光学离焦时长对小鸡屈光度及眼轴向参数的影响

王剑超,穆廷魁,李 婷,刘子瑶,姚 亮,胡 笳,史 强

(1西安交通大学第二附属医院眼科,西安 710048;2西安交通大学光信息科学与技术系;3西安交通大学第一附属医院眼科;*通讯作者,E-mail:shiq1982@sina.com)

正视化是幼年动物眼球生长过程中在眼屈光系统的作用下,将眼球焦平面与眼轴长度相匹配,从而获得最优视觉质量的过程[1],通常认为,近视是正视化进程失败的结果。近年来近视在全球范围内患病率逐年上升,目前约28.3%,预计2050年将波及全球近一半人口,将达47亿[2],许多东南亚国家,年轻的成年人中近视患病率达到70%-80%,儿童的高度近视(≥-6D)发病率更是达到20%,高度近视易引起如视网膜脱离、白内障、青光眼、后巩膜葡萄肿、黄斑病变等严重并发症,可能致盲[3,4],带来沉重的社会和经济负担。世界卫生组织在“视觉2020行动”中,将屈光不正列为5个待消灭的“可避免盲”之一[5],而近视是最常见的屈光不正。

光学离焦可影响诸多物种的正视化过程,产生屈光不正,例如豚鼠[6]、绒猴[7]、鼠[8]、树鼩[9]和小鸡[10]。眼球生长调控信号分为促进信号(GO)及阻止信号(STOP)两种[9],眼球局部综合和平衡各种促进信号及阻止信号,从而决定眼球最终的生长方向和屈光状态。有关促进信号和阻止信号的研究已经普遍开展,在小鸡视觉发育期间,通过远视离焦(佩戴负透镜)可诱导出近视,即光学离焦性近视(lens-induced myopia,LIM),通过近视离焦(佩戴正透镜)可以诱导出远视,即光学离焦性远视(lens-induced hyperopia,LIH)[11],诱导出的近视/远视度数与所佩戴负/正透镜度数有关,但小鸡眼屈光度及眼轴向参数随光学离焦时长发展的具体规律,尚未有文献报道。本研究建立小鸡光学离焦性屈光不正模型,通过带状光检影验光及高频A超测量,系统描述光学离焦小鸡眼屈光度及轴向参数变化,为相关光学离焦研究的建模及采集数据时间点的选择提供参考。

1 材料与方法

1.1 实验动物及分组

7日龄来航鸡(white leghorn chicks)共92只,分8组,分别为近视离焦1,3,5,7 d四组(共41只,每组不少于8只),及远视离焦1,3,5,7 d四组(共51只,每组不少于8只)。水和食物不间断供应,定期更换,供小鸡自由采食。鸡房内保持25 ℃恒温,鸡笼内加暖灯调节温度28 ℃以上,12 h/12 h节律性昼夜照明(每天早7点及晚7点自动变更)。

实验动物由西安交通大学医学院动物实验中心提供,经眼部检查排除眼部疾患,实验动物和实验动物使用条件符合《实验动物管理条例》(国家科学技术委员会)。

1.2 实验方法

近视离焦组小鸡右眼佩戴+10D透镜,远视离焦组小鸡右眼佩戴-10D透镜,所有小鸡左眼均佩戴平光镜片作为对照。分别于戴镜前,及戴镜1,3,5,7 d后(每24 h计为1 d),行双眼带状光检影验光,高频A超测量眼轴向参数。

1.2.1 带状光检影验光 所有验光检查均由同一验光师双盲法使用手持带状光检影镜于暗室中进行,去镜时点与戴镜时点相同,保证小鸡戴镜时长。戴镜前及去镜后立即进行检影验光,记录水平及垂直方向上的屈光不正度数(精确到±0.5 d),并计算等效球镜度数(球镜度数+1/2柱镜度数)。

1.2.2 眼球轴向参数测量 采用配有30 MHz(PZ25-025-R1.00)传感器的高频专用A-扫描超声(Panametric,PR-5037R)系统,在100 MHz采样。取样不小于10个,取分析后数据的平均值作为最终数据。本研究中眼轴长度定义为角膜前顶点到后极部视网膜前表面的距离。

1.2.3 镜片的佩戴、清洁及检查 使用万能胶将圆环状尼龙贴固定于小鸡眶周羽毛,专用镜片固定于圆环状尼龙贴上,便于每日清洁镜片及调整镜片位置。每日至少清洁镜片一次,并保持镜片透明,固定牢固无移位。如发现镜片意外脱落或移位,则剔除该实验动物的所有数据。

1.3 统计学分析

将屈光度改变、玻璃体腔长度改变、脉络膜厚度改变、眼轴长度改变的双眼间差值(intraocular difference,IOD)定义为:(右眼n天-0天)-(左眼n天-0天);独立样本t检验比较右眼及左眼玻璃体腔长度(vitreous chamber depth,VCD),眼轴长度(axial length,AXL),脉络膜厚度(choroidal thickness,CT)和屈光度(refractive error)的变化;Pearson相关检验比较屈光度变化与VCD、AXL变化之间的相关性;多组间比较采用单因素方差分析,多组间两两比较采用post-hoc检验。数据使用SPSS21.0统计分析软件包进行分析,P<0.05为差异有统计学意义。

2 结果

戴镜前各组小鸡双眼屈光度、VCD、脉络膜厚度及AXL差异均无统计学意义(独立样本t检验,P>0.05)。

2.1 光学离焦小鸡眼屈光度变化

近视离焦小鸡戴镜1,3,5,7 d后,右眼屈光度向远视发展,左眼逐渐趋于正视化,左右眼屈光度改变相比,差异有统计学意义(P<0.001,见表1);屈光度改变的IOD显著不同(F=9.456,P<0.001),戴镜3 d较戴镜1 d组,屈光度改变的IOD显著增高(P<0.001),但戴镜5 d较戴镜3 d组,及戴镜7 d较戴镜5 d组,屈光度改变的IOD差异均无统计学意义(P>0.05,见图1)。

远视离焦小鸡戴镜1,3,5,7 d后,右眼屈光度向近视发展,左眼逐渐趋于正视化,左右眼屈光度改变相比,差异有统计学意义(P<0.001,见表1);屈光度改变的IOD显著不同(F=56.706,P<0.001),戴镜3 d较戴镜1 d组,及戴镜7 d较戴镜5 d组,屈光度改变的IOD显著增高(P<0.05),戴镜5 d较戴镜3 d组,屈光度改变的IOD差异无统计学意义(P>0.05,见图2)。

表1 光学离焦小鸡屈光度改变

与1 d组相比，***P<0.001图1 近视离焦(+10D)小鸡屈光度改变的双眼间差异Figure 1 IOD of changes in refractive error in chicks wearing +10D lens

与1 d组相比，***P<0.001；与5 d组相比，#P<0.05图2 远视离焦(-10D)小鸡屈光度改变的双眼间差异Figure 2 IOD of changes in refractive error in chicks wearing -10D lens

2.2 光学离焦小鸡眼玻璃体腔长度(VCD)变化

近视离焦小鸡戴镜1,3,5,7 d后,右眼VCD负增长或不增长,左眼VCD正常增长,双眼VCD改变相比,差异有统计学意义(P<0.001,见表2);VCD改变的IOD显著不同(F=4.607,P<0.01),戴镜3 d组较戴镜1 d组VCD改变的IOD显著增高(P<0.001),戴镜5 d组较戴镜3 d组,及戴镜7 d组较戴镜5 d组,VCD改变的IOD差异无统计学意义(P>0.05,见图3)。

远视离焦小鸡戴镜1,3,5,7 d后,右眼VCD加速增长,左眼VCD正常增长,双眼VCD改变相比,差异有统计学意义(P<0.01,见表2);VCD改变的IOD显著不同(F=35.004,P<0.001),戴镜3 d较戴镜1 d组,及戴镜5 d较戴镜3 d组,VCD改变的IOD均显著增高(P<0.01),戴镜7 d较戴镜5 d组,VCD改变的IOD差异无统计学意义(P>0.05,见图4)。

表2 光学离焦小鸡玻璃体腔长度(VCD)改变

与1 d组相比，***P<0.001图3 近视离焦(+10D)小鸡玻璃体腔长度改变的双眼间差异Figure 3 IOD of changes in VCD in chicks wearing +10D lens

与1 d组相比，***P<0.001；与3 d组相比，##P<0.01图4 远视离焦(-10D)小鸡玻璃体腔长度改变的双眼间差异Figure 4 IOD of changes in VCD in chicks wearing -10D lens

2.3 光学离焦小鸡眼眼轴(AXL)长度变化

近视离焦小鸡戴镜1,3,5,7 d后,右眼AXL呈现负增长至小幅度正增长,左眼AXL正常增长,双眼AXL改变相比,差异有统计学意义(P<0.001,见表3);AXL改变的IOD显著不同(F=5.024,P<0.01),戴镜3 d较戴镜1 d组AXL改变的IOD显著升高(P<0.001),但戴镜5 d较戴镜3 d组,及戴镜7 d较戴镜5 d组AXL改变的IOD差异无统计学意义(P>0.05,见图5)。

表3 光学离焦小鸡眼轴长度(AXL)改变

与1 d组相比，***P<0.001图5 近视离焦(+10D)小鸡眼轴长度改变的双眼间差异Figure 5 IOD of changes in AXL in chicks wearing +10D lens

远视离焦小鸡戴镜1,3,5,7 d后,右眼AXL加速增长,左眼AXL正常增长,双眼AXL改变相比,差异有统计学意义(P<0.01,见表3)。AXL改变的IOD显著不同(F=33.050,P<0.001),戴镜3 d较戴镜1 d组,戴镜5 d较戴镜3 d组AXL改变的IOD均显著增高(P<0.01),戴镜7 d较戴镜5 d组AXL改变的IOD差异无统计学意义(P>0.05,见图6)。

与1 d组相比，***P<0.001；与3 d组相比，##P<0.01图6 远视离焦(-10D)小鸡眼轴长度改变的双眼间差异Figure 6 IOD of changes in AXL in chicks wearing -10D lens

2.4 光学离焦小鸡眼脉络膜厚度变化

近视离焦小鸡戴镜1,3,5,7 d后,右眼脉络膜增厚,左眼脉络膜厚度变化不大,双眼脉络膜厚度改变相比,差异有统计学意义(P<0.05,见表4);脉络膜厚度改变的IOD显著不同(F=7.578,P<0.001),戴镜5 d较戴镜3 d脉络膜厚度改变的IOD显著降低(P<0.05),但戴镜3 d较戴镜1 d,及戴镜7 d较戴镜5 d脉络膜厚度改变的IOD差异无统计学意义(P>0.05,见图7)。

表4 光学离焦小鸡脉络膜厚度(CT)改变

与3 d组相比，*P<0.05图7 近视离焦(+10D)小鸡脉络膜厚度改变的双眼间差异Figure 7 IOD of changes in choroidal thickness of+10D lens-wearing chicks

远视离焦小鸡戴镜1 d后,右眼脉络膜厚度稍有变薄,左眼脉络膜厚度无明显改变,双眼脉络膜厚度改变相比,差异有统计学意义(P<0.01),戴镜3,5,7 d的左右眼脉络膜厚度改变相比,差异无统计学意义(P>0.05,见表4);脉络膜厚度改变的IOD显著不同(F=3.292,P<0.05),但戴镜3 d与戴镜1 d,戴镜5 d与戴镜3 d,戴镜7 d与戴镜5 d差异均无统计学意义(P>0.05,见图8)。

图8 远视离焦(-10D)小鸡脉络膜厚度改变的双眼间差异Figure 8 IOD of changes in choroidal thickness of -10D lens-wearing chicks

2.5 光学离焦性屈光不正小鸡屈光度改变与VCD、脉络膜厚度、AXL改变的相关性分析

近视离焦组小鸡戴镜1,3,5,7 d后,屈光度改变的IOD与VCD、AXL改变的IOD显著相关(r=-0.806,-0.778,P<0.001),亦与CT改变的IOD显著相关(r=-0.281,P<0.05)。

远视离焦组小鸡戴镜1,3,5,7 d后,屈光度改变的IOD与VCD、AXL改变的IOD显著相关(r=-0.401,-0.429,P<0.01),但与脉络膜厚度改变的IOD无显著相关性(r=-0.149,P=0.352)。

3 讨论

眼球的生长调控信号中,近视离焦可激活阻止信号,延缓眼球生长,远视离焦可激活促进信号,使眼球生长速度加快[9,12,13]。本研究对小鸡光学离焦性屈光不正的形成和发展进行了详细和系统的描述和分析,小鸡佩戴+10D/-10D透镜近视/远视离焦,戴镜1,3,5,7 d后,分别诱导出不同程度的远视/近视,这与先前小鸡眼光学离焦能够诱导出相应的屈光不正的研究结果相一致[11],再一次证实了小鸡眼球生长发育过程中,可对一定程度的光学离焦进行代偿,从而诱导出相应程度的屈光不正。

本研究中,近视离焦小鸡眼戴镜3 d后诱导出的远视度数基本稳定,而远视离焦小鸡眼诱导出的近视度数,随戴镜时间增加而不断增长。首次表明+10D近视离焦对小鸡眼生长的“阻止信号”,3 d即达峰值,并可平稳保持(戴镜5 d组与戴镜3 d组,及戴镜7 d组与戴镜5 d组屈光度、VCD及AXL改变的IOD差异无统计学意义);而-10D远视离焦对小鸡眼生长的“促进信号”,在戴镜期间持续增长,戴镜7 d可能达到峰值(戴镜7 d组与戴镜5 d组VCD及AXL改变的IOD差异无统计学意义),但仍需延长戴镜时间,进一步研究证实。这对相关光学离焦性屈光不正研究的建模,以及针对“促进信号”及“阻止信号”研究的数据采集时间点的选择提供了可靠依据。

无论是哺乳动物还是非哺乳动物,眼球生长的调控信号均位于眼球局部,切断视神经并不能阻止眼球对促进信号或阻止信号产生应答[6],近年来,有关眼球生长局部调控的研究逐渐集中于脉络膜,针对近视发展过程中脉络膜基因表达的研究日益丰富,脉络膜接受来自视网膜色素上皮细胞的信号,发生一系列基因表达变化,从而影响巩膜生长,改变眼球形态[13]。本研究中,无论近视离焦或远视离焦,脉络膜厚度的变化均主要发生在戴镜时间较短的样本中,近视离焦小鸡戴镜3 d组脉络膜增厚最为显著,远视离焦小鸡戴镜1 d组脉络膜显著变薄,脉络膜厚度改变的IOD与屈光度改变的IOD在近视离焦小鸡中无显著相关性(r=-0.149,P=0.352),在远视离焦小鸡中仅低度相关(r=-0.281,P<0.05)。脉络膜厚度变化与屈光度之间的关系尚存争议。脉络膜血运丰富,其厚度在1 d之中存在较大的节律性波动[12],测量时间点不同,也可能导致测量结果的偏差。进一步有关屈光不正的脉络膜变化的研究中,应更加严格地规划测量/取材时间,着重观测戴镜早期脉络膜改变,以期发现脉络膜厚度/基因表达与屈光不正发生发展的相关性。

综上所述,本研究中近视/远视离焦小鸡分别在戴镜前及戴镜后不同时间点进行相关测量,详细而系统地描述了光学离焦诱导小鸡眼屈光度及相关眼轴向参数随戴镜时间的变化规律,证实了光学离焦能够影响小鸡眼球生长发育,使其对镜片屈光度做出相应补偿,同时产生VCD及AXL的相应变化,并首次找出了小鸡眼对+10D近视离焦及-10D远视离焦达到完全补偿的时间点,对相关光学离焦性屈光不正研究的建模及数据采集时间点的选择提供了可靠依据。而脉络膜厚度的变化主要发生在戴镜时间较短的样本中,揭示了针对屈光不正相关的脉络膜实验,应更加注重干预早期脉络膜厚度或脉络膜相关基因表达的改变。