巩膜生物力学特性及其与近视关系的研究进展

曹珂儿，亢泽峰，孙宏睿，王健全，侯昕玥

近年来全球近视发病率逐年提高，且呈低龄化趋势，预计到本世纪中叶，近视将会成为全球最常见的不可逆致盲原因之一，全球约50%人口将患近视，其中高度近视患病率约为10%[1]。而中国儿童青少年近视的患病率约为84%[2]，城市化地区青、中年人群的近视患病率在80%～90%之间[3]。虽然目前尚不清楚近视流行性增加的绝对原因，但加速的巩膜重塑和巩膜生物力学性质减弱是引起眼轴增长的原因之一[4]。巩膜生物力学特性在一定程度上可以反映眼球结构的弱点，巩膜对眼压的耐受程度越小，越无法承受眼压从而更易增长。随着临床医生、科学家和工程师之间不断扩大合作，大量学者就巩膜生物力学特性与近视发生发展的相关性进行了广泛的研究。提升对巩膜生物力学特性的认识，可以对近视的预防、诊断及治疗有着重要的指导作用，本文就巩膜生物力学特性的概念、与近视发生和发展的关系及近视巩膜疗法对生物力学特性的影响进行综述，报道如下。

1 巩膜生物力学的基本概念和性能

巩膜位于眼球壁的最外层，可以抵御眼内外的压力，为视网膜和视乳头等脆弱的眼内结构提供稳定的机械支持，还可与角膜共同维持眼的屈光状态。巩膜承受着来自眼内流体压力和眼部运动等多重因素的影响，因其具有独特的生物力学特性才能维持正常形态，确保屈光度的稳定[4]。

巩膜是生物软组织，巩膜生物力学特性主要包括应力—应变曲线、刚度、强度等一般力学特性及软组织特有的弹性、黏弹性和各向异性[5]。巩膜受力会产生变形，作用在单位面积上的力即应力，应变是指变形量与初始长度的比值，而以应变为横坐标、相应的应力为纵坐标绘制的曲线即为应力—应变曲线[6]。巩膜具有应力松弛及应力—应变曲线滞后的力学特性。刚度反映巩膜抵抗变形的能力，而强度反映巩膜抵抗破坏的能力。巩膜组织还具有非线性弹性，其应力—应变特性并非简单的线性关系，不同阶段应力随应变变化的速率不同，其弹性模量并非一个常数[7]。黏弹性是指物质对应力的反应兼有固体和液体的双重特性，使巩膜受应力作用时，即刻产生弹性反应，随后产生延迟的、时间依赖的黏性反应，即迟滞现象。黏弹性主要包括黏滞性、应力松弛和蠕变。蠕变是指巩膜在恒定压力下，随着时间的延长，形变逐渐增加的特性。巩膜还具有各向异性，其不同方向的力学特性存在差异[4]。

2 巩膜的成分和结构

巩膜生物力学特性是以巩膜的成分和结构为基础的。与其他结缔组织相似，巩膜的成分主要包括胶原蛋白、蛋白聚糖（proteoglycans，PGs）、少量的弹性纤维和成纤维细胞，其中主要是胶原蛋白，约占巩膜干重的50%[7]。巩膜胶原主要是Ⅰ型胶原蛋白，约占其组成的95%，Ⅲ型、Ⅴ型和Ⅵ型胶原蛋白约占其余的5%[8-9]。胶原蛋白分子按不同的排列方式组装成胶原纤维，并依次组合成不规则的束，最终形成巩膜片层[10-11]。而PGs 存在于胶原纤维间隙，有助于调节胶原纤维的大小和结构。PGs 中含有一个或多个糖胺聚糖侧链，糖胺聚糖链上的硫酸盐残基携带负电荷，结合水产生不可压缩的“凝胶”，在维持巩膜生物力学特性方面具有重要作用[4,12-14]。

巩膜结构上由巩膜外层、巩膜基质层、巩膜板层及角巩膜缘、巩膜突等组成[4,15]。巩膜基质层（固有层）作为巩膜的主要分层，主导着巩膜的生物力学性质，其材料特性源于其组织中富含胶原的细胞外基质（extracellular matrix，ECM）的组成成分和结构。ECM 主要由胶原纤维支架、少量弹性纤维和无定形基质（如核心PGs、双糖链PGs等）[16]组成，也是决定巩膜生物力学特性的关键。与角膜基质层相比，巩膜基质层胶原纤维束的分支和交织更多，其程度随着组织深度和解剖位置而变化[17]，不同区域巩膜基质结构的区域性特化具有特殊的生物力学影响[4]。巩膜结构的微小变化即可引起明显的相应的生物力学特性改变，因此测量巩膜生物力学特性有利于早期诊断和治疗改变巩膜结构的疾病，近视巩膜生物力学特性的变化特征值得关注。

需要注意的是，在生物力学的文献中，通用术语“纤维”一词通常指巩膜上的胶原纤维排列。此外，一些利用可见光检查巩膜纤维微结构的技术中的“纤维”信号包含胶原蛋白和弹性蛋白成分。

3 巩膜生物力学特性测量

3.1 体外巩膜生物力学特性测量方法

巩膜生物力学特性的体外测量主要包括拉伸条带实验、膨胀实验和压痕实验3 种方法，在探明近视发生发展的机制方面发挥重要作用[6]。现阶段对近视巩膜的基本材料特性的了解大多来自对巩膜应力应变行为的拉伸条带测试，通过对人、树鼩和兔子等动物离体眼球的拉伸条带实验已确定巩膜是一种非线性材料，且随解剖位置变化显示出各向异性，这与巩膜ECM 结构区域性特化一致[18-19]。但该技术测试所需的巩膜组织带弯曲可能增加测量误差，且通过该测试获得可重复的测量需要预处理周期，从根本上改变了应力—应变反应。膨胀实验则更接近近视生理状态下的受力情况，该方法主要通过对实验压力—位移数据应用合适的计算模型来获得巩膜材料特性，但其局限性在于压力的控制难度较大，设备制作较为复杂，技术要求高[20]。而对巩膜的压痕实验研究相对较少，早期有研究[21]发现巩膜的径向压缩刚度，发现其抵抗垂直于组织平面压痕力的能力远小于抵抗圆周力。随着原子力显微镜的问世，使纳米压痕研究成为可能，可获得较为客观的形态结构数据以及巩膜不同层面的弹性模量[22]，有可能在临床测量活体巩膜刚度，但仍尚未实现。

3.2 体内巩膜生物力学特性测量方法

体外研究[23]表明，巩膜的生物力学特性随年龄和近视的进展程度而变化。因此，生物力学特性的体内测量有可能作为有价值的生物标志物，以检测近视进展的早期阶段，筛查近视进展的高风险人群。目前，体内测量巩膜生物力学特性可以通过逆向计算方法实现。首先需要改变作用在巩膜上的已知载荷之一，同时持续监测巩膜组织并测量由此产生的局部变形，只有这样才能估计巩膜的硬度（或生物力学特性），或者说是载荷变化与变形的比率。但是，这些“体内生物力学特性测试”需要在安全的生理范围内进行，且严格控制变量，即一次只能改变一个载荷，而其他载荷应保持不变[4]。GIRARD MJ 等[24]开发了一种三维跟踪算法，可以跟踪眼内压变化后后巩膜的位移和应变，该算法通过在眼内压变化前后使用光学相干断层扫描（optical coherence tomography，OCT）技术扫描目标位置的体积，然后对其进行机械转换，并于眼压变化后的变形OCT 体积进行最佳匹配，输出三维位移场，由此推导出拉伸、压缩和有效应变分量。此外还有虚拟场法[25]、预拟合法[26]等方法，各有利弊。

然而，体内巩膜生物力学仍处于起步阶段，OCT 设备的改进，如自适应光学、扫描源、多波长、相位敏感技术、微成像和补偿等图像处理技术，可能可以推进体内生物力学测量的质量和可用性水平。此外，其他新的成像方法，如布里渊显微镜和剪切波弹性成像如能成功应用于巩膜，也将有助于巩膜体内生物力学的发展。

4 近视发生和发展对巩膜生物力学特性的影响

近视多起自儿童及青少年时期，至20 岁后稳定或相对静止。青少年轴性近视的典型特征是后巩膜伸长[4]。随着近视的发生和发展，巩膜组成和结构逐渐发生变化。

在成分方面，近视进程中发生Ⅰ型胶原含量减少（合成减少、降解增加），透明质酸、硫酸糖胺聚糖和PGs 水平降低以及酶降解上调等显著变化[12]。虽然近视发生在生长发育的早期，其特征是眼轴变长，但其病因并非组织生长加速。巩膜生长在眼轴发育的早期就已停止，巩膜体积仅于从出生到2 岁前增加，此后正视眼和近视眼的巩膜体积基本保持不变[27]。人类的巩膜厚度随着眼轴增长而显著减小，在高度近视病例中，巩膜厚度仅占正常巩膜的31%[12]。由此说明近视眼轴增长主要是由于其独特的机制—巩膜重塑。巩膜重塑是基于巩膜组织接近体积守恒的微变形而引起的现有组织的重新排列，由此可导致其生物力学特性发生改变。

在结构方面，近视进程中巩膜胶原纤维直径明显减小，在透镜诱导的兔近视模型中快速（约2 周）发生[28]；而树鼩在诱导早期则无显著变化，在长时间（＞3 个月）透镜诱导近视后，胶原纤维直径才显著变小[29]，但胶原纤维直径变化的趋势与人高度近视巩膜超微结构的观察结果一致[4]。GRYTZ R等[30]基于逆向计算模型研究发现，近视巩膜胶原纤维的卷曲度会增加。与此同时，近视巩膜胶原纤维排列同样发生变化，如MARKOV PP 等[31]发现，近视后部巩膜胶原纤维排列的变化，视乳头周围巩膜环形排列的胶原纤维散开，趋于径向排列。然而仍需进一步研究证明这些变化是否与巩膜重塑直接相关，也有研究[31]认为这可能是源于巩膜对眼内压或眼球运动的机械适应。

这些成分和结构变化促使近视巩膜生物力学特性发生变化。在近视动物模型的研究[30]中发现，近视眼巩膜的弹性模量及最大应力低于正常眼，蠕变率则高于正常眼，且在后极部更为明显。即受力相同的情况下，近视眼巩膜更易发生形变，承载力更弱，且巩膜蠕变率随着近视的诱导或恢复，分别增加或降低。与巩膜蠕变率的变化相似，在近视发展或恢复期间发现过渡应变相应增加或减少[30]。过渡应变与胶原纤维卷曲度直接相关，代表巩膜胶原纤维拉直的应变水平[19]。PHILLIP JR 等[32]对树鼩形觉剥夺近视模型（formdeprivation myopia，FDM）的巩膜条带进行单轴拉伸实验，发现近视眼的巩膜厚度及破坏载荷低于正常眼，应变高于正常眼，认为巩膜最大载荷区别可能与巩膜厚度有关。ROMANO MR 等[33]对人近视眼及正视眼进行低负载静态应力测量，发现2 种眼球的应力—应变曲线均呈指数相应，但在生理应变范围内近视眼硬度低于正常眼，在较大应变时近视眼硬度高于正常眼。这些研究结果表明，巩膜生物力学特性的改变与巩膜重塑相同，也是近视发展的重要特征。近视眼巩膜弹性、承载力减弱等生物力学特性的变化可能导致眼球形变加重，近视程度进一步加重。

5 近视巩膜疗法对巩膜生物力学特性的影响

5.1 后巩膜加固术

后巩膜加固术是一种可行但倍受争议的病理性近视的治疗方式，通常适用于并发黄斑病变或后巩膜葡萄肿，采用移植物加强眼球后部薄弱巩膜来阻止眼球轴性增长，从而控制近视发展[4]。后巩膜加固术能够明显改善巩膜的力学特性，术后巩膜的刚度增加，蠕变率下降，弹性模量随时间而增加直至接近正常水平[34]。

5.2 巩膜交联

巩膜交联被认为是近视特别是病理性近视的潜在治疗方法。目前有多种方法可进行巩膜交联。经典的方法是使用紫外A激光联合维生素B2，但这种方法需要使巩膜暴露在紫外线下，而紫外A 激光能够穿过巩膜，因此有可能作用于视网膜产生安全隐患[12]。此外，还可使用化学交联剂如甘油醛[35]、京尼平[36]等，目前仍尚未见到相关人体试验的研究报道。但通过胶原交联，巩膜对蛋白水解酶的耐受性提高，硬度增大，生物力学特性得到改善，这在防止近视眼巩膜重塑和生物力学减弱的进程中具有决定性作用，可以防止眼轴的病理性增长，阻止近视的发生和发展。

6 小结

研究者对近视巩膜生物力学特性的关注日益增加。近视巩膜生物力学特性，以巩膜成分、结构变化为基础，与巩膜重塑密切相关，生物力学特性和巩膜重塑是近视眼轴增长的最终环节，也是近视发生发展的重要机制和特征，可能成为临床预测近视进展风险和预后的潜在指标。但目前在体巩膜生物力学测量仍处于探索阶段，需进一步研究巩膜生物力学的检测手段、更新计算模型，使未来在活体测量近视巩膜生物力学特性成为可能。但近视巩膜生物力学与分子生物学的相关研究少见，仍需进一步明确近视相关分子信号对巩膜生物力学的影响。而在近视的巩膜治疗方面，巩膜交联在近视动物模型中已取得显著进展，但其对于人类近视治疗的安全性和有效性仍有待于证实。