鞏膜生物力學(xué)特性及其與近視關(guān)系的研究進(jìn)展

曹珂兒，亢澤峰，孫宏睿，王健全，侯昕玥

近年來全球近視發(fā)病率逐年提高，且呈低齡化趨勢，預(yù)計(jì)到本世紀(jì)中葉，近視將會(huì)成為全球最常見的不可逆致盲原因之一，全球約50%人口將患近視，其中高度近視患病率約為10%[1]。而中國兒童青少年近視的患病率約為84%[2]，城市化地區(qū)青、中年人群的近視患病率在80%～90%之間[3]。雖然目前尚不清楚近視流行性增加的絕對(duì)原因，但加速的鞏膜重塑和鞏膜生物力學(xué)性質(zhì)減弱是引起眼軸增長的原因之一[4]。鞏膜生物力學(xué)特性在一定程度上可以反映眼球結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn)，鞏膜對(duì)眼壓的耐受程度越小，越無法承受眼壓從而更易增長。隨著臨床醫(yī)生、科學(xué)家和工程師之間不斷擴(kuò)大合作，大量學(xué)者就鞏膜生物力學(xué)特性與近視發(fā)生發(fā)展的相關(guān)性進(jìn)行了廣泛的研究。提升對(duì)鞏膜生物力學(xué)特性的認(rèn)識(shí)，可以對(duì)近視的預(yù)防、診斷及治療有著重要的指導(dǎo)作用，本文就鞏膜生物力學(xué)特性的概念、與近視發(fā)生和發(fā)展的關(guān)系及近視鞏膜療法對(duì)生物力學(xué)特性的影響進(jìn)行綜述，報(bào)道如下。

1 鞏膜生物力學(xué)的基本概念和性能

鞏膜位于眼球壁的最外層，可以抵御眼內(nèi)外的壓力，為視網(wǎng)膜和視乳頭等脆弱的眼內(nèi)結(jié)構(gòu)提供穩(wěn)定的機(jī)械支持，還可與角膜共同維持眼的屈光狀態(tài)。鞏膜承受著來自眼內(nèi)流體壓力和眼部運(yùn)動(dòng)等多重因素的影響，因其具有獨(dú)特的生物力學(xué)特性才能維持正常形態(tài)，確保屈光度的穩(wěn)定[4]。

鞏膜是生物軟組織，鞏膜生物力學(xué)特性主要包括應(yīng)力—應(yīng)變曲線、剛度、強(qiáng)度等一般力學(xué)特性及軟組織特有的彈性、黏彈性和各向異性[5]。鞏膜受力會(huì)產(chǎn)生變形，作用在單位面積上的力即應(yīng)力，應(yīng)變是指變形量與初始長度的比值，而以應(yīng)變?yōu)闄M坐標(biāo)、相應(yīng)的應(yīng)力為縱坐標(biāo)繪制的曲線即為應(yīng)力—應(yīng)變曲線[6]。鞏膜具有應(yīng)力松弛及應(yīng)力—應(yīng)變曲線滯后的力學(xué)特性。剛度反映鞏膜抵抗變形的能力，而強(qiáng)度反映鞏膜抵抗破壞的能力。鞏膜組織還具有非線性彈性，其應(yīng)力—應(yīng)變特性并非簡單的線性關(guān)系，不同階段應(yīng)力隨應(yīng)變變化的速率不同，其彈性模量并非一個(gè)常數(shù)[7]。黏彈性是指物質(zhì)對(duì)應(yīng)力的反應(yīng)兼有固體和液體的雙重特性，使鞏膜受應(yīng)力作用時(shí)，即刻產(chǎn)生彈性反應(yīng)，隨后產(chǎn)生延遲的、時(shí)間依賴的黏性反應(yīng)，即遲滯現(xiàn)象。黏彈性主要包括黏滯性、應(yīng)力松弛和蠕變。蠕變是指鞏膜在恒定壓力下，隨著時(shí)間的延長，形變逐漸增加的特性。鞏膜還具有各向異性，其不同方向的力學(xué)特性存在差異[4]。

2 鞏膜的成分和結(jié)構(gòu)

鞏膜生物力學(xué)特性是以鞏膜的成分和結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的。與其他結(jié)締組織相似，鞏膜的成分主要包括膠原蛋白、蛋白聚糖（proteoglycans，PGs）、少量的彈性纖維和成纖維細(xì)胞，其中主要是膠原蛋白，約占鞏膜干重的50%[7]。鞏膜膠原主要是Ⅰ型膠原蛋白，約占其組成的95%，Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅵ型膠原蛋白約占其余的5%[8-9]。膠原蛋白分子按不同的排列方式組裝成膠原纖維，并依次組合成不規(guī)則的束，最終形成鞏膜片層[10-11]。而PGs 存在于膠原纖維間隙，有助于調(diào)節(jié)膠原纖維的大小和結(jié)構(gòu)。PGs 中含有一個(gè)或多個(gè)糖胺聚糖側(cè)鏈，糖胺聚糖鏈上的硫酸鹽殘基攜帶負(fù)電荷，結(jié)合水產(chǎn)生不可壓縮的“凝膠”，在維持鞏膜生物力學(xué)特性方面具有重要作用[4,12-14]。

鞏膜結(jié)構(gòu)上由鞏膜外層、鞏膜基質(zhì)層、鞏膜板層及角鞏膜緣、鞏膜突等組成[4,15]。鞏膜基質(zhì)層（固有層）作為鞏膜的主要分層，主導(dǎo)著鞏膜的生物力學(xué)性質(zhì)，其材料特性源于其組織中富含膠原的細(xì)胞外基質(zhì)（extracellular matrix，ECM）的組成成分和結(jié)構(gòu)。ECM 主要由膠原纖維支架、少量彈性纖維和無定形基質(zhì)（如核心PGs、雙糖鏈PGs等）[16]組成，也是決定鞏膜生物力學(xué)特性的關(guān)鍵。與角膜基質(zhì)層相比，鞏膜基質(zhì)層膠原纖維束的分支和交織更多，其程度隨著組織深度和解剖位置而變化[17]，不同區(qū)域鞏膜基質(zhì)結(jié)構(gòu)的區(qū)域性特化具有特殊的生物力學(xué)影響[4]。鞏膜結(jié)構(gòu)的微小變化即可引起明顯的相應(yīng)的生物力學(xué)特性改變，因此測量鞏膜生物力學(xué)特性有利于早期診斷和治療改變鞏膜結(jié)構(gòu)的疾病，近視鞏膜生物力學(xué)特性的變化特征值得關(guān)注。

需要注意的是，在生物力學(xué)的文獻(xiàn)中，通用術(shù)語“纖維”一詞通常指鞏膜上的膠原纖維排列。此外，一些利用可見光檢查鞏膜纖維微結(jié)構(gòu)的技術(shù)中的“纖維”信號(hào)包含膠原蛋白和彈性蛋白成分。

3 鞏膜生物力學(xué)特性測量

3.1 體外鞏膜生物力學(xué)特性測量方法

鞏膜生物力學(xué)特性的體外測量主要包括拉伸條帶實(shí)驗(yàn)、膨脹實(shí)驗(yàn)和壓痕實(shí)驗(yàn)3 種方法，在探明近視發(fā)生發(fā)展的機(jī)制方面發(fā)揮重要作用[6]?，F(xiàn)階段對(duì)近視鞏膜的基本材料特性的了解大多來自對(duì)鞏膜應(yīng)力應(yīng)變行為的拉伸條帶測試，通過對(duì)人、樹鼩和兔子等動(dòng)物離體眼球的拉伸條帶實(shí)驗(yàn)已確定鞏膜是一種非線性材料，且隨解剖位置變化顯示出各向異性，這與鞏膜ECM 結(jié)構(gòu)區(qū)域性特化一致[18-19]。但該技術(shù)測試所需的鞏膜組織帶彎曲可能增加測量誤差，且通過該測試獲得可重復(fù)的測量需要預(yù)處理周期，從根本上改變了應(yīng)力—應(yīng)變反應(yīng)。膨脹實(shí)驗(yàn)則更接近近視生理狀態(tài)下的受力情況，該方法主要通過對(duì)實(shí)驗(yàn)壓力—位移數(shù)據(jù)應(yīng)用合適的計(jì)算模型來獲得鞏膜材料特性，但其局限性在于壓力的控制難度較大，設(shè)備制作較為復(fù)雜，技術(shù)要求高[20]。而對(duì)鞏膜的壓痕實(shí)驗(yàn)研究相對(duì)較少，早期有研究[21]發(fā)現(xiàn)鞏膜的徑向壓縮剛度，發(fā)現(xiàn)其抵抗垂直于組織平面壓痕力的能力遠(yuǎn)小于抵抗圓周力。隨著原子力顯微鏡的問世，使納米壓痕研究成為可能，可獲得較為客觀的形態(tài)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以及鞏膜不同層面的彈性模量[22]，有可能在臨床測量活體鞏膜剛度，但仍尚未實(shí)現(xiàn)。

3.2 體內(nèi)鞏膜生物力學(xué)特性測量方法

體外研究[23]表明，鞏膜的生物力學(xué)特性隨年齡和近視的進(jìn)展程度而變化。因此，生物力學(xué)特性的體內(nèi)測量有可能作為有價(jià)值的生物標(biāo)志物，以檢測近視進(jìn)展的早期階段，篩查近視進(jìn)展的高風(fēng)險(xiǎn)人群。目前，體內(nèi)測量鞏膜生物力學(xué)特性可以通過逆向計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)。首先需要改變作用在鞏膜上的已知載荷之一，同時(shí)持續(xù)監(jiān)測鞏膜組織并測量由此產(chǎn)生的局部變形，只有這樣才能估計(jì)鞏膜的硬度（或生物力學(xué)特性），或者說是載荷變化與變形的比率。但是，這些“體內(nèi)生物力學(xué)特性測試”需要在安全的生理范圍內(nèi)進(jìn)行，且嚴(yán)格控制變量，即一次只能改變一個(gè)載荷，而其他載荷應(yīng)保持不變[4]。GIRARD MJ 等[24]開發(fā)了一種三維跟蹤算法，可以跟蹤眼內(nèi)壓變化后后鞏膜的位移和應(yīng)變，該算法通過在眼內(nèi)壓變化前后使用光學(xué)相干斷層掃描（optical coherence tomography，OCT）技術(shù)掃描目標(biāo)位置的體積，然后對(duì)其進(jìn)行機(jī)械轉(zhuǎn)換，并于眼壓變化后的變形OCT 體積進(jìn)行最佳匹配，輸出三維位移場，由此推導(dǎo)出拉伸、壓縮和有效應(yīng)變分量。此外還有虛擬場法[25]、預(yù)擬合法[26]等方法，各有利弊。

然而，體內(nèi)鞏膜生物力學(xué)仍處于起步階段，OCT 設(shè)備的改進(jìn)，如自適應(yīng)光學(xué)、掃描源、多波長、相位敏感技術(shù)、微成像和補(bǔ)償?shù)葓D像處理技術(shù)，可能可以推進(jìn)體內(nèi)生物力學(xué)測量的質(zhì)量和可用性水平。此外，其他新的成像方法，如布里淵顯微鏡和剪切波彈性成像如能成功應(yīng)用于鞏膜，也將有助于鞏膜體內(nèi)生物力學(xué)的發(fā)展。

4 近視發(fā)生和發(fā)展對(duì)鞏膜生物力學(xué)特性的影響

近視多起自兒童及青少年時(shí)期，至20 歲后穩(wěn)定或相對(duì)靜止。青少年軸性近視的典型特征是后鞏膜伸長[4]。隨著近視的發(fā)生和發(fā)展，鞏膜組成和結(jié)構(gòu)逐漸發(fā)生變化。

在成分方面，近視進(jìn)程中發(fā)生Ⅰ型膠原含量減少（合成減少、降解增加），透明質(zhì)酸、硫酸糖胺聚糖和PGs 水平降低以及酶降解上調(diào)等顯著變化[12]。雖然近視發(fā)生在生長發(fā)育的早期，其特征是眼軸變長，但其病因并非組織生長加速。鞏膜生長在眼軸發(fā)育的早期就已停止，鞏膜體積僅于從出生到2 歲前增加，此后正視眼和近視眼的鞏膜體積基本保持不變[27]。人類的鞏膜厚度隨著眼軸增長而顯著減小，在高度近視病例中，鞏膜厚度僅占正常鞏膜的31%[12]。由此說明近視眼軸增長主要是由于其獨(dú)特的機(jī)制—鞏膜重塑。鞏膜重塑是基于鞏膜組織接近體積守恒的微變形而引起的現(xiàn)有組織的重新排列，由此可導(dǎo)致其生物力學(xué)特性發(fā)生改變。

在結(jié)構(gòu)方面，近視進(jìn)程中鞏膜膠原纖維直徑明顯減小，在透鏡誘導(dǎo)的兔近視模型中快速（約2 周）發(fā)生[28]；而樹鼩在誘導(dǎo)早期則無顯著變化，在長時(shí)間（＞3 個(gè)月）透鏡誘導(dǎo)近視后，膠原纖維直徑才顯著變小[29]，但膠原纖維直徑變化的趨勢與人高度近視鞏膜超微結(jié)構(gòu)的觀察結(jié)果一致[4]。GRYTZ R等[30]基于逆向計(jì)算模型研究發(fā)現(xiàn)，近視鞏膜膠原纖維的卷曲度會(huì)增加。與此同時(shí)，近視鞏膜膠原纖維排列同樣發(fā)生變化，如MARKOV PP 等[31]發(fā)現(xiàn)，近視后部鞏膜膠原纖維排列的變化，視乳頭周圍鞏膜環(huán)形排列的膠原纖維散開，趨于徑向排列。然而仍需進(jìn)一步研究證明這些變化是否與鞏膜重塑直接相關(guān)，也有研究[31]認(rèn)為這可能是源于鞏膜對(duì)眼內(nèi)壓或眼球運(yùn)動(dòng)的機(jī)械適應(yīng)。

這些成分和結(jié)構(gòu)變化促使近視鞏膜生物力學(xué)特性發(fā)生變化。在近視動(dòng)物模型的研究[30]中發(fā)現(xiàn)，近視眼鞏膜的彈性模量及最大應(yīng)力低于正常眼，蠕變率則高于正常眼，且在后極部更為明顯。即受力相同的情況下，近視眼鞏膜更易發(fā)生形變，承載力更弱，且鞏膜蠕變率隨著近視的誘導(dǎo)或恢復(fù)，分別增加或降低。與鞏膜蠕變率的變化相似，在近視發(fā)展或恢復(fù)期間發(fā)現(xiàn)過渡應(yīng)變相應(yīng)增加或減少[30]。過渡應(yīng)變與膠原纖維卷曲度直接相關(guān)，代表鞏膜膠原纖維拉直的應(yīng)變水平[19]。PHILLIP JR 等[32]對(duì)樹鼩形覺剝奪近視模型（formdeprivation myopia，F(xiàn)DM）的鞏膜條帶進(jìn)行單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)近視眼的鞏膜厚度及破壞載荷低于正常眼，應(yīng)變高于正常眼，認(rèn)為鞏膜最大載荷區(qū)別可能與鞏膜厚度有關(guān)。ROMANO MR 等[33]對(duì)人近視眼及正視眼進(jìn)行低負(fù)載靜態(tài)應(yīng)力測量，發(fā)現(xiàn)2 種眼球的應(yīng)力—應(yīng)變曲線均呈指數(shù)相應(yīng)，但在生理應(yīng)變范圍內(nèi)近視眼硬度低于正常眼，在較大應(yīng)變時(shí)近視眼硬度高于正常眼。這些研究結(jié)果表明，鞏膜生物力學(xué)特性的改變與鞏膜重塑相同，也是近視發(fā)展的重要特征。近視眼鞏膜彈性、承載力減弱等生物力學(xué)特性的變化可能導(dǎo)致眼球形變加重，近視程度進(jìn)一步加重。

5 近視鞏膜療法對(duì)鞏膜生物力學(xué)特性的影響

5.1 后鞏膜加固術(shù)

后鞏膜加固術(shù)是一種可行但倍受爭議的病理性近視的治療方式，通常適用于并發(fā)黃斑病變或后鞏膜葡萄腫，采用移植物加強(qiáng)眼球后部薄弱鞏膜來阻止眼球軸性增長，從而控制近視發(fā)展[4]。后鞏膜加固術(shù)能夠明顯改善鞏膜的力學(xué)特性，術(shù)后鞏膜的剛度增加，蠕變率下降，彈性模量隨時(shí)間而增加直至接近正常水平[34]。

5.2 鞏膜交聯(lián)

鞏膜交聯(lián)被認(rèn)為是近視特別是病理性近視的潛在治療方法。目前有多種方法可進(jìn)行鞏膜交聯(lián)。經(jīng)典的方法是使用紫外A激光聯(lián)合維生素B2，但這種方法需要使鞏膜暴露在紫外線下，而紫外A 激光能夠穿過鞏膜，因此有可能作用于視網(wǎng)膜產(chǎn)生安全隱患[12]。此外，還可使用化學(xué)交聯(lián)劑如甘油醛[35]、京尼平[36]等，目前仍尚未見到相關(guān)人體試驗(yàn)的研究報(bào)道。但通過膠原交聯(lián)，鞏膜對(duì)蛋白水解酶的耐受性提高，硬度增大，生物力學(xué)特性得到改善，這在防止近視眼鞏膜重塑和生物力學(xué)減弱的進(jìn)程中具有決定性作用，可以防止眼軸的病理性增長，阻止近視的發(fā)生和發(fā)展。

6 小結(jié)

研究者對(duì)近視鞏膜生物力學(xué)特性的關(guān)注日益增加。近視鞏膜生物力學(xué)特性，以鞏膜成分、結(jié)構(gòu)變化為基礎(chǔ)，與鞏膜重塑密切相關(guān)，生物力學(xué)特性和鞏膜重塑是近視眼軸增長的最終環(huán)節(jié)，也是近視發(fā)生發(fā)展的重要機(jī)制和特征，可能成為臨床預(yù)測近視進(jìn)展風(fēng)險(xiǎn)和預(yù)后的潛在指標(biāo)。但目前在體鞏膜生物力學(xué)測量仍處于探索階段，需進(jìn)一步研究鞏膜生物力學(xué)的檢測手段、更新計(jì)算模型，使未來在活體測量近視鞏膜生物力學(xué)特性成為可能。但近視鞏膜生物力學(xué)與分子生物學(xué)的相關(guān)研究少見，仍需進(jìn)一步明確近視相關(guān)分子信號(hào)對(duì)鞏膜生物力學(xué)的影響。而在近視的鞏膜治療方面，鞏膜交聯(lián)在近視動(dòng)物模型中已取得顯著進(jìn)展，但其對(duì)于人類近視治療的安全性和有效性仍有待于證實(shí)。