肺气肿：预测治疗结果的新方法？
计算机模型可能会导致更个性化、更优化的治疗
芭芭拉·莫兰，波士顿大学澳门威尼斯人注册网站研究中心
肺气肿是一种长期的破坏性肺部疾病。随着病情的发展，人体自身的炎症酶会慢慢消化并破坏肺泡，肺泡是空气中的氧气被输送到血液中的脆弱囊。受损的肺泡在肺组织中形成大洞，妨碍器官其余部分的气体交换，导致呼吸短促、喘息、慢性咳嗽，最终死亡。根据美国肺脏协会（American Lung Association）的数据，2011年有470万美国人被诊断出患有肺癌，这是可获得的最新统计数据
在一项新的澳门威尼斯人注册网站研究中，波士顿大学的两名澳门威尼斯人注册网站研究人员用工程师的眼光观察了这种疾病的发展过程。他们的澳门威尼斯人注册网站研究成果发表在2017年2月9日的《公共科学图书馆计算生物学》杂志上，由美国国立卫生澳门威尼斯人注册网站研究院资助，该澳门威尼斯人注册网站研究表明，在微观尺度上运行的机械力如何有助于预测患者治疗后的生存和生活质量。
波士顿大学工程学院生物医学工程和材料科学与工程教授、该澳门威尼斯人注册网站研究的通讯作者bassala Suki说：“在未来，你应该能够为特定的病人优化治疗。”“很少有计算澳门威尼斯人注册网站研究能够解决生活质量问题。”肺气肿无法治愈，多年来，这种疾病的最后一种治疗方法是一种称为肺减容术的侵入性手术，即外科医生打开患者的胸部，切除病变的、发炎的肺部分。手术给了剩余的健康肺组织扩张的空间，并允许病人呼吸。但这种方法只对一些人有效，而且不同患者的效果差别很大。
近年来，出现了一种称为支气管镜下肺体积缩小（bLVR）的微创治疗方法。在这种门诊手术中，外科医生将支气管镜插入患者的病变肺部，并释放一种密封剂，或者，另一种是，一种卷曲的弹簧，它使病变组织塌陷，关闭间隙，并给剩余的健康肺组织提供扩张的空间。最近，人们对这些治疗方法的兴趣日益浓厚，因为2016年发表在《美国医学会杂志》（JAMA）上的REVOLENS等临床试验结果显示，一些患者在手术后六个月出现了显著改善。但是没有澳门威尼斯人注册网站研究解释为什么这种方法对一些病人比其他病人效果更好。
“有很多澳门威尼斯人注册网站研究和临床试验。但是在微观尺度上发生的事情并没有太多的调查，”Jarred Mondoñedo（英语‘ 11,’ 13,' 21,MED ' 21）说，他是BU医学院（MED）的医学博士候选人，工程学博士候选人，也是PLOS计算生物学澳门威尼斯人注册网站研究的主要作者。“这就是这项澳门威尼斯人注册网站研究的方向。我们说，‘让我们真正弄清楚到底发生了什么。’”
Mondoñedo和Suki建立在Suki之前发表的结果的基础上，Suki通过在实验室中拉伸样本来澳门威尼斯人注册网站研究健康和患病肺组织的弹性特性。苏琪的一名学生偶然发现，肺气肿组织在令人惊讶的低张力下破裂。这使得苏奇进一步澳门威尼斯人注册网站研究了随着肺气肿的发展而起作用的机械力。
[/caption]肺网络模型的艺术诠释。右侧为健康肺，左侧增大的区域显示肺气肿特征的肺组织破坏。插图由Jarred Mondoñedo提供[/说明]
Suki说：“即使你戒烟了，肺气肿也会继续发展，尽管速度较低。”“原因是，当肺部的某些东西破裂时，该元素所携带的张力将会分布到周围。其他元素将开始承受更大的力，所以它们有更高的失败风险。这是一个渐进的反馈。”
为了更好地理解这个过程，Mondoñedo和Suki建立了一个简单的计算机程序，称为弹性弹簧网络模型，来模拟肺气肿的肺部。“这不是一个超级复杂的模型，”Mondoñedo说，他说它代表了肺组织各部分之间的连接和张力，就像六边形的相互连接的弹簧。他说：“我们可以穿过并‘打破’弹簧，得到一个代表肺气肿进展的新结构。”
Mondoñedo和Suki以不同的方式运行计算机模型，允许肺气肿发展，然后在不同的时间“干预”各种治疗，比如手术，然后让模型进一步发展并量化结果。
“在电脑里，你可以扮演上帝，”苏琪说。“我们只是在电脑上做手术，然后让它进化，现在我们很容易比较事情发生的速度。”他们测量了一个被称为“顺应性”的因素，它量化了肺组织的弹性。“我们可以说，如果依从性达到某某值，基本上肺部受到严重破坏，人就会死亡。然后我们可以预测需要多长时间，有或没有干预，还有你的肺功能是什么，呼吸有多容易。”
他们的计算机模型表明，bLVR的效果与传统的肺减容手术一样好，甚至更好，并且还表明了一种机制——力的分布及其与肺结构的关系——这第一次解释了为什么会出现这种情况。它也证实了先前的发现，即手术对只影响肺部特定部位的患者效果最好，而不是均匀地影响整个肺组织。
两位科学家都表示，希望他们的模型有朝一日能帮助医生和病人决定哪种治疗方法最适合每个人。Mondoñedo说：“如果你能对一个病人进行CT扫描，然后以某种方式将数据匹配到我们的网络模型中，你就可以根据这个特定的病人制定一个策略，而不是一刀切。”“这样，我认为它可以转化为诊所，提高护理水平。”
这个故事最初出现在布鲁里溃疡澳门威尼斯人注册网站研究．