圓錐角膜膠原交聯(lián)在體生物力學(xué)效應(yīng)研究進展

戴至豪 陳躍國

作者單位：北京大學(xué)第三醫(yī)院眼科，北京 100191

圓錐角膜是一種擴張性角膜疾病，以進展性的角膜變薄和突出為特征，重度圓錐角膜可導(dǎo)致嚴(yán)重視力損傷。圓錐角膜多發(fā)生于20～30 歲青少年，并在40 歲后逐漸趨于穩(wěn)定，其患病率因種族和地理位置而異，已報道的亞洲人群患病率約為1.5%～5%[1]。在兒童（0～17歲）中，圓錐角膜的患病率約為0.16%，并表現(xiàn)為更嚴(yán)重和更快的進展[2]。

角膜交聯(lián)手術(shù)（Corneal cross-linking，CXL）是延緩圓錐角膜進展的首選手術(shù)治療方案[3]。在體生物力學(xué)評估技術(shù)可以早期發(fā)現(xiàn)角膜在壓力作用下的病理性形變，在圓錐角膜的早期診斷和CXL后評估中具有潛在優(yōu)勢。本文就圓錐角膜CXL在體生物力學(xué)效應(yīng)的研究進展進行綜述。

1 圓錐角膜的生物力學(xué)特性

角膜是具有黏彈性的生物組織，可在眼內(nèi)外壓力作用下發(fā)生規(guī)律性形變。角膜各層結(jié)構(gòu)對總體生物力學(xué)性質(zhì)的貢獻各異，但公認(rèn)的是，角膜基質(zhì)層是決定角膜總體生物力學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)。

在圓錐角膜患者中，角膜多層結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，共同作用使得角膜強度和硬度降低，在眼壓的作用下形態(tài)發(fā)生進行性改變[4]。

相比于傳統(tǒng)的形態(tài)學(xué)評估，在體生物力學(xué)評估對于圓錐角膜的早期診斷可能具有更大價值。許多研究表明在圓錐角膜患者中，角膜生物力學(xué)特性可能早于角膜形態(tài)出現(xiàn)改變，在早期圓錐角膜、亞臨床圓錐角膜或頓挫型圓錐角膜（Frome fruste keratoconus，F(xiàn)FKC）的診斷中可能更具有優(yōu)勢[5]。生物力學(xué)技術(shù)在未來可能成為圓錐角膜主要的診斷和評估方法。

2 在體角膜生物力學(xué)特性的主要測量方法

2.1 眼反應(yīng)分析儀

眼反應(yīng)分析儀（Ocular response analyzer，ORA）是最早的在體角膜生物力學(xué)測量方法。它通過對角膜施加脈沖性氣流使得局部表面迅速彎曲并回彈，這一過程被儀器記錄，并經(jīng)計算得出2 個基本參數(shù)：角膜滯后量（Corneal hysteresis，CH）和角膜阻力因子（Corneal resistance factor，CRF）。研究表明，圓錐角膜眼的CH和CRF值低于正常眼[6]，然而其診斷價值有限，對于鑒別輕度圓錐角膜和正常角膜的準(zhǔn)確性較差[7]。此外，ORA還提供一組描述角膜壓平反應(yīng)的波形參數(shù)，部分在診斷圓錐角膜，尤其是FFKC時具有更大價值[8]。

2.2 可視化角膜生物力學(xué)分析儀

可視化角膜生物力學(xué)分析儀（Corneal visualization Scheimpflug technology，Corvis ST）是目前臨床在體生物力學(xué)的最新測量設(shè)備，不同于ORA，Corvis ST采用超高速Scheimpflug相機全程跟蹤角膜形變的動態(tài)過程，直接測量得到多個動態(tài)角膜反應(yīng)（Dynamic corneal response，DCR）參數(shù)，以間接反映角膜的生物力學(xué)特性。其中部分參數(shù)，如壓平長度、壓平速率和變形幅度（Deflection amplitudes，DA）等，被證明在正常和圓錐角膜眼間存在明顯差異[9]。目前已可聯(lián)合多個DCR參數(shù)，并結(jié)合眼前節(jié)測量評估系統(tǒng)（Pentacam HR），綜合得到斷層和生物力學(xué)指數(shù)（Tomographic and biomechanical index，TBⅠ）[10]、角膜生物力學(xué)指數(shù)（Corneal biomechanical index，CBⅠ）[11]、應(yīng)力應(yīng)變指數(shù)（Stress-strain index，SSⅠ）[12]等，對圓錐角膜的診斷更具價值。

此外，Corvis ST有助于評估圓錐角膜嚴(yán)重程度。CBiF（CBⅠ factor）由CBⅠ經(jīng)線性變換得出，該參數(shù)定義的圓錐角膜嚴(yán)重程度與Belin ABCD圓錐角膜分級（Belin ABCD keratoconus staging）高度相關(guān)[13]。Flockerzi等[14]基于CBiF創(chuàng)建了生物力學(xué)分期參數(shù)E（Biomechanical E-staging），它可能優(yōu)于目前傳統(tǒng)形態(tài)學(xué)分級方法。

然而，對Corvis ST參數(shù)的解讀需考慮種族差異?，F(xiàn)有正常值基于南美和高加索混合人群的研究而得出，直接采用軟件評估其它種族人群可能會造成結(jié)果的偏差。Vinciguerra等[15]報道了在高加索和中國健康受試者中，角膜硬度參數(shù)（Stiffness parameter at applanation 1，SP-A1）、水平方向Ambrosio相關(guān)厚度（Ambrosio's relational thickness to the horizontal profile，ARTh）和SSⅠ均存在顯著差異，這可能會導(dǎo)致在采用生物力學(xué)方法進行屈光術(shù)前篩選時出現(xiàn)潛在的假陽性。而不同Corvis ST參數(shù)的種族差異仍需進一步研究。

3 CXL對在體角膜生物力學(xué)的影響

CXL最早在1998 年被報道，是進展性圓錐角膜的重要治療手段[16]。標(biāo)準(zhǔn)CXL（Standard CXL，S-CXL）治療遵循Dresden方案[17]。在此基礎(chǔ)上，更多的方案如快速CXL（Accelerated CXL，A-CXL）、跨上皮CXL（Transepithelial CXL，T-CXL）、跨上皮快速CXL（Accelerated transepithelial CXL，ATE-CXL）、離子電滲輔助CXL（Ⅰontophoresis-assisted CXL，Ⅰ-CXL）等也相繼出現(xiàn)[18]。

CXL通過氧化和糖基化途徑促進角膜前部基質(zhì)膠原間形成交聯(lián)，提高膠原密度、直徑以增強角膜的硬度。許多離體動物實驗監(jiān)測到了這一過程導(dǎo)致的角膜生物力學(xué)的改變[4]。建立CXL的在體角膜生物力學(xué)模型有助于評估不同交聯(lián)方案的療效，預(yù)測患者病情變化，具有重要的臨床意義。

3.1 CXL前后ORA參數(shù)的變化

Goldich等[19]最早于2009年，用ORA評估S-CXL對角膜生物力學(xué)性質(zhì)的影響，研究表明ORA的2個基本參數(shù)（CH與CRF）在S-CXL治療前后無明顯改變。后續(xù)大多數(shù)研究中這2個參數(shù)在術(shù)后短期及長期均未發(fā)生顯著改變[20-21]，且在CXL的不同方案，如A-CXL[22-23]、T-CXL[24]、ATE-CXL[25]中呈現(xiàn)同樣的結(jié)果。一些研究者進一步引入波形參數(shù)，發(fā)現(xiàn)僅有第2次壓平波形相關(guān)參數(shù)（P2 area）發(fā)生改變，然而這一發(fā)現(xiàn)提示角膜黏性阻尼的改變，無法被解釋為交聯(lián)的效應(yīng)[26-27]?？傮w來說，ORA可能不具備足夠的靈敏度以監(jiān)測角膜CXL前后的生物力學(xué)性質(zhì)改變[28]。

也有少數(shù)研究者得出不同結(jié)果，Salouti等[29]按檢測質(zhì)量進行篩選后，發(fā)現(xiàn)患者CXL后CRF值顯著下降，而Bernardo等[30]發(fā)現(xiàn)在術(shù)后Kmax下降的患者亞組中，CXL后CH與CRF值顯著下降。這些發(fā)現(xiàn)也提示已有研究受限于樣本量和測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量，對ORA價值的評估應(yīng)有更進一步的證據(jù)。

3.2 CXL前后Corvis ST參數(shù)的變化

近年來，Corvis ST已逐漸取代ORA，成為在體評估角膜生物力學(xué)特性的最主要設(shè)備。研究發(fā)現(xiàn)CXL前后多個DCR參數(shù)發(fā)生改變。部分參數(shù)在不同研究中交聯(lián)前后的變化趨勢相同，如第1次壓平長度（A1 length）、第1次壓平時間（A1 time）、最大壓陷時曲率半徑（HC radius）及兩峰間距（Peak distance）升高，2 mm處變形幅度比值（Deformation amplitude ratio at 2.0 mm，DAR2）降低，提示角膜硬度增加[21,31-33]，交聯(lián)后1個月可能更顯著[34]。然而，由于測量受到多方面因素，尤其是患者眼壓和角膜厚度的影響[35]，以上參數(shù)在部分研究中并未觀察到顯著改變，其價值有待進一步證實[29,36]。此外，第2次壓平相關(guān)參數(shù)，包括第2次壓平長度（A2 length）、時間（A2 time）及速度（A2 velocity）的改變趨勢在不同研究間存在矛盾，可能不足以評估CXL前后角膜生物力學(xué)特性的變化。

相比于直接測量獲取的參數(shù)，一些綜合參數(shù)可能具有更大的價值。幾乎所有研究均顯示CXL后，患者SP-A1 升高，綜合半徑（Ⅰntegrated inverse radius，ⅠR）降低。這2個參數(shù)的改變最早于術(shù)后1個月出現(xiàn)，而ⅠR的改變可持續(xù)長達(dá)4年[21,33]。SP-A1與ⅠR可能是未來CXL前后生物力學(xué)評估的關(guān)鍵參數(shù)[37]。然而，研究表明，SP-A1的測量與患者眼壓和角膜厚度相關(guān)，在交聯(lián)后的評估中可能需要予以校正[38-39]。此外，劉國英等[40]首次使用SSⅠ評估患者CXL前后角膜硬度變化，研究表明術(shù)后3個月SSⅠ較術(shù)前明顯增加，但在術(shù)后6個月后回退至術(shù)前水平。SSⅠ由算法估計角膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線得出，與患者年齡相關(guān)，而不受角膜厚度及眼壓影響[41]，盡管SSⅠ對評估角膜硬度的變化具有較大價值，但對于CXL后中遠(yuǎn)期的療效評估價值還需進一步研究完善。

有研究者嘗試采用Corvis ST參數(shù)，比較不同交聯(lián)方案生物力學(xué)效應(yīng)的差異，但Corvis ST參數(shù)是否能有效量化不同方案生物力學(xué)效應(yīng)的差異仍值得探討[42-43]。

此外，F(xiàn)lockerzi等[44]報道了A-CXL前后Corvis ST提供的CBiF與E分期的變化，研究表明術(shù)后5個月CBiF值顯著降低，E分期顯著增加；在術(shù)后11 個月及23 個月則與術(shù)前無顯著差異。術(shù)后短期內(nèi)的假性進展可能受到該時期測量不準(zhǔn)確的最薄點角膜厚度（Thinnest corneal thickness，TCT）的影響，而其后的結(jié)果則表明了CXL術(shù)后的長期穩(wěn)定性。CBiF與E分期可能對CXL術(shù)后穩(wěn)定性的評估具有一定價值，然而還需更大規(guī)模的TCT依賴性分析進行驗證。

3.3 交聯(lián)聯(lián)合屈光矯正術(shù)后Corvis ST參數(shù)的變化

一些研究者使用Corvis ST探究激光矯正聯(lián)合CXL是否可起到穩(wěn)固角膜強度的作用。Xu等[45]分析了飛秒激光輔助制瓣的準(zhǔn)分子激光原位角膜磨鑲術(shù)（Femtosecond laser assisted-laser in situ keratomileusis，F(xiàn)S-LASⅠK）聯(lián)合A-CXL術(shù)前后22只眼生物力學(xué)參數(shù)的改變，發(fā)現(xiàn)盡管在術(shù)后短期內(nèi)多個角膜生物力學(xué)參數(shù)發(fā)生暫時性改變，但長期隨訪結(jié)果與術(shù)前無明顯差異。Lee等[46]比較了單純經(jīng)上皮準(zhǔn)分子激光角膜切削術(shù)（Photorefractive keratectomy，PRK）與PRK聯(lián)合A-CXL術(shù)后參數(shù)的改變，2組患者術(shù)后均出現(xiàn)DAR2及ⅠR值的升高，但聯(lián)合A-CXL術(shù)后參數(shù)變化幅度顯著較小，表明A-CXL能有效減少PRK術(shù)后角膜強度的降低。類似治療方案所引起的角膜生物力學(xué)改變?nèi)孕韪娴难芯俊?/p>

3.4 兒童圓錐角膜交聯(lián)后Corvis ST參數(shù)的變化

對于兒童圓錐角膜患者，仍缺乏評估CXL生物力學(xué)效應(yīng)的研究。Jian等[47]比較了28名兒童患者行ATE-CXL前后Corvis參數(shù)的改變，術(shù)后1年患者A1 time、A1 length、HC radius、SPA1等多個參數(shù)發(fā)生改變，均提示角膜強度的增加。然而相比成人患者，兒童圓錐角膜表現(xiàn)出更強的進展性及更高的CXL術(shù)后復(fù)發(fā)率，術(shù)后長期評估結(jié)果有待進一步研究。

4 總結(jié)與展望

盡管許多在體生物力學(xué)試驗已經(jīng)提示，進展性圓錐角膜經(jīng)CXL后角膜生物力學(xué)特性明顯增強，但對于CXL在體生物力學(xué)效應(yīng)仍未形成公認(rèn)的評估標(biāo)準(zhǔn)，基于形態(tài)的角膜地形圖檢查仍是交聯(lián)療效的主要評估方法。Corvis ST作為目前臨床廣泛應(yīng)用的在體生物力學(xué)測量儀器，對其結(jié)果的解釋也應(yīng)持有更謹(jǐn)慎的態(tài)度，新的參數(shù)或多參數(shù)的聯(lián)合、更大樣本量及更長隨訪時間的研究仍然是未來的方向。目前其參數(shù)僅可作為在體的生物力學(xué)證據(jù)，以輔助佐證交聯(lián)療效。綜上所述，對評估CXL的療效，在體生物力學(xué)測量方法展現(xiàn)出巨大的潛力，但仍有較多未知的問題等待探索。

利益沖突申明 本研究無任何利益沖突

作者貢獻聲明 戴至豪：參與選題、設(shè)計及資料的分析和解釋；撰寫論文。陳躍國：參與選題、設(shè)計、資料的分析和解釋；修改論文定稿