角膜生物力學特性的研究進展

殷鴻波，鄧應平

（四川大學華西醫院眼科，四川成都 610041）

角膜生物力學特性的研究進展

殷鴻波，鄧應平

（四川大學華西醫院眼科，四川成都 610041）

所謂生物力學，是指在分子、細胞、組織、器官或整體水平將力學原理應用于生物學[1]。具體而言，即發展、延伸和應用力學知識以更好地理解疾病和創傷的生理和病理生理過程及其診斷、治療和預后。目前，生物力學已經在心血管疾病、整形和康復等領域成功實現了臨床轉化，如治療血管瘤和動脈硬化的血管支架、治療心臟瓣膜疾病的人工心臟瓣膜以及治療骨關節炎的人工膝關節等[2]。遺憾的是，眼球及其附屬器通常被認為是一個光學而非機械力學系統，因此，生物力學在眼科領域的研究和應用相當有限。近年來，角膜、鞏膜和篩板[2]、虹膜[3]和小梁網[4]、玻璃體[5]以及晶狀體[6]等的生物力學特性開始被關注，尤其是角膜生物力學（corneal biomechanical properties，CBPs）與多種眼部疾病的關系成為研究的熱點。

角膜位于眼球最外層，是光線傳輸的高度特殊組織，提供眼球2/3的屈光力，它還可以保護眼內容物免受外界物質的干擾和抵御眼內外壓力。這種光學和屏障作用有賴于角膜正常形態的維持，微小的變化都將影響其功能。事實上，角膜承受著來自眼內外的多重負荷，如眼瞼運動、眼外肌牽拉、眼壓等，因具有獨特的生物力學特性才不至于喪失其正常形態，而這種特性是以角膜的成分和結構為基礎的。角膜具有五層解剖結構，其中，基質層占角膜厚度的90%，也是決定角膜透明度和生物力學特性的關鍵。角膜基質包含250~400層高度有序、層疊排列的膠原纖維板層，每層由直徑相同、同向排列的膠原纖維束組成，層間有薄而扁平的角膜基質細胞[7]，蛋白多糖存在于膠原纖維之間以及纖維板層之間充當粘合劑[8]。膠原纖維在角膜基質中的分布具有異向性，由所在位置和深度決定，如前部基質的膠原纖維板層較中后部而言排列更加致密、層間交織更多[9]。如果說角膜基質膠原賦予角膜彈性，那么角膜基質80%的含水量則賦予角膜粘性，這種獨特的粘彈性使角膜受應力作用時，即刻產生彈性反應，隨后產生延遲的、時間依賴的粘性反應，即角膜遲滯現象[10]。角膜生物力學特性受年齡、種族、性激素水平等多種因素影響，如隨年齡增長，角膜膠原自發交聯，角膜硬度增加[11]；女性懷孕期間或月經周期的不同階段，性激素水平波動，角膜生物力學特性亦發生相應改變[12]。我中心曾對一批健康育齡期女性志愿者進行觀察，發現其角膜生物力學特性隨雌激素水平變化而變化，排卵期雌激素水平達到峰值而角膜硬度最低。

1 角膜生物力學檢測方法

最初對角膜生物力學特性的測量采用離體方法，從全息干涉技術[13-14]到電子散斑干涉技術再到徑向剪切散斑干涉技術[15]。盡管這些測量方法可將離體角膜組織暴露于各種負荷條件下，從而獲得一系列力學參數，但是樣本制作可能破壞角膜膠原的自然走行，加之測量過程中角膜脫水，導致測量結果與真實值存在差異。目前市售的活體角膜生物力學測量儀包括眼反應分析儀 （ORA）和動態角膜地形圖（CORVIS ST）。眼反應分析儀監測受空氣脈沖作用后角膜形變和恢復的動態過程，獲得角膜遲滯性（corneal hysteresis，CH）和角膜阻力因子（corneal resistance factor，CRF）兩個力學參數[16]。在這一過程中，角膜第一次被壓平時測得的眼壓為P1，第二次被壓平時為P2，兩者之間的差異即為CH，代表了角膜粘性阻力所致的能量損失。CRF通過線性公式計算所得，理論上可代表角膜彈性，但是CH與角膜彈性模量并沒有直接關系[17]。在正常眼，CH波動于9.3±1.4~11.4±1.5 mmHg，CRF波動于9.2±1.4~11.9±1.5 mmHg。近年來，研究人員開始對采集的紅外線信號曲線和壓力信號曲線進行分析，獲得了一系列新的參數[18-19]，聯合CH和CRF，拓展了眼反應分析儀臨床應用。動態角膜地形圖集成了角膜地形圖、非接觸式眼壓計和高速照相系統，記錄受空氣脈沖作用后角膜形變和恢復的影像，可提供角膜形變幅度以及兩次被壓平出現的時間、長度和速率等力學參數[20]，其中角膜的形變幅度和第一次被壓平出現的時間可重復性好且最具臨床意義。目前，還有一些活體測量角膜生物力學特性的新技術正在研究當中，將來可能應用于臨床，包括超聲剪切成像技術[21]、光學相干彈性成像技術[22]以及Brillouin光散射顯微鏡技術[23]等。

2 角膜生物力學眼科臨床運用

2.1 角膜生物力學與角膜擴張性疾病

隨著對角膜生物力學認識的深入和活體測量方法的改進，人們日漸意識到角膜生物力學的重要性并開始研究其與多種眼部疾病的關系。其中，角膜生物力學特性在擴張性角膜疾病中的應用是最早且最成功的例子。擴張性角膜疾病，包括圓錐角膜和屈光手術后角膜擴張，其角膜基質膠原排列紊亂、前彈力層斷裂、膠原在前彈力層的錨定缺失直接導致角膜硬度降低和板層滑動[24-25]，最終表現為角膜進行性變薄、前突和視力下降。利用眼反應分析儀比較正常角膜和圓錐角膜的生物力學特性，發現后者的CH和CRF顯著下降[16，26-28]，且降幅與疾病嚴重程度相關[28]。然而，對于輕型或隱匿型圓錐角膜，這兩個力學參數的敏感性和特異性較低[29]，如聯合對信號和壓力曲線的分析，則敏感性和特異性提高，可用于圓錐角膜的早期診斷[19，30]。角膜膠原交聯（corneal cross-linking，CXL）是治療擴張性角膜疾病最具前景的措施之一，通過光化學反應促進角膜膠原之間和膠原板層之間發生交聯，可直接改善角膜生物力學特性，進而降低角膜曲率和高階像差。多項臨床研究結果顯示，圓錐角膜經過膠原交聯后其CRF可短期升高[31-33]，以圓錐為中心的小范圍交聯效果優于角膜中央9 mm區域的交聯[34]。眼反應分析儀信號和壓力曲線分析[35]或動態角膜地形圖檢測[36]的結果較CRF重復性好，能更準確地評價治療效果和監測疾病進展。角膜生物力學特性在擴張性角膜疾病患者中呈現明顯的個體差異，在同一角膜呈不對稱分布，因此，研究人員采用有限元模型預測特定患者對不同屈光手術方式[37]或交聯方案[38-39]的角膜生物力學反應，使未來開展擴張性角膜疾病的個體化診斷和治療成為可能。

2.2 角膜生物力學與眼壓測量

角膜屈光手術是矯正近視、遠視或散光的手段之一，僅2010年，全世界范圍內就開展了800 000例手術。然而，屈光手術后發生青光眼并導致永久視功能損傷的病例屢見不鮮[40]，因此有必要長期監測患者眼壓，尤其是高危人群，如有青光眼家族史、薄角膜和高度近視等。遺憾的是，目前臨床最常用的Goldmann壓平式眼壓計 （goldmann applanation tonometry，GAT）往往低估了術后眼壓[41]，因為術后角膜厚度、形態和生物力學特性改變，而GAT測量值與這些角膜特征密切相關，尤其是角膜生物力學特性[42-43]。眼反應分析儀和動態角膜地形圖不僅可以測量角膜生物力學特性，同時也是非接觸壓平式眼壓計，且眼壓測量值不依賴角膜厚度和生物力學特性。研究發現，利用眼反應分析儀測量的術前術后眼壓變化值明顯低于GAT測量的變化值且與CH和CRF密切相關[44]，動態角膜地形圖測量的術前術后眼壓值也較GAT測量值穩定[41]。有趣的是，有角膜屈光手術史的青光眼患者和沒有手術史的青光眼患者對降眼壓的藥物反應相同[45]。

2.3 角膜生物力學與眼部其它結構力學相關性

有大量的研究探索角膜與眼球其它結構在生物力學方面的相關性，如鞏膜、視神經頭等。鞏膜和角膜共同組成了眼球的纖維結締組織外殼，維持眼球的正常形態。當這個整合系統中某部分的生物力學特性改變，則會引起另一部分的相應改變。角膜遲滯性低則鞏膜可能軸向延長，形成或加深近視[46]，因此，對兒童進行常規角膜生物力學特性篩查有助于預測發生軸性近視的風險。視神經頭是后部鞏膜的組成部分，研究發現低CH伴隨深視杯、大杯盤比[47]和視盤小凹的形成[48]，CH與盤沿面積、神經纖維層厚度成正比，與杯盤比成反比[49]。視神經頭的這些形態學改變可能因為眼壓升高時，高CH患者的篩板容易變形，變形過程中分散了機械力，從而保護了視網膜神經纖維，反之，則造成視神經的損傷。研究還比較了正常眼和多種類型青光眼患者的角膜生物力學特性，發現原發性開角型[50]、原發性閉角型[51]、正常眼壓性[52]、假性剝脫性[53]和先天性[54]青光眼患者的CH較正常眼低，與疾病嚴重程度成正比[55]，且能夠預測疾病進展的風險[56]。

總之，生物力學在多種眼科疾病的發生和發展過程中發揮重要作用，近年來，除角膜外，關于虹膜、小梁網、晶狀體等的生物力學研究也取得了長足進展。眼科醫生應重視生物力學，和基礎研究人員相互合作，實現其從實驗室向臨床應用的轉化，造福眼病患者。

1.Hatze H.Letter:The meaning of the term“biomechanics”[J]. J Biomech，1974，7（2）:189-190.

2.Girard MJ，Dupps WJ，Baskaran M，et al.Translating ocular biomechanics into clinical practice:current state and future prospects[J].Curr Eye Res，2015，40（1）:1-18.

3.Amini R，Whitcomb JE，Al-Qaisi MK，et al.The posterior location of the dilator muscle induces anterior iris bowing during dilation，even in the absence of pupillary block[J].Invest Ophthalmol Vis Sci，2012，53（3）:1188-1194.

4.Camras LJ，Stamer WD，Epstein D，et al.Differential effects of trabecular meshwork stiffness on outflow facility in normal human and porcine eyes[J].Invest Ophthalmol Vis Sci，2012，53（9）:5242-5250.

5.Repetto R，Siggers JH，Stocchino A.Mathematical model of flow in the vitreous humor induced by saccadic eye rotations:effect of geometry[J].Biomech Model Mechanobiol，2010，9（1）:65-76.

6.Pedrigi RM，Dziezyc J，Humphrey JD.Altered mechanical behavior and properties of the human anterior lens capsule after cataract surgery[J].Exp Eye Res，2009，89（4）:575-580.

7.MauriceDM.Thestructureandtransparencyof the cornea[J]. J Physiol，1957，136（2）:263-286.

8.Chakravarti S，Magnuson T，Lass JH，et al.Lumican regulates collagen fibril assembly:skin fragility and corneal opacity in the absence of lumican[J].J Cell Biol，1998，141（5）:1277-1286.

9.Komai Y，Ushiki T.The three-dimensional organization of collagen fibrils in the human cornea and sclera[J].Invest Ophthalmol Vis Sci，1991，32（8）:2244-2258.

10.Roberts C.The cornea is not a piece of plastic[J].J Refract Surg，2000，16（4）：407-413.

11.Elsheikh A，Wang D，Brown M，et al.Assessment of corneal biomechanical properties and their variation with age[J].Curr Eye Res，2007，32（1）:11-19.

12.Goldich Y，Barkana Y，Pras E，et al.Variations in cornealbiomechanicalparametersand centralcorneal thickness during the menstrual cycle[J].J Cataract Refract Surg，2011，37（8）:1507-1511.

13.Smolek MK.Holographic interferometry of intact and radially incised human eye-bank corneas[J].J Cataract Refract Surg，1994，20（3）:277-286.

14.Kasprzak H，F?rster W，von Bally G.Measurement of elastic modulus of the bovine cornea by means of holographic interferometry.Part 1.Method and experiment[J]. Optom Vis Sci，1993，70（7）:535-544.

15.Knox Cartwright NE，Tyrer JR，Marshall J.In vitro quantification of the stiffening effect of corneal cross-linking in the human cornea using radial shearing speckle pattern interferometry[J].J Refract Surg，2012，28（7）:503-508.

16.Luce DA.Determining in vivo biomechanical properties of the cornea with an ocular response analyzer[J].J Cataract Refract Surg，2005，31（1）:156-162.

17.Glass DH，Roberts CJ，Litsky AS，et al.A viscoelastic biomechanical model of the cornea describing the effect of viscosity and elasticity on hysteresis[J].Invest Ophthalmol Vis Sci，2008，49（9）:3919-3926.

18.Touboul D，Bénard A，Mahmoud AM，et al.Early biomechanical keratoconus pattern measured with an ocular response analyzer:curve analysis[J].J Cataract Refract Surg，2011，37（12）:2144-2150.

19.Mikielewicz M，Kotliar K，Barraquer RI，et al.Airpulse corneal applanation signal curve parameters for the characterisation of keratoconus[J].Br J Ophthalmol，2011，95（6）:793-798.

20.Hon Y，Lam AK.Corneal deformation measurement using scheimpflug noncontact tonometry[J].Optom Vis Sci，2013，90（1）:e1-e8.

21.Tanter M，Touboul D，Gennisson JL，et al.High-resolution quantitative imaging of cornea elasticity using supersonic shear imaging[J].IEEE Trans Med Imaging，2009，28（12）:1881-1893.

22.Ford MR，Dupps WJ Jr，Rollins AM，et al.Method for optical coherence elastography of the cornea[J].J Biomed Opt，2011，16（1）：016005.

23.Scarcelli G，Yun SH.In vivo Brillouin optical microscopy of the human eye[J].Opt Express，2012，20（8）:9197-9202.

24.Meek KM，Tuft SJ，Huang Y，et al.Changes in collagen orientation and distribution in keratoconus corneas[J].Invest Ophthalmol Vis Sci，2005，46（6）:1948-1956.

25.Dawson DG，Randleman JB，Grossniklaus HE，et al. Corneal ectasia after excimer laser keratorefractive surgery: histopathology，ultrastructure，and pathophysiology[J]. Ophthalmology，2008，115（12）：2181-2191.

26.Ortiz D，Pi?ero D，Shabayek MH，et al.Corneal biomechanical properties in normal，post-laser in situ keratomileusis，and keratoconic eyes[J].J Cataract Refract Surg，2007，33（8）:1371-1375.

27.Gefen A，Shalom R，Elad D，et al.Biomechanical analysis of the keratoconic cornea[J].J Mech Behav Biomed Mater，2009，2（3）:224-236.

28.Shah S，Laiquzzaman M，Bhojwani R，et al.Assessment of the biomechanical properties of the cornea with the ocular response analyzer in normal and keratoconic eyes[J]. Invest Ophthalmol Vis Sci，2007，48（7）:3026-3031.

29.Kirwan C，O'Malley D，O'Keefe M.Corneal hysteresis and corneal resistance factor in keratoectasia:findings using the reichert ocular response analyzer[J].Ophthalmologica，2008，222（5）：334-337.

30.Schweitzer C，Roberts CJ，Mahmoud A M，et al. Screening of forme fruste keratoconus with the ocular response analyzer[J].Invest Ophthalmol Vis Sci，2010，51（5）:2403-2410.

31.Greenstein SA，Fry KL，Hersh PS.In vivo biomechanical changes after corneal collagen cross-linking for keratoconus and corneal ectasia:1-year analysis of a randomized，controlled，clinical trial[J].Cornea，2012，31（1）: 21-25.

32.Gkika M，Labiris G，Giarmoukakis A，et al.Evaluation of corneal hysteresis and corneal resistance factor after corneal cross-linking for keratoconus[J].Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol，2012，250（4）:565-573.

33.Goldich Y，Marcovich AL，Barkana Y，et al.Clinical and corneal biomechanical changes after collagen crosslinking with riboflavin and UV irradiation in patients with progressive keratoconus:results after 2 years of follow-up[J]. Cornea，2012，31（6）:609-614.

34.Roy AS，Dupps WJ.Patient-specific computational modeling of keratoconus progression and differential responses to collagen cross-linking[J].Invest Ophthalmol Vis Sci，2011，52（12）:9174-9187.

35.Hallahan KM，Rocha K，Roy AS，et al.Effects of corneal cross-linking on ocular response analyzer waveform-derived variables in keratoconus and postrefractive surgery ectasia[J].Eye Contact Lens，2014，40（6）:339-344.

36.Tian L，Ko MW，Wang LK，et al.Assessment of ocular biomechanics using dynamic ultra high-speed Scheimpflug imaging in keratoconic and normal eyes[J].J Refract Surg，2014，30（11）:785-791.

37.Roy AS，Dupps WJ.Effects of altered corneal stiffness on native and postoperative LASIK corneal biomechanical behavior:a whole-eye finite element analysis[J].J Refract Surg，2009，25（10）:875-887.

38.Seven I，Sinha Roy A，Dupps WJ.Patterned corneal collagen crosslinking for astigmatism:computational modeling study[J].J Cataract Refract Surg，2014，40（6）:943-953.

39.Seven I，Dupps WJ.Patient-Specific finite element simulations of standard incisional astigmatism surgery and a novel patterned collagen crosslinking approach to astigmatism treatment[J].J Med Device，2013，7（4）:0409131-0409132.

40.Shaikh NM，Shaikh S，Singh K，et al.Progression to end-stage glaucoma after laser in situ keratomileusis[J].J Cataract Refract Surg，2002，28（2）:356-359.

41.Aristeidou AP，Labiris G，Katsanos A，et al.Comparison between pascal dynamic contour tonometer and goldmann applanation tonometer after different types of refractive surgery[J].Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol，2011，249（5）:767-773.

42.Liu J，Roberts CJ.Influence of corneal biomechanical properties on intraocular pressure measurement:quantitative analysis[J].J Cataract Refract Surg，2005，31（1）: 146-155.

43.Tranchina L，Lombardo M，Oddone F，et al.Influence of corneal biomechanical properties on intraocular pressure differences between an air-puff tonometer and the Goldmann applanation tonometer[J].J Glaucoma，2013，22（5）:416-421.

44.Shin J，Kim TW，Park SJ，et al.Changes in biomechanical properties of the cornea and intraocular pressure after myopic laser in situ keratomileusis using a femtosecond laser for flap creation determined using ocular response analyzer and Goldmann applanation tonometry[J].J Glaucoma，2015，24（3）:195-201.

45.Sung KR，Lee JY，Kim MJ，et al.Clinical characteristics of glaucomatous subjects treated with refractive corneal ablation surgery[J].Korean J Ophthalmol，2013，27（2）: 103-108.

46.Chang PY，Chang SW，Wang JY.Assessment of corneal biomechanical properties and intraocular pressure with the ocular response analyzer in childhood myopia[J].Br J Ophthalmol，2010，94（7）:877-881.

47.Prata TS，Lima VC，Guedes LM，et al.Association between corneal biomechanical properties and optic nerve head morphology in newly diagnosed glaucoma patients[J]. Clin Experiment Ophthalmol，2012，40（7）:682-688.

48.Bochmann F，Ang GS，Azuara-Blanco A.Lower corneal hysteresis in glaucoma patients with acquired pit of the optic nerve（APON）[J].Graefes Arch Clin Exp Ophthalmol，2008，246（5）:735-738.

49.Khawaja AP，Chan MP，Broadway DC，et al.Corneal biomechanical properties and glaucoma-related quantitative traits in the EPIC-Norfolk Eye Study[J].Invest Oph-thalmol Vis Sci，2014，55（1）:117-124.

50.Abitbol O，Bouden J，Doan S，et al.Corneal hysteresis measured with the Ocular Response Analyzer in normal and glaucomatous eyes[J].Acta Ophthalmol，2010，88（1）:116-119.

51.Narayanaswamy A，Su DH，Baskaran M，et al.Comparison of ocular response analyzer parameters in Chinese subjects with primary angle-closure and primary openangle glaucoma[J].Arch Ophthalmol，2011，129（4）: 429-434.

52.Morita T，Shoji N，Kamiya K，et al.Corneal biomechanical properties in normal-tension glaucoma[J].Acta Ophthalmol，2012，90（1）:e48-e53.

53.Ayala M.Corneal hysteresis in normal subjects and in patients with primary open-angle glaucoma and pseudoexfoliation glaucoma[J].Ophthalmic Res，2011，46（4）:187-191.

54.Kirwan C，O'Keefe M，Lanigan B.Corneal hysteresis and intraocular pressure measurement in children using the reichert ocular response analyzer[J].Am J Ophthalmol，2006，142:990-992.

55.Mansouri K，Leite MT，Weinreb RN，et al.Association between corneal biomechanical properties and glaucoma severity[J].Am J Ophthalmol，2012，153（3）:419-427. e1.

56.Medeiros FA，Meira-Freitas D，Lisboa R，et al.Corneal hysteresis as a risk factor for glaucoma progression:a prospective longitudinal study[J].Ophthalmology,2013, 120（8）:1533-1540.

（2016-04-20收稿）

R770.4

A

10.3969/j.issn.1000-2669.2016.03.004

鄧應平，男，教授。E-mail：dyp558@163.com