鞏膜生物力學(xué)改變與青光眼性視神經(jīng)損傷

狄冠州 原慧萍

(哈爾濱醫(yī)科大學(xué)附屬第二醫(yī)院眼科 哈爾濱 150086)

青光眼是不可逆性致盲的首要原因，預(yù)計到2040年，全球青光眼患者人數(shù)將增加到1.118億人[1]，目前導(dǎo)致青光眼視神經(jīng)不可逆損傷的主要危險因素是眼壓升高[2]。然而，在我國原發(fā)性開角型青光眼(primary open-angle glaucoma，POAG)患者中有51.43%～83.58%為正常眼壓性青光眼(normal tension glaucoma，NTG),在這些患者中，即使眼壓正?；虻陀谡Ｋ?，視神經(jīng)仍有不可逆的持續(xù)損傷，從而導(dǎo)致視覺功能逐漸喪失[3-4]。此外，不同患者在相同眼壓下視神經(jīng)受損的程度亦不盡相同。這些現(xiàn)象提示，高眼壓并非青光眼唯一的危險因素，個體對眼壓的耐受性也不盡相同。因此，認(rèn)識青光眼性視神經(jīng)損傷除眼壓之外的相關(guān)因素，對保護青光眼患者視功能具有重要意義。有研究[5]表明，鞏膜生物力學(xué)改變在青光眼引起視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(retinal ganglion cell，RGC)軸突損傷中起重要作用。本文就鞏膜的基本生物力學(xué)特性、鞏膜膠原纖維結(jié)構(gòu)與青光眼、鞏膜重塑與青光眼、鞏膜剛度與青光眼、鞏膜通透性的變化與青光眼進行綜述，以便為保護青光眼患者視功能提供新的治療策略。

1 鞏膜的基本生物力學(xué)特性

鞏膜約占眼球外層纖維膜的5/6，在前部與角膜相連，后部與硬腦膜鞘相連，是一層以膠原蛋白為主要成分的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)締組織。鞏膜從內(nèi)向外分為棕黑層、基質(zhì)層和鞏膜表層?；|(zhì)層在鞏膜的中間，構(gòu)成鞏膜的主體結(jié)構(gòu)，主要由膠原纖維夾雜微少的彈性纖維構(gòu)成?；|(zhì)層中組織排列呈一層一層交錯鋪疊的形式，每一層的膠原纖維相互交織，直徑介于6～50 μm間[6]。因此，膠原纖維在維持鞏膜的結(jié)構(gòu)、功能和生物力學(xué)特性方面發(fā)揮著重要作用。后鞏膜在視盤處分為2層，外2/3形成鞏膜管，內(nèi)1/3形成篩板，篩板是一種不規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，視神經(jīng)由此處走行穿出眼球。檢測鞏膜生物力學(xué)最常用的方法是鞏膜應(yīng)力應(yīng)變行為的單軸拉伸實驗。目前研究者們已經(jīng)在人和多種動物(猴、豬、狗、牛、兔)實驗中證實鞏膜是一種非線性材料(應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系呈非線性的材料)，在受到應(yīng)力時，膠原纖維的自然卷曲逐漸拉直來承受載荷[7-11]。這些研究也證實了鞏膜是一種黏彈性材料，在外力作用下，彈性和黏性2種變形機制同時存在的材料，同時也具有明顯的滯后性，即材料應(yīng)變落后于應(yīng)力的性質(zhì)。正常鞏膜在研究中表現(xiàn)出明顯的機械各向異性，即在相同外界條件下，材料在不同方向上性質(zhì)具有差異性，并且在不同解剖位置的機械各向異性也不盡相同。有研究表明，與前鞏膜和赤道鞏膜相比，后鞏膜的膠原纖維排列更松散同時其彈性模量更低，這意味著在相同的應(yīng)力條件下后鞏膜更容易發(fā)生形變。

鞏膜生物力學(xué)性質(zhì)的變化與衰老、疾病和機械刺激引起的鞏膜基質(zhì)的重塑有關(guān)[12]。眼壓引起的機械刺激使鞏膜產(chǎn)生應(yīng)變，當(dāng)眼壓在正常范圍中波動時，由于鞏膜具有一定的剛度以及黏彈性，鞏膜基質(zhì)的形變處于相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。如果眼壓相關(guān)的應(yīng)力超過鞏膜正常形變的彈性范圍，那么鞏膜的膠原纖維結(jié)構(gòu)及其生物力學(xué)特性將會發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)的改變[13-14]。鞏膜作為在眼壓波動時維持眼球形態(tài)的主體結(jié)構(gòu)，其力學(xué)性質(zhì)的改變會影響眼壓對其作用的應(yīng)力而產(chǎn)生的應(yīng)變大小，同時也會影響在篩板中走行的RGC在眼壓升高時的受損程度，所以上述鞏膜生物力學(xué)特性的改變可能是導(dǎo)致青光眼視神經(jīng)損傷的原因。

2 鞏膜膠原纖維結(jié)構(gòu)與青光眼

目前，眼壓升高仍然是青光眼的主要臨床表現(xiàn)，眼壓變化帶來的機械刺激改變了鞏膜的膠原微結(jié)構(gòu)，主要是膠原的排列程度，同時也改變了鞏膜的生物力學(xué)性質(zhì)[15-16]。多項研究[16-19]表明：在青光眼患者和慢性眼壓升高的動物中，鞏膜的膠原結(jié)構(gòu)與正常眼是不同的。研究者使用廣角X射線散射(wide-angle X-ray scattering，WAXS)和小角度光散射(smallangle light scattering，SALS)測量了人尸體眼中膠原纖維組織的排列差異。Pijanka等[16]使用WAXS分別觀察青光眼和正常眼視乳頭旁鞏膜組織(peripapillary scleral，PPS)的膠原分布情況，結(jié)果顯示青光眼患者的顳上和鼻下2個象限的纖維排列有序程度降低。后來其他研究者觀察到，基于青光眼軸突丟失，從正常、青光眼未受損到青光眼受損時，PPS中的膠原纖維在各個方向上的分布數(shù)量越發(fā)趨向于均勻[17]。膠原纖維排列的變化影響著鞏膜的各向異性，PPS處的各向異性的改變可以影響篩板對于眼壓升高的應(yīng)變程度[18]。有研究者[19]在SALS下發(fā)現(xiàn)，與正常人鞏膜組織相比，青光眼患者的鼻側(cè)象限鞏膜組織中的纖維排列更為有序，而在上方象限中卻恰恰相反，青光眼患者此處的纖維排列較為散亂。二者的膠原纖維排列的差異說明在青光眼的病程中，膠原纖維為了適應(yīng)內(nèi)部應(yīng)力的變化而改變了其排列方式，而這種改變是為了減少視神經(jīng)損傷的代償改變，還是青光眼造成的最終病變，目前還沒有定論。在實驗性青光眼的小鼠眼中，PPS處膠原的排列也表現(xiàn)出更大的各向異性。研究者發(fā)現(xiàn)與對側(cè)對照眼相比，人工誘導(dǎo)的慢性眼壓升高的鼠眼中，鞏膜膠原纖維排列方向上的有序程度更低[20]。這可能是為了抵抗眼內(nèi)壓力升高所帶來的形變趨勢。Cone等[21]使用透射電鏡對青光眼小鼠鞏膜膠原結(jié)構(gòu)進行了仔細(xì)的觀察后發(fā)現(xiàn)，其PPS厚度增加，但非膠原纖維成分減少，這說明PPS中膠原纖維的總體積在增加。他們還觀察到直徑較小的膠原纖維數(shù)量增加而直徑較大的纖維數(shù)量明顯減少，同時也發(fā)現(xiàn)纖維細(xì)胞的層數(shù)增加，這可能是原有的層狀結(jié)構(gòu)被破壞表現(xiàn)出更多的分層，纖維層狀結(jié)構(gòu)的破壞也可能是青光眼PPS中纖維排列更加散亂的原因，但是沒有更直觀的證據(jù)。

3 鞏膜重塑與青光眼

有研究[15,17,22]發(fā)現(xiàn)，動物模型和青光眼患者的鞏膜力學(xué)行為的改變與細(xì)胞外基質(zhì)(extracellular matrix，ECM)的改變有關(guān)。鞏膜成纖維細(xì)胞是組成鞏膜的主要細(xì)胞成分，并且對鞏膜ECM的合成、降解起重要作用。正常狀態(tài)下，鞏膜成纖維細(xì)胞既合成和分泌膠原蛋白、彈性蛋白，生成膠原纖維、網(wǎng)狀纖維和彈性纖維，也合成和分泌糖胺多糖和糖蛋白等胞外基質(zhì)成分[23]。小鼠PPS透射電鏡成像顯示，1/4的視乳頭旁鞏膜層由成纖維細(xì)胞組成，并且在實驗性青光眼中，鞏膜成纖維細(xì)胞層占更大比例[21]。鞏膜成纖維細(xì)胞在鞏膜ECM的重塑中起至關(guān)重要的作用[24-25]。而ECM重塑的核心是成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)化[26]。這種轉(zhuǎn)變以細(xì)胞增殖、平滑肌肌動蛋白(α-SMA)和肌球蛋白Ⅱ等收縮蛋白的表達增加、細(xì)胞遷移為特征[27]。促進成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞分化的重要刺激因素是機械微環(huán)境和生長因子TGF-β的變化[28]。有研究者[29]在人眼PPS體外組織培養(yǎng)中發(fā)現(xiàn)，高強度和高頻率的機械應(yīng)變會促使成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞改變。這說明眼壓升高對鞏膜的應(yīng)力作用可能會促進成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)化。同時其他研究者[30]在體外培養(yǎng)篩板組織時發(fā)現(xiàn)，在更硬的培養(yǎng)基中肌成纖維細(xì)胞的數(shù)量增加，青光眼變硬的鞏膜基質(zhì)可能為成纖維細(xì)胞向肌成纖維細(xì)胞的轉(zhuǎn)化提供了條件。此外，有證據(jù)[31]表明，TGF-β在青光眼患者以及青光眼動物模型視神經(jīng)乳頭(optic nerve head，ONH)中表達的增加。并且青光眼小鼠鞏膜中TGF-β活化蛋白、血小板反應(yīng)蛋白水平也高于對照組[27]。青光眼對鞏膜生物力學(xué)的影響可能是通過各種途徑促進肌成纖維細(xì)胞的產(chǎn)生和表達實現(xiàn)的。

4 鞏膜剛度與青光眼

剛度即某種材料受到應(yīng)力時抵抗形變的能力，剛度越大在受力時越不容易形變。而鞏膜作為一種具有黏彈性的材料，剛度也是其重要的生物力學(xué)特性之一。2005年Sigal等[32]通過人眼的計算機模型預(yù)測了可能影響ONH損傷的影響因素，影響最大的5個因素中鞏膜剛度排在首位。對鞏膜材料剛度的分析中發(fā)現(xiàn)，所有區(qū)域的鞏膜初始切線模量(剛度的度量值)較低，而在被施加較高的應(yīng)力后，其剛度逐漸增加[8]。其他研究者在猴眼中發(fā)現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象[33]。2009年Thorn等[34]經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，眼壓升高會使豬眼PPS、視神經(jīng)以及篩板均發(fā)生硬化，并且PPS的硬化會降低視神經(jīng)頭對眼壓升高的生物力學(xué)敏感性。而后在2014年Kimball等[35]的研究表明，PPS的生物力學(xué)性質(zhì)的改變可以影響篩板的順應(yīng)性以及軸突損傷的程度。因此，了解PPS的剛度變化對認(rèn)識RGC軸突損傷具有重要意義。在猴眼中，隨著眼壓從 5 mmHg (1 mmHg=0.133kPa)增加到45 mmHg時，PPS的結(jié)構(gòu)剛度呈現(xiàn)高度非線性增加。45 mmHg處的平均切線模量比10 mmHg處高3～6倍。并且當(dāng)眼壓超過30 mmHg時，后鞏膜明顯變硬[33]。而后Coudrillier等[17]的實驗也支持這一觀點。該研究對比了正常眼和青光眼患者的鞏膜生物力學(xué)，發(fā)現(xiàn)二者的鞏膜有著顯著的不同。青光眼患者比正常眼在子午線方向上擁有更大的應(yīng)變，同時基質(zhì)硬度和纖維剛度也更大，而在青光眼患者中，RGC損傷對鞏膜基質(zhì)硬度未見明顯的影響。Dikici等[36]運用超聲剪切波成像技術(shù)對比了21例POAG患者與年齡相匹配的21例健康人的ONH與PPS的剛度后發(fā)現(xiàn)，青光眼患者的ONH與PPS中的各個測量位置的剛度均大于健康人，這與之前的研究結(jié)果相一致。

Kimball等[35]團隊對CD1小鼠結(jié)膜下注射甘油醛膠增加鞏膜膠原纖維原的交聯(lián)使其鞏膜硬度增加，變硬的鞏膜卻沒有為RGC提供更好的保護效果，這些改變使小鼠RGC軸突更容易因為眼壓升高而受到損傷。在膠原8A2基因突變的Aca23小鼠中,眼球的軸長和橫徑都明顯大于野生型B6小鼠，并且在慢性眼壓升高時表現(xiàn)出更強的抵抗形變的能力，與野生型小鼠相比，在RGC受損時突變型小鼠的RGC受損程度更輕[37]。這2個實驗得出了相反的結(jié)果，可能是因為改變鞏膜力學(xué)性質(zhì)的原理不同而使實驗結(jié)果產(chǎn)生差異。由于實驗技術(shù)的局限性，在體測量鞏膜剛度很難實現(xiàn)，很多研究者通過升高眼壓后觀察篩板在眼壓變化后的位置改變情況，以此來觀察篩板的順應(yīng)性。有研究者[38]使用光學(xué)相干層析成像(optical coherence tomography，OCT)獲得眼后部圖像及數(shù)據(jù)并使用虛擬場法(virtual fields methodd，VFM)比較了健康人、高眼壓癥(ocular hypertensive，OHT)患者、POAG患者以及原發(fā)性閉角型青光眼(primary angle-closure glaucoma，PACG)患者的篩板剛度，他們發(fā)現(xiàn)OHT、POAG、PACG患者的篩板剛度大于健康人。由于樣本量較小所以這個結(jié)果沒有統(tǒng)計學(xué)意義，但是這項研究的結(jié)果驗證了離體測量實驗中的結(jié)果，并且為在體測量鞏膜生物力學(xué)性質(zhì)提供了新的思路。Fazio 等[39]在對比了歐洲和非洲人種的差異后發(fā)現(xiàn)，與歐洲組相比，非裔組的PPS隨年齡增長而變硬的速度更快,同時非裔的青光眼發(fā)生率高于歐洲組。這個結(jié)果可能支持了鞏膜老年性硬化是青光眼RGC損傷的危險因素。目前有的研究者[40]認(rèn)為，鞏膜剛度的增加是為了抵抗高眼壓帶來的形變，但是隨著年齡的增加鞏膜基質(zhì)發(fā)生硬化，這使老年人更容易發(fā)生青光眼視神經(jīng)病變。這些矛盾的結(jié)果可能提示了老化與青光眼對人眼鞏膜硬化的促成機制不同。

青光眼病程中，鞏膜、PPS、篩板剛度的增加意味著在同等應(yīng)力下組織更難發(fā)生形變。然而在眼壓升高的過程中篩板向后凹陷變形不僅僅是機械壓力直接作用的結(jié)果，而是鞏膜、PPS、篩板作為一個生物力學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的反應(yīng)[41-43]。鞏膜剛度的增加限制了應(yīng)力增大情況下視神經(jīng)管的擴張[44]，使水平方向上篩板受到的向外將其繃緊的力減小，從而使篩板產(chǎn)生了更大的形變。我們可以將其想象成金屬外殼連接了一個彈力網(wǎng)，當(dāng)內(nèi)部壓力無法使金屬外殼形變時，彈力網(wǎng)將產(chǎn)生更大的形變。

5 鞏膜通透性與青光眼

Pease等[45]選用3種小鼠(B8、CD1、Aca23),在每只小鼠的前部鞏膜上選取2個或2個以上的觀察位置，并記錄了右旋糖酐分子在3種小鼠的PPS以及觀察位置上的擴散速率，以確定鞏膜通透性的差異。在同樣條件下誘導(dǎo)為實驗性青光眼時，3種小鼠的鞏膜通透性都有不同程度的降低。同時，他們發(fā)現(xiàn)CD1小鼠在乳頭周圍鞏膜區(qū)域的通透性要低于B6和Aca小鼠，并且CD1小鼠的RGC軸突受損數(shù)量更多。這證明了青光眼可以導(dǎo)致鞏膜通透性降低。

鞏膜的通透性改變往往是因為膠原結(jié)構(gòu)的改變，提示鞏膜的生物力學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。Kimball等[35]在一項增加鞏膜膠原纖維交聯(lián)度的實驗中也發(fā)現(xiàn)：交聯(lián)度增大，鞏膜通透性降低，并且對RGC的保護能力更弱。

綜上所述，有關(guān)青光眼鞏膜生物力學(xué)的研究近年來取得了很大進展，但仍有很多方面需要探索。首先，青光眼性視神經(jīng)損傷主要與眼后部鞏膜的生物力學(xué)變化有關(guān)。由于很難在活體上直接測量后部鞏膜的生物力學(xué)變化，所以只能通過計算機建模來評估眼后部鞏膜的生物力學(xué)性質(zhì)。但是，隨著對活體鞏膜生物力學(xué)測量的需要和科技的發(fā)展，活體測量會成為未來研究的趨勢。其次，由于青光眼病程漫長，對尸體眼的研究只能得到青光眼對人眼損傷的最終結(jié)果以及鞏膜性質(zhì)的最終改變，而對于其病程中的階段性改變我們無從得知。此外，鞏膜生物力學(xué)性質(zhì)的改變往往不是單一的改變。隨著結(jié)構(gòu)的變化，多種性質(zhì)的改變通常是同時發(fā)生的。這對我們研究青光眼損傷的病理機制又是一項新的難題。最新的研究發(fā)現(xiàn)，高眼壓青光眼和NTG的篩板存在差異，NTG患者擁有更薄且彎曲程度更大的篩板。這再次提示研究鞏膜生物力學(xué)對明確青光眼的損傷機制有著重要意義。研究青光眼患者的鞏膜生物力學(xué)性質(zhì)的改變，對青光眼患者RGC損傷的修復(fù)、維持其視功能至關(guān)重要。