圆锥角膜胶原交联的生物力学及眼压测量值变化的研究进展

陈昕纬 周浩 褚仁远

·综 述·

圆锥角膜胶原交联的生物力学及眼压测量值变化的研究进展

陈昕纬 周浩 褚仁远

新兴的角膜胶原交联手术透过增强角膜硬度来阻止和延缓圆锥角膜的发展，通过眼反应分析仪能够了解手术治疗后角膜生物力学的改变，而针对非正常生物力学的角膜，眼压测量值容易失真，造成青光眼的漏诊或误诊；本文就近几年对圆锥角膜患者行角膜胶原交联前后的生物力学和眼压测量的研究进行综述。

圆锥角膜（keratoconus，KC）是一种非炎症性，角膜基质进行性变薄的病理改变，目前认为圆锥角膜硬度下降是因为基质层胶原纤维组成的网状结构交联下降引起［1］。研究［2-3］表示，在老年人群和糖尿病中圆锥角膜极为罕见，这是因为随年龄增加，角膜基质内胶原分子的糖基化使角膜胶原纤维增粗、变硬；而糖尿病患者角膜基质内的糖基化反应使胶原交联，从而增强角膜基质强度。受此启迪，国外学者［4］近年研究出以紫外光-核黄素角膜胶原交联（collagen cross-linking，CXL）的方法治疗圆锥角膜，借由增加胶原连接的数量，使KC的进展趋于稳定。

对于KC患者来说，行CXL前后角膜生物力学都属非正常，而角膜生物力学的异常又会使眼压测量产生误差，如何准确测量KC或CXL术后患者的眼压成为新的关注点。

1 紫外光-核黄素角膜胶原交联

1.1 原理 光敏剂核黄素（即维生素B2）在370 nm波长紫外光作用下，被激发到三线态，产生以单线态氧为主的活性氧族。活性氧族可以与各种分子发生反应诱导胶原纤维的氨基（团）之间发生化学交联反应（Ⅱ型光化学反应），从而增加了胶原纤维的机械强度和抵抗角膜扩张的能力，370 nm正是核黄素的吸收峰长。

1.2 安全稳定性 目前KC患者行CXL术后长期观察结果皆稳定。CXL术后1年患者的裸眼视力（uncorrected visual acuity，UCVA）、最佳矫正视力（best spectacle-corrected visual acuity，BCVA）有显著提升，因为CXL显著降低角膜APP、AK、角膜波前像差、总波前像差［5］，前节相干光断层扫描（optical coherence tomography，OCT）检查可见基质分界线，分界线越深，角膜厚度减少越多［6］。所有的临床参数（BCVA、K值、像差、内皮细胞密度、眼压）保持稳定，提示KC为稳定状态。Raiskup-Wolf等［4］对术后1～3年患者随访结果也显示角膜陡峭度下降，BCVA改善或保持；术后4年的随访［7］发现治疗效果稳定，无相关副反应，BCVA和UCVA提升，K值减少2 D，角膜对称性提高，角膜像差减少。

2 角膜生物力学

2.1 意义 角膜是生物材料，具有各向异性和黏弹性的生物力学性能。各向异性指的是角膜板层及胶原纤维的分布、走行有其特殊规律；角膜板层方向分布不是随机的，而是按1、2个首选的方向分布［8］，前部基质板层间排列比后部更加致密，具有更多倾斜分支和交联［9］。黏弹性表现为蠕变、应力松弛和滞后三大特征。角膜的生物力学属性取决于胶原纤维、胶原纤维束和它们的空间结构组成，不同病理生理条件下角膜生物力学强度存在差异，透过角膜生物力学情况可以协助诊断，推测病情进展，进一步选择合宜的治疗方式。

2.2 测量方法 目前临床测量活体角膜生物力学参数应用最广泛的是眼反应分析仪（ocular response analyzer，ORA）。它与非接触式眼压计（non-contact tonometry，NCT）测量方法非常相似，测量的准确度却显著提高，且相对不受中央角膜厚度（central corneal thickness，CCT）的影响。它透过平行气流脉冲和精密的光电系统得到角膜在被压平和回复过程中两次压平眼压值，并记录其随时间改变的曲线，由此分析角膜受外力时产生形变的大小和时间的关系、去除外力时角膜形态恢复与时间的关系来分析角膜生物力学强度，得到相应的检测参数即角膜滞后量（corneal hysteresis，CH）和角膜阻力因素（corneal resistance factor，CRF）。CH为内向压平压和外向压平压的差值，反映角膜的黏滞性，即角膜组织吸收和消散能量的能力；CRF反映角膜的总体硬度，即黏性阻力和弹性阻力之和。

3 圆锥角膜生物力学

目前的研究普遍认为KC患者角膜的生物力学强度低于正常，且病情发展越严重，角膜生物力学强度下降越多［10-12］。Piñero等［11］按Amsler-Krumeich评分系统将KC患者分为轻、中、重度3组，分别以ORA测CH、CRF，并测量像差及角膜地形图，发现重度KC患者CH显著降低，CRF与KC严重程度成反比。他认为严重的圆锥角膜CRF降低的原因是角膜结构改变，大大影响角膜弹性。此外，在重度圆锥患者上，球面像差的大小与CRF有强相关性（球面像差越大，CRF越小）。他认为可能原因是，低CRF代表的生物力学改变是倾向于在承受眼压或眼睑压力时更易发生形变，故也容易发生角膜形状不规则，产生球面像差，但仍需进一步研究。另外他也发现，角膜生物力学参数的改变会先于角膜地形图及像差的改变。Saad等［12］认为KC病程的渐进发展与角膜生物力学的不断改变关系密切，而后者反映在CH、CRF的下降，但因为正常或不同严重程度的KC患者CCT不同，对CH、CRF测量会造成误差，故光凭这两个参数并不能确诊圆锥。动态轮廓眼压计（dynamic contour tonometry，DCT）为近年新发展的测量工具，它的测量头弧度与角膜能相贴合，减少因角膜形变而造成的测量误差。Read等［13］提出一个新论点，他认为既然NCT显然受角膜生物力学影响而DCT不然，则DCT与NCT的差值正可以反映角膜特性异常患者的角膜生物力学特性，可代表KC的严重程度。

4 圆锥角膜交联后生物力学

多数研究认为KC患者行CXL后角膜硬度会增加［4，14-15］，这种增加可能与角膜及眼的刚度增加有关；眼刚度是反映眼球弹性特性的可测参数。Wollensak等［16］对人及猪角膜CXL后行应力-变力试验，发现人角膜刚度增加330％，猪增加70％，他认为人角膜刚度增加较显著的原因是人角膜较猪眼薄，所以行CXL反应的相对比例也就较大：交联深度约为300μm，剩余未交联部分会抵消其硬化效果。其后他又对CXL后8个月兔角膜做应力-变力试验，发现角膜硬度明显上升，刚度上升85％［17］。相对人眼的330％、猪眼的70％，兔角膜厚度是当中最薄的，但刚度提升都不如预期般有最大比例的增加。针对这个结果，他认为原因为2点：其一，兔眼的角膜基质胶原与人类特性不同；其二，不同物种角膜紫外光吸收率存在差异，兔角膜低于人角膜，故由紫外光媒介引发的交联作用也较小。此外许多研究［4，5，7，15，18］发现CXL后患者角膜变得较平坦，说明对圆锥角膜在生物力学上可以起到强化作用，在形态上亦是有所改善的。有少数研究［18-19］得出相反结论，对比术后半年患者ORA参数，发现CH及CRF与术前差异无显著性。

5 交联对圆锥角膜患者眼压测量值的影响

眼压测量受整个眼球的弹力及硬度影响，而角膜又是形成后者的重要部分。眼压会使角膜组织被动扩张，进而改变角膜形状，角膜这种顺应眼压而伸展的程度会受角膜组织厚度、弹性特质、其他机械力的影响［20］；圆锥角膜患者角膜生物力学薄弱，容易在眼压作用下进一步扩张，故患者的眼压监测尤其重要，然而却又因角膜生物力学的减弱而导致眼压测量产生误差；经过CXL处理后的角膜生物力学再度发生改变，眼压的测量也容易有误差。目前测量眼压的方法主要包括：Goldmann眼压计（Goldmann applanation tonometry，GAT眼压计）、非接触式眼压计（non-contact tonometry，NCT）、Tono-Pen眼压计（Tono-Pen tonometry，TP眼压计）、DCT、ORA。GAT为测量眼压的金标准，其设计针对健康且平均厚度的角膜最为精准；NCT借由气体脉冲压平角膜得到测量值，同样也受角膜性质影响；TP眼压计是手持接触式眼压计；ORA的两次压平眼压平均值即模拟Goldmann眼压值（Goldmann correlated IOP value，IOPg），理论上与GAT结果接近；角膜补偿眼压（corneal compensated intraocular pressure，IOPcc）是根据CH所得信息对IOP进行校正所得到的眼压值［IOPcc=P2-（0.43×PI）］，即减少角膜本身特性对眼压测量的影响，能比GAT更好地反映真实眼压。

5.1 圆锥角膜患者眼压 KC患者角膜生物力学减弱，角膜抗张能力降低，施以较小外力即可使角膜达成压平状态，故基于压原理设计的传统眼压计［21］在KC都会得到低于真实的数值。相较起来，DCT较不受角膜特性的影响，在KC的患者使用更为可靠［13，22-23］。为寻找适合KC患者的眼压计，许多学者进行了相关的研究。Papastergiou等［23］以GAT、DCT、NCT为正常人和KC患者测量眼压，发现KC组测得的眼压都低于正常组，其中GAT和NCT组眼压差距显著大于DCT，DCT不受CCT影响，提示以DCT为圆锥角膜患者检测眼压较为准确。Mollan等［22］认为，现在最适合KC患者眼压测量的工具是DCT和ORA的IOPcc；角膜特性例如CH、CRF可能比CCT更影响压平眼压的测量准确度。他用GAT、ORA、DCT、TP眼压计比较正常人和KC患者眼压，发现各组间的测量结果差异有显著性，所有测量结果除了正常组的IOPg以及KC组的IOPcc，都高于GAT的测量值，KC组CCT、CH、CRF都显著低于对照组。除了DCT，其他测量工具得到的结果都倾向于与CCT有正相关。Bayer等［24］比较GAT、DCT、ORA测量KC患者眼压的结果，发现DCT的结果会受CH、CRF影响，DCT测量值高于GAT；Goldich等［19］比较KC患者ORA和GAT测量结果，发现IOPcc高于GAT，GAT高于IOPg。

5.2 圆锥角膜交联后眼压 行角膜胶原交联治疗后，因为角膜生物力学的强化，眼压测量值往往是高于术前的。在离体研究方面，Romppainen等［25］用人角膜体外研究，在恒定的灌注压（10～40 mm Hg，1 mm Hg=0.133 kPa，每5 mm Hg上升一段）下行CXL前后的眼压测量，结果显示，用每种眼压计（GAT/DCT/TP）测出的CXL术后眼压都会高估，根据眼压计的不同，误差1.8～3.1mm Hg不等，这种微幅的偏高与以往的非随机临床试验结果一致［14-15］。其中术前、术后最不准确的都是TP眼压计，与Eisenberg等［26］的说法一致：TP眼压计在较低眼压时高估，较高眼压时低估；值得注意的是GAT，虽然误差值微小，但出现时而高估时而低估的情况，故作者认为TP眼压计和GAT并不是随访CXL术后眼压的理想工具。而既往研究发现CXL后角膜硬度增加330％［16］，但实际上眼压测量值的偏高却很微幅，两者之间并不成正比。对于这个情况，推论原因为CXL的作用仅在角膜中央8 mm、深度300μm范围内，更深及更周边的角膜并没有被作用到所导致；在活体研究方面，则无法直接定量眼压测量值与真实值之间的差距，但从研究中可以发现术后的眼压测量值一般是增高的。Kymionis等［27］测量了KC患者行CXL术前及术后半年、1年的GAT，发现患者的术后眼压与术前相比显著升高，眼压的升高与患者年龄、术前角膜厚度、K值无关，推论可能与角膜硬度增加以及生物力学的改变有关；术后半年及1年的差异无显著性。但作者提出，尽管相信是CXL后角膜刚度和弹性的改变造成IOP读数偏高，但不排除CXL后患者真实IOP增高的可能性；可能是手术造成房水动力学改变（小梁网途径外流减少），也可能是手术过程对IOP测定有目前未知的影响。有研究者［19］发现眼压测量值有动态变化的过程，IOPcc跟IOPg短期内上升，半年后回到术前标准。IOPg的测量结果受CRF、CCT角膜曲率影响［28］，而许多研究表示CXL后CCT和角膜曲率都会发生改变，故作者认为IOPg作为CXL后的眼压检测不够精确。相反的研究［18］结果也有，发现CXL术后半年患者的CH、CRF、IOPg、CCT与术前差异不显著，但IOPcc却下降，作者推论CXL并没有对角膜生物力学参数测量造成影响；IOPcc的下降原因不明确，可能与CCT的微量变薄有关。

6 总结与展望

综上所述，对KC患者来说，紫外光-核黄素角膜CXL是安全、有效的治疗方法，应以ORA定期监测生物力学，针对病情进展决定合适的治疗方案，以DCT监测眼压，严防青光眼误诊漏诊。但因为此术式开展时间较短，是否会有长期的损伤或副反应目前无法肯定，交联效果维持期也有待观察，远期的术后监测对评估手术效果是必需的。

在今后的发展中，需克服以下问题：①ORA对角膜形态明显不规则的受试对象测量重复性不佳；有研究者［18］推论原因是KC的结构不均匀，对称性低，对ORA的气体脉冲反应产生的形变异于正常角膜。假如能寻找到更合适的工具或修正公式，对病情监控会大有助益。②既往因为缺乏离体模型，圆锥角膜真实眼压和测量眼压间的误差值与角膜生物力学的关系曲线无法明确，相关研究甚少；近期有圆锥角膜离体模型成功建立［29］，若能在此基础进一步研究得出两者关系曲线，对圆锥角膜患者的眼压监控便可更加精准。除圆锥角膜以外，其余角膜生物力学非正常的情况，如角膜边缘变性、角膜移植术后、青光眼患者，或是角膜屈光手术患者，都应寻求建立不同病况下角膜生物力学与眼压的关系曲线，对临床治疗方案有指导意义。

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2012-09-26）

（本文编辑 诸静英）

复旦大学附属眼耳鼻喉科医院眼科 上海 200031

周浩（Email：zheent＠139.com）