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“溯游从之,道阻且长”——王雁教授的角膜生物力学探索之路

作 者:发布时间:2018-11-29 15:30:29

编者按:角膜的生物力学特点在近年来成为研究的热点和难点,其中角膜的结构和生物材料特点决定了其独特的生物力学特性,这些特性与多种角膜疾病的发生发展,以及角膜屈光手术的长期稳定性及安全性息息相关。到目前为止,角膜的生物力学特性还并不为我们完全知晓。目前对此领域已经获得和不断更新的认知,离不开在这条路上一直坚持不懈探索的研究者们的努力。天津市眼科医院的王雁教授及其团队正是这些探索者中的代表。本期国人SCI红毯秀,我们将结合与王雁教授的面对面交流,介绍她的团队在角膜生物力学领域的探索过程和研究成果。

1、回顾研究成果,从论著到综述,由点及面

影响角膜生物力学特性的因素非常复杂,截至目前仍不完全明确,包括最重要的角膜本身的超微结构、角膜的含水量、厚度等等,同时由于这些因素的变异度较大,个体差异也是角膜生物力学的影响因素之一,而这些问题仍需要进一步的研究与探讨。同样地,角膜生物力学特性的改变引起的生理、病理变化也相当复杂,用王雁教授的话说,“不能一言以概之”。经过在此领域多年来的系列研究,王教授及其团队近期在国际上发表了一篇综述,这也是第一篇系统回顾介绍角膜的生物力学特性如何影响角膜疾病发生发展的文章。

在这篇综述中,该团队首先介绍了既往研究中关于角膜生物力学特性的种种争议,提出了科学问题;之后,通过对角膜上皮层、前弹力层、基质层、Dua层、后弹力层、角膜内皮层的逐层剖析,系统回顾了角膜各层结构与其力学特点的关系。其后,作者回顾了与角膜力学特性相关的角膜病和全身病,这部分中不仅包括我们熟知的角膜变性及圆锥角膜,还讨论了感染性角膜病中,角膜的力学特性改变如何影响疾病的进程。最后,文章介绍了角膜的力学特性在通过角膜重塑进行视觉矫正这一领域中的应用:涵盖了青少年近视防治(角膜塑形镜)、角膜屈光手术、角膜交联手术治疗圆锥角膜等目前角膜屈光领域的几大研究热点。这篇综述无疑增进了我们对角膜生物力学的综合认知,也正是这篇综述让我们对于王雁教授团队的角膜生物力学探索之路有了大体窥见。

2、机遇与启航,从好奇发问到不断追寻

科学研究的起点往往是一个Scientific question的提出。当被问及关注和开始角膜生物力学相关研究的契机时,王雁教授仿佛打开了一扇记忆之门,将她多年来的经历与心路同我们娓娓道来。由于一直在做角膜屈光手术和视觉矫正方面的工作,王教授发现:当把“精准医学”的概念引入到角膜屈光手术中,在追求术后完美视觉质量的道路上,不断优化的手术设计和尖端科技成就的激光仍然无法排除一些因素的干扰,特别是生物个体的差异, “角膜生物力学”的概念便在此浮出水面,这一充满未知的课题已经成为我们无法忽视又亟待突破的关口。

角膜不仅是一种屈光介质,还是一种力学的介质,具备明显的力学特性,包括其弹性、黏性及刚度。其中,角膜的弹性则取决于角膜的结构特征,而黏性取决于角膜的细胞及细胞外成分。在当时查阅回顾大量文献后,王教授发现:一方面,关于角膜生物力学的研究不多,尤其是关于眼科的研究更是缺乏;另一方面,更加出人意料的是,已有的研究显示:对角膜的生物力学特性的认识,如前弹力层、角膜基质层的特性都存在争议和很多不确定性。这不禁让王教授提出疑问:角膜的生物力学特性究竟为何?

从这个好奇的发问开始,王教授迈上了漫漫的探寻之路。其实,角膜生物力学研究领域有很多空白亟待填充:既往研究多采用动物实验(如猪眼)或尸体眼,后者往往由于材料的新鲜程度、水肿等问题影响研究结果的准确性。而随着新的研究设备,如ORA、Corvis ST等机器的出现,研究者可以在活体上获得更多的角膜形变参数,王教授逐渐开展了围绕角膜生物力学方面的研究。


      ORA(Ocular Response Analyser,眼反应分析仪)的出现,为角膜生物力学的研究提供了便利。王雁教授团队在2013年5月发表于Clinical & Experimental Ophthalmology上的这项研究正是基于ORA出现而开展的,旨在探究普通近视眼角膜形态与角膜生物力学之间的关系。

这项研究纳入480只普通近视眼(共240位受试者),通过ORA测量其角膜生物力学参数,包括角膜粘滞性(CH)和角膜阻力系数(CRF),并通过Pentacam获得角膜体积(CV)、角膜高度值、Q值等角膜形态特征。结果显示角膜生物力学参数(CH、CRF)与角膜形态特征存在一定的相关性。

 

3、推进与挑战,从临床研究到基础研究

尽管生物力学在医学领域并不是一个新鲜的概念,但是在眼科特别是角膜,生物力学在近年来才成为研究热点,因此正如前所述,角膜生物力学的研究领域存在许多空白;纵观王教授团队发表于国内核心杂志及SCI期刊的数十篇文献,可以发现,他们围绕这一领域所做的工作涵盖了方方面面,许多层次。

首先,他们在临床方面,在探究不同角膜屈光手术方式(SBK、LASIK,PRK,FS-LASIK、SMILE等)对术后角膜生物力学的影响做了大量比对性研究;之后,又研究了手术设计中的细节对术后角膜生物力学所产生的影响,包括光学区大小、侧切口位置以及手术切口大小等等;其中,在对手术切口设计的研究中强调了“微创”的概念——不仅是指对组织的创伤小,还要对角膜生物力学的影响小,这种理念无疑是非常先进的,这篇研究的结果也发表于2016年的BJO上。

随着研究的积累和加深,王雁教授认识到扩张性角膜疾病,尤其是圆锥角膜的发生、进展、治疗(交联手术)都受到角膜力学特性的影响,因此他们又将角膜生物力学的研究方法应用到圆锥角膜的诊断和治疗中。

在这些研究过程中,王教授发现目前临床上应用的机器设备提供的力学参数多为角膜的形变参数,但角膜的力学特性却很难精准描述。因此他们不得不回到基础研究上,这给他们团队的研究探索中带来了新的困难和挑战。为此,王雁教授积极与其他高校,如天津大学、香港理工大学、首都医科大学等等研究机构展开了合作。其中,与香港理工大学生物医学工程系合作进行了很多基础研究,利用自主研发的试验装置,较好的克服了现有试验机的不同缺陷,提高了测试结果的准确性;与天津大学力学系合作进行了许多关于临床数据与数字模拟相结合的探讨,开辟新的研究思路。由于人眼非常小,在组织固定方面与既往的工程力学研究材料有差异,王教授及其团队又走访了国内外许多相关研究单位进行学术交流,并得到了首都医科大学、山西理工大学生物力学系的技术支持。


       2014年6月,王雁教授团队又一篇论文发表于J CATARACT REFRACT SURG上,这项研究比较了SMILE术与FS-LASIK术对角膜生物力学的影响,引用率很高。

其研究结果表明两种术式都引起角膜生物力学的改变,但SMILE术引起的角膜粘弹性改变要小于FS-LASIK术。国际上对于SMILE术与FS-LASIK术引起角膜生物力学改变的比较上争论不休,而王雁教授团队的这项研究无疑提供了相关证据。

王雁教授团队开展的这项研究是为了评价和比较微切口角膜基质透镜取出术(MILE)与小切口透镜取出术(SMILE)后角膜生物力学特性的变化。

方法:这项前瞻性研究纳入了接受5mm切口MILE手术的60眼,接受2mm切口SMILE手术的64眼。用眼反应分析仪(ORA)测量术前和术后6个月的角膜滞后量(CH)、角膜阻力因子(CRF)及其他37项生物力学波形参数。所有变化以术前和术后的差值(Δ)进行计算。

结果:角膜滞后量和角膜阻力因子在MILE和SMILE术后均显著降低(p<0.001)。ΔCRF(p=0.028)和ΔCRF指数(ΔCRF/术前CRF)(p=0.043)在术后1周随访时在所有眼均显著降低。相较于SMILE组,MILE组的ΔCH指数(ΔCH/术前CH)在术后1周(p=0.043)和术后1个月(p=0.015)均较低。两组的ΔCH指数与ΔCRF指数均与术前等效球镜度、剩余基质厚度(RST)指数(RST/术前中央角膜厚度)呈正相关;而与透镜厚度呈负相关。

结论:MILE和SMILE术式均显著改变角膜的生物力学特点;较小的手术切口与术后早期ORA参数减小较少有相关性。该文章发表于2016年8月的BJO上。

4、立足现在,展望未来,从宏观力学到微观力学

近年来,王雁教授团队有了一些新的研究方向:如角膜生物力学性质与角膜本身(形态学参数、硬度、角膜基质细胞等)的关系,对于揭示角膜生物力学的玄妙又有了更进一步的认识。

如前所述,在探索的过程中,王教授逐渐从临床研究回到基础研究,这也意味着,探索的方向将从宏观力学转化到微观力学,由个体、角膜转化到细胞、细胞因子的细胞生物学和分子生物学层面。另一方面,目前的研究结果受到检测手段的限制,即现有的方法并不是最适合眼科的方法,这增加了研究中的干扰因素,也影响了研究结果的可重复性和准确性;因此要求未来的研究采用更加先进、更加创新的方法。

这篇文章发表于今年7月份的Cornea上,研究目的:探讨中国人近视眼的角膜硬度及其可能对角膜其他生物力学参数和非生物力学参数造成的影响。方法:该研究纳入了387例健康近视眼,采用可视化Schieimpflug技术测量角膜的第一次压平时的硬度参数(SP-A1),1.0mm/2.0mm的变形幅度比,生物力学校正的眼内压(bIOP),第一次压平的角膜形变参数,第二次压平时角膜形变参数以及最大凹陷时的形变参数。采用Pentacam测量角膜中央厚度、平均角膜曲率、角膜前表面中央高度、角膜前表面Q值。结果:SP-A1和bIOP的平均值分别为90.46±15.39 mmHg/mm,13.5±1.85 mmHg。SP-A1随年龄增长(β=0.41,P<0.0001);角膜硬度与中央角膜厚度、非校正眼内压呈正相关;bIOP与第一次压平长度、最大压陷时间、最大压陷顶点距离以外的所有角膜形变参数具有显著相关性(P<0.05)。结论:角膜硬度随着年龄增加而增大,角膜硬度大可能与角膜扁平及较高的眼内压相关。

本文采用SMILE手术取出的角膜基质透镜进行实验,研究了人眼角膜基质在单轴拉伸实验下的生物力学反应。使用单轴拉伸实验确定基质透镜的应力-应变关系和抗张强度。用GOH模型描述角膜基质的生物力学反应,推断出单轴拉伸实验中GOH模型理论上的应力-应变关系。本研究比较了水平和垂直方向上角膜的应力-应变关系,其本构参数C10, k1, k2通过实验数据的最小二乘曲线拟合进行计算。


       结语:王教授告诉我们,她对角膜生物力学起初是兴趣,是好奇,但研究至今日,已逐渐认识到角膜的力学特性在许多角膜疾病的发生发展,以及角膜屈光术后长期稳定性及安全性中所起的关键作用,这些为重新认识某些疾病提供了新的思路和角度。

最后,王雁教授表示了对团队以及各个合作单位的专家的感谢,尤其是对于来自香港团队的各位专家深表谢意!

虽然与王雁教授的对话只有短短的二十分钟,但笔者感觉自己在角膜生物力学这一话题上,上了丰富而生动的一课。我们不难看出王教授对自己所从事研究的热爱和激情。而关于角膜生物力学的故事才刚刚开始,面对这些未解之谜,王雁教授希望下一步通过更加现代的手段去探索——正所谓:“蒹葭苍苍,白露为霜。所谓伊人,在水一方。溯洄从之,道阻且长。溯游从之,宛在水中央。”

来源:视远惟明 · 惟视眼科