鞏膜生物力學特性及其與近視關系的研究進展

曹珂兒，亢澤峰，孫宏睿，王健全，侯昕玥

近年來全球近視發病率逐年提高，且呈低齡化趨勢，預計到本世紀中葉，近視將會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原因，但加速的鞏膜重塑和鞏膜生物力學性質減弱是引起眼軸增長的原因之一[4]。鞏膜生物力學特性在一定程度上可以反映眼球結構的弱點，鞏膜對眼壓的耐受程度越小，越無法承受眼壓從而更易增長。隨著臨床醫生、科學家和工程師之間不斷擴大合作，大量學者就鞏膜生物力學特性與近視發生發展的相關性進行了廣泛的研究。提升對鞏膜生物力學特性的認識，可以對近視的預防、診斷及治療有著重要的指導作用，本文就鞏膜生物力學特性的概念、與近視發生和發展的關系及近視鞏膜療法對生物力學特性的影響進行綜述，報道如下。

1 鞏膜生物力學的基本概念和性能

鞏膜位于眼球壁的最外層，可以抵御眼內外的壓力，為視網膜和視乳頭等脆弱的眼內結構提供穩定的機械支持，還可與角膜共同維持眼的屈光狀態。鞏膜承受著來自眼內流體壓力和眼部運動等多重因素的影響，因其具有獨特的生物力學特性才能維持正常形態，確保屈光度的穩定[4]。

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

2 鞏膜的成分和結構

鞏膜生物力學特性是以鞏膜的成分和結構為基礎的。與其他結締組織相似，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，有助于調節膠原纖維的大小和結構。PGs 中含有一個或多個糖胺聚糖側鏈，糖胺聚糖鏈上的硫酸鹽殘基攜帶負電荷，結合水產生不可壓縮的“凝膠”，在維持鞏膜生物力學特性方面具有重要作用[4,12-14]。

鞏膜結構上由鞏膜外層、鞏膜基質層、鞏膜板層及角鞏膜緣、鞏膜突等組成[4,15]。鞏膜基質層（固有層）作為鞏膜的主要分層，主導著鞏膜的生物力學性質，其材料特性源于其組織中富含膠原的細胞外基質（extracellular matrix，ECM）的組成成分和結構。ECM 主要由膠原纖維支架、少量彈性纖維和無定形基質（如核心PGs、雙糖鏈PGs等）[16]組成，也是決定鞏膜生物力學特性的關鍵。與角膜基質層相比，鞏膜基質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]，不同區域鞏膜基質結構的區域性特化具有特殊的生物力學影響[4]。鞏膜結構的微小變化即可引起明顯的相應的生物力學特性改變，因此測量鞏膜生物力學特性有利于早期診斷和治療改變鞏膜結構的疾病，近視鞏膜生物力學特性的變化特征值得關注。

需要注意的是，在生物力學的文獻中，通用術語“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構的技術中的“纖維”信號包含膠原蛋白和彈性蛋白成分。

3 鞏膜生物力學特性測量

3.1 體外鞏膜生物力學特性測量方法

鞏膜生物力學特性的體外測量主要包括拉伸條帶實驗、膨脹實驗和壓痕實驗3 種方法，在探明近視發生發展的機制方面發揮重要作用[6]?，F階段對近視鞏膜的基本材料特性的了解大多來自對鞏膜應力應變行為的拉伸條帶測試，通過對人、樹鼩和兔子等動物離體眼球的拉伸條帶實驗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 結構區域性特化一致[18-19]。但該技術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的測量需要預處理周期，從根本上改變了應力—應變反應。膨脹實驗則更接近近視生理狀態下的受力情況，該方法主要通過對實驗壓力—位移數據應用合適的計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，設備制作較為復雜，技術要求高[20]。而對鞏膜的壓痕實驗研究相對較少，早期有研究[21]發現鞏膜的徑向壓縮剛度，發現其抵抗垂直于組織平面壓痕力的能力遠小于抵抗圓周力。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結構數據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，但仍尚未實現。

3.2 體內鞏膜生物力學特性測量方法

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

然而，體內鞏膜生物力學仍處于起步階段，OCT 設備的改進，如自適應光學、掃描源、多波長、相位敏感技術、微成像和補償等圖像處理技術，可能可以推進體內生物力學測量的質量和可用性水平。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用于鞏膜，也將有助于鞏膜體內生物力學的發展。

4 近視發生和發展對鞏膜生物力學特性的影響

近視多起自兒童及青少年時期，至20 歲后穩定或相對靜止。青少年軸性近視的典型特征是后鞏膜伸長[4]。隨著近視的發生和發展，鞏膜組成和結構逐漸發生變化。

在成分方面，近視進程中發生Ⅰ型膠原含量減少（合成減少、降解增加），透明質酸、硫酸糖胺聚糖和PGs 水平降低以及酶降解上調等顯著變化[12]。雖然近視發生在生長發育的早期，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特的機制—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有組織的重新排列，由此可導致其生物力學特性發生改變。

在結構方面，近視進程中鞏膜膠原纖維直徑明顯減小，在透鏡誘導的兔近視模型中快速（約2 周）發生[28]；而樹鼩在誘導早期則無顯著變化，在長時間（＞3 個月）透鏡誘導近視后，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構的觀察結果一致[4]。GRYTZ R等[30]基于逆向計算模型研究發現，近視鞏膜膠原纖維的卷曲度會增加。與此同時，近視鞏膜膠原纖維排列同樣發生變化，如MARKOV PP 等[31]發現，近視后部鞏膜膠原纖維排列的變化，視乳頭周圍鞏膜環形排列的膠原纖維散開，趨于徑向排列。然而仍需進一步研究證明這些變化是否與鞏膜重塑直接相關，也有研究[31]認為這可能是源于鞏膜對眼內壓或眼球運動的機械適應。

這些成分和結構變化促使近視鞏膜生物力學特性發生變化。在近視動物模型的研究[30]中發現，近視眼鞏膜的彈性模量及最大應力低于正常眼，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，近視眼鞏膜更易發生形變，承載力更弱，且鞏膜蠕變率隨著近視的誘導或恢復，分別增加或降低。與鞏膜蠕變率的變化相似，在近視發展或恢復期間發現過渡應變相應增加或減少[30]。過渡應變與膠原纖維卷曲度直接相關，代表鞏膜膠原纖維拉直的應變水平[19]。PHILLIP JR 等[32]對樹鼩形覺剝奪近視模型（formdeprivation myopia，FDM）的鞏膜條帶進行單軸拉伸實驗，發現近視眼的鞏膜厚度及破壞載荷低于正常眼，應變高于正常眼，認為鞏膜最大載荷區別可能與鞏膜厚度有關。ROMANO MR 等[33]對人近視眼及正視眼進行低負載靜態應力測量，發現2 種眼球的應力—應變曲線均呈指數相應，但在生理應變范圍內近視眼硬度低于正常眼，在較大應變時近視眼硬度高于正常眼。這些研究結果表明，鞏膜生物力學特性的改變與鞏膜重塑相同，也是近視發展的重要特征。近視眼鞏膜彈性、承載力減弱等生物力學特性的變化可能導致眼球形變加重，近視程度進一步加重。

5 近視鞏膜療法對鞏膜生物力學特性的影響

5.1 后鞏膜加固術

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

5.2 鞏膜交聯

鞏膜交聯被認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行鞏膜交聯。經典的方法是使用紫外A激光聯合維生素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膜產生安全隱患[12]。此外，還可使用化學交聯劑如甘油醛[35]、京尼平[36]等，目前仍尚未見到相關人體試驗的研究報道。但通過膠原交聯，鞏膜對蛋白水解酶的耐受性提高，硬度增大，生物力學特性得到改善，這在防止近視眼鞏膜重塑和生物力學減弱的進程中具有決定性作用，可以防止眼軸的病理性增長，阻止近視的發生和發展。

6 小結

研究者對近視鞏膜生物力學特性的關注日益增加。近視鞏膜生物力學特性，以鞏膜成分、結構變化為基礎，與鞏膜重塑密切相關，生物力學特性和鞏膜重塑是近視眼軸增長的最終環節，也是近視發生發展的重要機制和特征，可能成為臨床預測近視進展風險和預后的潛在指標。但目前在體鞏膜生物力學測量仍處于探索階段，需進一步研究鞏膜生物力學的檢測手段、更新計算模型，使未來在活體測量近視鞏膜生物力學特性成為可能。但近視鞏膜生物力學與分子生物學的相關研究少見，仍需進一步明確近視相關分子信號對鞏膜生物力學的影響。而在近視的鞏膜治療方面，鞏膜交聯在近視動物模型中已取得顯著進展，但其對于人類近視治療的安全性和有效性仍有待于證實。