圆锥角膜胶原交联在体生物力学效应研究进展

戴至豪 陈跃国

作者单位：北京大学第三医院眼科，北京 100191

圆锥角膜是一种扩张性角膜疾病，以进展性的角膜变薄和突出为特征，重度圆锥角膜可导致严重视力损伤。圆锥角膜多发生于20～30 岁青少年，并在40 岁后逐渐趋于稳定，其患病率因种族和地理位置而异，已报道的亚洲人群患病率约为1.5%～5%[1]。在儿童（0～17岁）中，圆锥角膜的患病率约为0.16%，并表现为更严重和更快的进展[2]。

角膜交联手术（Corneal cross-linking，CXL）是延缓圆锥角膜进展的首选手术治疗方案[3]。在体生物力学评估技术可以早期发现角膜在压力作用下的病理性形变，在圆锥角膜的早期诊断和CXL后评估中具有潜在优势。本文就圆锥角膜CXL在体生物力学效应的研究进展进行综述。

1 圆锥角膜的生物力学特性

角膜是具有黏弹性的生物组织，可在眼内外压力作用下发生规律性形变。角膜各层结构对总体生物力学性质的贡献各异，但公认的是，角膜基质层是决定角膜总体生物力学性质的关键结构。

在圆锥角膜患者中，角膜多层结构发生改变，共同作用使得角膜强度和硬度降低，在眼压的作用下形态发生进行性改变[4]。

相比于传统的形态学评估，在体生物力学评估对于圆锥角膜的早期诊断可能具有更大价值。许多研究表明在圆锥角膜患者中，角膜生物力学特性可能早于角膜形态出现改变，在早期圆锥角膜、亚临床圆锥角膜或顿挫型圆锥角膜（Frome fruste keratoconus，FFKC）的诊断中可能更具有优势[5]。生物力学技术在未来可能成为圆锥角膜主要的诊断和评估方法。

2 在体角膜生物力学特性的主要测量方法

2.1 眼反应分析仪

眼反应分析仪（Ocular response analyzer，ORA）是最早的在体角膜生物力学测量方法。它通过对角膜施加脉冲性气流使得局部表面迅速弯曲并回弹，这一过程被仪器记录，并经计算得出2 个基本参数：角膜滞后量（Corneal hysteresis，CH）和角膜阻力因子（Corneal resistance factor，CRF）。研究表明，圆锥角膜眼的CH和CRF值低于正常眼[6]，然而其诊断价值有限，对于鉴别轻度圆锥角膜和正常角膜的准确性较差[7]。此外，ORA还提供一组描述角膜压平反应的波形参数，部分在诊断圆锥角膜，尤其是FFKC时具有更大价值[8]。

2.2 可视化角膜生物力学分析仪

可视化角膜生物力学分析仪（Corneal visualization Scheimpflug technology，Corvis ST）是目前临床在体生物力学的最新测量设备，不同于ORA，Corvis ST采用超高速Scheimpflug相机全程跟踪角膜形变的动态过程，直接测量得到多个动态角膜反应（Dynamic corneal response，DCR）参数，以间接反映角膜的生物力学特性。其中部分参数，如压平长度、压平速率和变形幅度（Deflection amplitudes，DA）等，被证明在正常和圆锥角膜眼间存在明显差异[9]。目前已可联合多个DCR参数，并结合眼前节测量评估系统（Pentacam HR），综合得到断层和生物力学指数（Tomographic and biomechanical index，TBⅠ）[10]、角膜生物力学指数（Corneal biomechanical index，CBⅠ）[11]、应力应变指数（Stress-strain index，SSⅠ）[12]等，对圆锥角膜的诊断更具价值。

此外，Corvis ST有助于评估圆锥角膜严重程度。CBiF（CBⅠ factor）由CBⅠ经线性变换得出，该参数定义的圆锥角膜严重程度与Belin ABCD圆锥角膜分级（Belin ABCD keratoconus staging）高度相关[13]。Flockerzi等[14]基于CBiF创建了生物力学分期参数E（Biomechanical E-staging），它可能优于目前传统形态学分级方法。

然而，对Corvis ST参数的解读需考虑种族差异。现有正常值基于南美和高加索混合人群的研究而得出，直接采用软件评估其它种族人群可能会造成结果的偏差。Vinciguerra等[15]报道了在高加索和中国健康受试者中，角膜硬度参数（Stiffness parameter at applanation 1，SP-A1）、水平方向Ambrosio相关厚度（Ambrosio's relational thickness to the horizontal profile，ARTh）和SSⅠ均存在显著差异，这可能会导致在采用生物力学方法进行屈光术前筛选时出现潜在的假阳性。而不同Corvis ST参数的种族差异仍需进一步研究。

3 CXL对在体角膜生物力学的影响

CXL最早在1998 年被报道，是进展性圆锥角膜的重要治疗手段[16]。标准CXL（Standard CXL，S-CXL）治疗遵循Dresden方案[17]。在此基础上，更多的方案如快速CXL（Accelerated CXL，A-CXL）、跨上皮CXL（Transepithelial CXL，T-CXL）、跨上皮快速CXL（Accelerated transepithelial CXL，ATE-CXL）、离子电渗辅助CXL（Ⅰontophoresis-assisted CXL，Ⅰ-CXL）等也相继出现[18]。

CXL通过氧化和糖基化途径促进角膜前部基质胶原间形成交联，提高胶原密度、直径以增强角膜的硬度。许多离体动物实验监测到了这一过程导致的角膜生物力学的改变[4]。建立CXL的在体角膜生物力学模型有助于评估不同交联方案的疗效，预测患者病情变化，具有重要的临床意义。

3.1 CXL前后ORA参数的变化

Goldich等[19]最早于2009年，用ORA评估S-CXL对角膜生物力学性质的影响，研究表明ORA的2个基本参数（CH与CRF）在S-CXL治疗前后无明显改变。后续大多数研究中这2个参数在术后短期及长期均未发生显著改变[20-21]，且在CXL的不同方案，如A-CXL[22-23]、T-CXL[24]、ATE-CXL[25]中呈现同样的结果。一些研究者进一步引入波形参数，发现仅有第2次压平波形相关参数（P2 area）发生改变，然而这一发现提示角膜黏性阻尼的改变，无法被解释为交联的效应[26-27]。总体来说，ORA可能不具备足够的灵敏度以监测角膜CXL前后的生物力学性质改变[28]。

也有少数研究者得出不同结果，Salouti等[29]按检测质量进行筛选后，发现患者CXL后CRF值显著下降，而Bernardo等[30]发现在术后Kmax下降的患者亚组中，CXL后CH与CRF值显著下降。这些发现也提示已有研究受限于样本量和测量数据的质量，对ORA价值的评估应有更进一步的证据。

3.2 CXL前后Corvis ST参数的变化

近年来，Corvis ST已逐渐取代ORA，成为在体评估角膜生物力学特性的最主要设备。研究发现CXL前后多个DCR参数发生改变。部分参数在不同研究中交联前后的变化趋势相同，如第1次压平长度（A1 length）、第1次压平时间（A1 time）、最大压陷时曲率半径（HC radius）及两峰间距（Peak distance）升高，2 mm处变形幅度比值（Deformation amplitude ratio at 2.0 mm，DAR2）降低，提示角膜硬度增加[21,31-33]，交联后1个月可能更显著[34]。然而，由于测量受到多方面因素，尤其是患者眼压和角膜厚度的影响[35]，以上参数在部分研究中并未观察到显著改变，其价值有待进一步证实[29,36]。此外，第2次压平相关参数，包括第2次压平长度（A2 length）、时间（A2 time）及速度（A2 velocity）的改变趋势在不同研究间存在矛盾，可能不足以评估CXL前后角膜生物力学特性的变化。

相比于直接测量获取的参数，一些综合参数可能具有更大的价值。几乎所有研究均显示CXL后，患者SP-A1 升高，综合半径（Ⅰntegrated inverse radius，ⅠR）降低。这2个参数的改变最早于术后1个月出现，而ⅠR的改变可持续长达4年[21,33]。SP-A1与ⅠR可能是未来CXL前后生物力学评估的关键参数[37]。然而，研究表明，SP-A1的测量与患者眼压和角膜厚度相关，在交联后的评估中可能需要予以校正[38-39]。此外，刘国英等[40]首次使用SSⅠ评估患者CXL前后角膜硬度变化，研究表明术后3个月SSⅠ较术前明显增加，但在术后6个月后回退至术前水平。SSⅠ由算法估计角膜的应力-应变曲线得出，与患者年龄相关，而不受角膜厚度及眼压影响[41]，尽管SSⅠ对评估角膜硬度的变化具有较大价值，但对于CXL后中远期的疗效评估价值还需进一步研究完善。

有研究者尝试采用Corvis ST参数，比较不同交联方案生物力学效应的差异，但Corvis ST参数是否能有效量化不同方案生物力学效应的差异仍值得探讨[42-43]。

此外，Flockerzi等[44]报道了A-CXL前后Corvis ST提供的CBiF与E分期的变化，研究表明术后5个月CBiF值显著降低，E分期显著增加；在术后11 个月及23 个月则与术前无显著差异。术后短期内的假性进展可能受到该时期测量不准确的最薄点角膜厚度（Thinnest corneal thickness，TCT）的影响，而其后的结果则表明了CXL术后的长期稳定性。CBiF与E分期可能对CXL术后稳定性的评估具有一定价值，然而还需更大规模的TCT依赖性分析进行验证。

3.3 交联联合屈光矫正术后Corvis ST参数的变化

一些研究者使用Corvis ST探究激光矫正联合CXL是否可起到稳固角膜强度的作用。Xu等[45]分析了飞秒激光辅助制瓣的准分子激光原位角膜磨镶术（Femtosecond laser assisted-laser in situ keratomileusis，FS-LASⅠK）联合A-CXL术前后22只眼生物力学参数的改变，发现尽管在术后短期内多个角膜生物力学参数发生暂时性改变，但长期随访结果与术前无明显差异。Lee等[46]比较了单纯经上皮准分子激光角膜切削术（Photorefractive keratectomy，PRK）与PRK联合A-CXL术后参数的改变，2组患者术后均出现DAR2及ⅠR值的升高，但联合A-CXL术后参数变化幅度显著较小，表明A-CXL能有效减少PRK术后角膜强度的降低。类似治疗方案所引起的角膜生物力学改变仍需更全面的研究。

3.4 儿童圆锥角膜交联后Corvis ST参数的变化

对于儿童圆锥角膜患者，仍缺乏评估CXL生物力学效应的研究。Jian等[47]比较了28名儿童患者行ATE-CXL前后Corvis参数的改变，术后1年患者A1 time、A1 length、HC radius、SPA1等多个参数发生改变，均提示角膜强度的增加。然而相比成人患者，儿童圆锥角膜表现出更强的进展性及更高的CXL术后复发率，术后长期评估结果有待进一步研究。

4 总结与展望

尽管许多在体生物力学试验已经提示，进展性圆锥角膜经CXL后角膜生物力学特性明显增强，但对于CXL在体生物力学效应仍未形成公认的评估标准，基于形态的角膜地形图检查仍是交联疗效的主要评估方法。Corvis ST作为目前临床广泛应用的在体生物力学测量仪器，对其结果的解释也应持有更谨慎的态度，新的参数或多参数的联合、更大样本量及更长随访时间的研究仍然是未来的方向。目前其参数仅可作为在体的生物力学证据，以辅助佐证交联疗效。综上所述，对评估CXL的疗效，在体生物力学测量方法展现出巨大的潜力，但仍有较多未知的问题等待探索。

利益冲突申明 本研究无任何利益冲突

作者贡献声明 戴至豪：参与选题、设计及资料的分析和解释；撰写论文。陈跃国：参与选题、设计、资料的分析和解释；修改论文定稿