluid-structure interaction，FSI）的二维计算流体动力学（computational fluid dynamics，CFD）模型表明，胆总管在完全阻塞状态下，内部压力与其扩张程度呈正相关^［15］。若胆道系统长期暴露于此类异常力学环境，胆管壁将适应性地扩张以缓解内部压力，例如门静脉高压相关的门静脉胆管病中，门静脉周围的压迫与缺血可导致胆管纤维化狭窄，并引发邻近胆管的代偿性扩张^［16］。当胆道梗阻进展至终末阶段时，胆管内将形成“白胆汁”，提示局部流体动力学异常与胆汁成分变化之间存在相互影响^［17］。因此，胆道梗阻引发的动力学紊乱，是推动结石形成与继发性胆管损伤等并发症的关键病理力学基础。

1.3 胆道感染

正常胆汁为典型的牛顿流体，而在胆道感染状态下，胆汁黏度显著升高，呈现出非牛顿流体特性^［18］。胆道梗阻后会引起肠道菌群易位与胆汁反流，协同促进生物膜内细菌增殖，并向周围组织产生持续刺激，释放白细胞介素6、肿瘤坏死因子α等炎症因子，刺激胆管上皮细胞分泌黏蛋白，使胆汁从牛顿流体向非牛顿流体转变，降低流动效率^［19-20］。同时，炎症介质也可直接作用于胆管平滑肌，影响其收缩功能，进一步加剧流体动力学紊乱。以硬化性胆管炎为例，胆管壁纤维化与炎症因子释放之间可形成正反馈，共同促进高阻力与低流速的病理级联反应^［21］。此外，SO功能障碍引发的胆道系统动力学紊乱，也会改变胆汁流体特性，并伴随胆道微生物组成改变、结石相关细菌丰度增加及全身炎症水平升高，进一步增加胆道感染风险^［22］。因此，在感染状态下，局部流体微环境破坏引起的动力学变化是相关并发症发生的关键前置环节之一。

1.4 胆道重建术后

胆道重建术造成的解剖结构改变是影响术后胆道系统动力学的主要因素之一，易引发术后相关并发症。胆囊切除术后，胆管虽然可通过代偿性扩张维持胆汁排泄功能，但其代偿能力有限，胆道系统动力学发生永久性改变，临床表现为胆囊切除术后综合征^［23］。非侵入性磁共振胰胆管成像技术分析显示，胆囊切除术后顺行胆汁流虽有增强，但在胆管扩张段区域会出现胆汁反流，致使胆汁整体排空减缓而滞留于胆总管，从而促进原发性胆总管结石的形成^［24-25］。此外，胆道术后吻合口形成的生物膜可分泌黏性物质并形成网络结构，改变胆汁流体性质，并增加流动阻力^［26-27］。

胆肠吻合术后，胆汁流动由单向通路转变为胆管-空肠循环模式，易引发反流与流态紊乱。目前，CFD模型是术后胆道系统动力学评估的重要工具，可通过模拟胆汁流速、压力及流量分布，量化分析解剖结构改变对流动特性的影响。研究表明，吻合口的角度、直径及术后肠管蠕动情况均是影响胆汁流动特性的关键因素^［28］。参数敏感性分析表明，胆囊管直径对胆道系统的压降具有高度敏感性，管径每缩小1%，压降可增加4.3%，从力学角度解释了术后狭窄与胆汁排泄障碍的内在联系^［29］。因此，胆道术后解剖结构的重塑对系统动力学参数具有持久影响，在预测如胆管再狭窄等远期并发症时，采用CFD等工具进行评估有助于实现早期干预。

2 胆道系统动力学的临床应用与转化

2.1 胆道测压技术的演进与应用

1942年，Caroli将一个Mariott瓶连接至压力计，组成了首个简易静态水压测量装置，直观评估了胆道压力值及通畅程度，对于理解胆道疾病的病理生理机制具有力学方向的里程碑式意义^［30］。随后，内镜动态测压、低顺应性灌注系统及压力-流量同步测定等技术相继出现，推动该领域迈向动态监测、精准量化与功能评估相融合的新阶段，显著提升了对胆道系统功能性及早期器质性病变的识别能力^［31］。然而，传统有创传感器测压技术存在成本高、操作复杂及患者耐受性差等局限。因此，刘明奇等^［32］借助影像技术优化的复合水柱测压法，通过整合液面高度测量与体表解剖定位修正，能在维持测量精度的前提下简化操作、提升成本效益，有效解决了传统简易测压的定位偏差问题，尤其适用于基层医疗机构推广应用。

随着胆道测压技术不断演进，已逐步应用于围手术期全程管理，通过量化流体力学参数，有助于实现胆道疾病管理的精准化和动态化。术中应用该技术可弥补胆道镜与造影对末端病变的识别盲区，提高诊断准确率；且通过实时调控胆道冲洗速度，能防止胆道压力过高，避免肝损伤并减轻炎症反应，从而显著降低术后并发症发生率，提升手术安全性^［33］。术后管理中，通过T管持续引流能显著降低胆道压力、预防胆汁淤积；当胆道压力<14 cmH₂O时提前夹闭T管，可显著提高早期夹闭成功率，减轻患者不适并缩短引流周期^［34-35］。另有研究证实，术后第3天是胆漏发生的高风险时段，为临床干预提供了关键时间窗^［36］。在诊断验证方面，胆囊结石患者的胆总管压力较无胆囊结石患者显著升高，且与胰酶反流程度呈正相关^［37］。同时，术后出现腹部症状的患者，其胆道压力亦显著高于无症状组，提示压力参数可作为症状归因的客观指标^［6］。

针对SO功能的评估，内镜下SO压力测定是诊断括约肌功能障碍的金标准，其基础压力>40 mmHg具有重要诊断价值^［38］。对明确SO高压者，内镜下乳头括约肌切开术可有效降低胆道压力，但也可能造成括约肌结构永久性损伤，增加十二指肠液反流及反流性胆管炎发生风险^［39］。因此，胆道测压技术通过量化胆道系统动力学参数，显著增强了疾病诊断的准确性、手术操作的安全性及术后管理的针对性。

2.2 治疗策略的优化

内镜下胆道支架置入术是一种胆道梗阻姑息治疗的有效手段。基于流体力学原理对其进行设计优化，是降低胆道术后肠内容物反流及吻合口狭窄风险的重要策略。Huang等^［40］通过建立12种胆道支架的FSI模型发现，支架置入会显著改变胆汁在支架入口和出口区域的流速并诱发涡流，导致胆管壁局部剪切应力升高，增加胆管损伤、炎症反应及再狭窄的风险。基于此，Wang等^［41］设计了一种锥形螺旋瓣膜抗反流胆道支架，能在防止十二指肠内容物反流的同时维持胆汁正常流动，且不影响其他生物力学性能。与之类似，李佳林等^［42］采用去除侧翼结构的改良7Fr胰管支架行胆道内引流，可有效恢复胆道生理流变环境，实现安全引流。此外，手术吻合口几何形态的优化也能避免动力学过度异常，降低术后并发症发生率。在胆肠吻合术前，可通过CFD技术评估患者胆道系统的解剖形态，以确定最佳吻合部位和角度，优化吻合口的几何形态，构建更平滑的流体过渡区域，从而减少胆汁涡流与壁面剪切应力，减轻炎症反应，降低吻合口狭窄风险。此外，肝移植术中肝动脉流量<400 mL/min是胆道吻合口狭窄的潜在风险因子^［43］，提示在精细操作的基础上，应进行术中血流评估，并考虑增加肝动脉流量。

2.3 新兴交叉领域探索

类器官技术可克服传统细胞模型在流体动力学研究中的诸多局限，使研究者能够更真实地模拟胆道三维结构与生理功能。针对胆道闭锁的类器官研究显示，神经紧张素可通过抑制胆管上皮细胞的增殖与极性形成，引起胆汁流体紊乱^［44］。另外一种基于水凝胶构建的胆道类器官模型，在研究中表现出长期稳定性，具有胆管细胞的特征和功能，能在该生理微环境中调节胆汁的流体特性，具有较高的实验价值^［45］。此外，胆道上皮细胞能在类器官中进行重建与极性重新分布，通过模拟胆汁中不同成分的主动转运及被动扩散过程，可评估药物对胆汁分泌的调控作用^［46］。因此，类器官模型为体外研究胆汁流动的力学规律及相关疾病机制提供了可靠的实验平台。

体外胆道模型与数值分析为阐释胆道疾病的生物力学机制提供了关键工具。Ooi等^［47］通过构建理想化的二维及三维模型，证实Heister瓣的数量与间隙是决定胆汁流动阻力的主要因素。进一步的多尺度模型模拟了从亚细胞到组织层面的胆汁流动，揭示了胆道几何结构与肝细胞功能的异质性对肝内胆汁流动的影响，为胆汁淤积机制与药物动力学研究提供了新工具^［48］。FSI分析还发现，病理状态下胆汁的非牛顿流体特性会显著增加流动阻力，这与结石形成及胆囊疼痛密切相关，为理解该病理过程提供了新的生物力学视角^［49］。然而，现有的胆道系统动力学模型多基于理想化体外构建，尚未充分纳入个体解剖与流变学差异，其临床预测能力及普适性仍有待前瞻性研究进一步验证。

人工智能（artificial intelligence，AI）技术通过整合临床资料、影像特征与流体力学参数，可精准预测胆道系统动力学在疾病中的演变趋势，为相关机制研究与个体化诊疗开辟了新方向^［50-51］。例如，基于深度学习的CFD优化算法通过模拟术后胆汁流速与管壁剪切应力分布预测结石复发与胆管损伤风险；在超声检查中，AI模型能够自动识别胆管结构并校准其解剖位置，显著降低了检查对操作者经验的依赖程度^［52］。然而，AI技术在胆道系统动力学的临床应用中仍面临诸多挑战：一方面，胆道系统解剖变异复杂，制约个性化诊疗的推广；另一方面，真实世界临床数据较为稀缺，因此未来应围绕胆道系统动力学的研究构建标准化、高质量的数据库，并建立具备相应计算与转化能力的多学科协作平台^［53］。

3 总结与展望

胆道疾病的发生与发展涉及胆道内部力学环境与流场特性等多维度因素的变化，胆道系统动力学能够从新的角度揭示相关疾病的发病机制及病理演变。通过干预胆道系统内部的动态力学变化，可逐步改变传统静态的评估模式，从而拓展治疗策略并改善患者预后。未来需进一步将临床医学、工程学与生物学等学科深度融合，推动相关理论向实质性临床成果转化，同时借助AI技术构建多模态的个体化胆道流场模型，最终实现胆道疾病的早期预测与精准干预。

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基金资助

辽宁省教育厅高校科技创新团队项目(LJ222510161004)

大医二院-中国科学院大连化学物理研究所医工联合创新基金项目(YGHZ202301)