青光眼患者巩膜、视神经和视神经鞘的力学特性

问题：为什么要研究眼组织的力学特性？

回答：眼部组织的生物力学特性对于理解青光眼和近视眼的发病机制及临床治疗具有重要意义。巩膜的弹性特性影响眼球形状和屈光状态，而眼外肌的生物力学特性则关系到眼球运动功能及其对手术或损伤的反应。视盘及其周围组织的生物力学特性对于理解颅内压升高和微重力环境下的病理反应至关重要。眼压(IOP)是维持眼球形状的关键因素，但也会对巩膜和视盘施加压力和应变，异常升高的眼压会损害多种类型的青光眼。此外，眼球运动引起的视神经乳头和Bruch膜变形可能比眼压引起的变形更大，尤其是在正常压力青光眼中。有限元建模(FEM)是了解生物力学在眼底病中作用的有效方法，可以帮助模拟眼压升高和眼球旋转的影响。这些研究结果对于理解青光眼和近视眼的临床意义、发展新的治疗方法以及评估手术效果具有重要作用。

这里我们分享一篇关于眼底力学性质的文献。

摘要：

我们描述了患有青光眼的捐献者眼中的巩膜、视神经 (ON) 和 ON 鞘的拉伸行为，以便与未患青光眼的已发表数据进行比较。12 个新鲜摘除的眼睛来自有青光眼病史的捐献者，平均年龄为 86 ± 7（标准差）岁。从前、赤道、后和视乳头周围的巩膜和 ON 鞘中取出矩形样本，而 ON 是天然形式并使用卡尺测量。在生理温度和湿度下，组织在 5% 应变下预处理，然后以 0.1 mm/s 的速度加载。力-位移数据被转换成通过简化多项式超弹性模型拟合的工程应力-应变曲线，并通过 3% 和 7% 应变下的切线模量进行分析。将数据与 7 个已发表的对照眼的年龄匹配样本进行了比较。青光眼患者 ON 横截面积显著减少至正常值的 73% 表明存在视神经萎缩。青光眼患者的赤道区和视乳头周围区域的硬度明显高于对照组（P  <0.001）。然而，青光眼患者的视乳头和鞘的硬度明显低于对照组，特别是在低应变时（^P <  0.001）。超弹性模型与应力-应变数据拟合得很好（R2  >0.997）。切线模量在大多数区域与对照组的变异性相似，但在视乳头周围巩膜中异常大。同一只眼的不同区域的拉伸性能独立变化。青光眼患者的巩膜异常僵硬，但视乳头和鞘的柔顺性异常。这些异常与有限元分析预测的特性相对应，即在内收眼球运动过程中将潜在的病理应力转移到脆弱的视盘和筛板区域。

1简介

眼部组织的生物力学行为对于理解正常的眼部发育和功能以及眼部疾病的发病机制和治疗具有广泛的重要性。例如，巩膜的弹性特性会影响眼球大小和屈光不正（Metlapally 和 Wildsoet 2015）。眼部的局部力学特性对于理解眼部创伤（Lam 等人2022）、针刺注射（Matthews 等人2014）和眼部手术（Shin 等人2013）非常重要。眼外肌的生物力学特性对于理解其正常功能（Shin 等人2012、2015；Yoo 等人2009、2011）以及对手术或损伤的反应（Laursen 和 Demer 2011）非常重要。视盘内和周围组织的生物力学特性对于理解其对颅内压升高（Sibony 2016）和微重力（Kesserwani 2021；Raykin 等人2017；Reilly 等人2023）的病理反应非常重要。

静水压力一直被认为对眼睛尤为重要。眼压 (IOP) 维持眼球形状，但会对巩膜和视盘施加压力和应变。异常升高的眼压会损害先天性和青少年性青光眼 (Chang et al. 2017a )，以及继发性青光眼，如闭角型青光眼 (Zhang et al. 2017 )、葡萄膜炎型青光眼 (Tan et al. 2018 ) 和外伤性 (Bai et al. 2009 ) 青光眼。然而，由于许多原发性开角型青光眼患者没有异常升高的眼压 (Ha et al. 2019；Iwase et al. 2004；Kim et al. 2011；Shi et al. 2013；Zhao et al. 2019 )，因此其他视神经压力源可能是造成损害的重要原因。例如，眼睛的正常旋转运动会产生机械扰动。当眼睛旋转时，视神经乳头及其鞘会给眼睛施加机械负荷，使视神经乳头内和周围的组织变形，使眼睛大角度内收（Demer 2016），有时还会导致眼睛回缩（Demer 2018）。眼球运动引起的视神经乳头和 Bruch 膜变形比眼压过高引起的变形要大得多（Wang 等人2015），尤其是在患有正常压力青光眼的人中（Chuangsuwanich 等人2023）。由于 ON 长度相对于眼窝长度较短，因此在大角度内收时对 ON 的系绳对于眼部负荷尤为重要（Clark 等人2021；Demer 等人2020；Jafari 等人2021；Le 等人2020a；Lim 等人2023；Park 等人2023b , 2022；Suh 等人2018 , 2017）。

有限元建模 (FEM) 是了解生物力学在眼底病中的作用的有效方法。此类模型将组织或器官表示为具有单独定义的机械特性（例如超弹性或粘弹性）的三维元素网格，并且既受界面相互作用的影响，也受外部边界条件和力函数的影响。有限元技术已用于模拟眼压升高和水平眼球旋转的影响。然而，有限元的数值精度以及由此得出的结论可能对组织材料特性的准确性更敏感（Sigal 等人，2009 年），而不是更容易测量的组织几何形状的变化（Sigal 和 Ethier，2009 年）。我们之前以适合有限元的形式描述了人类巩膜、眼底和眼底鞘各个区域的超弹性拉伸特性，这些特性来自对没有青光眼病史的新鲜眼库捐赠物的测试（Park 等人，2021 年）。我们之前的 FEM 研究模拟了大角度内收时 ON 束缚引起的 ON 和后眼的应力和应变，结果表明，在观察范围内，某些局部组织材料特性组合最终可能会变成病理性的。本研究描述了有青光眼病史的眼睛的眼组织特性，可以直接与 FEM 对内收束缚影响的预测进行比较。

结果

3.1视神经直径

视神经萎缩的大小是青光眼性视神经病变的指标之一。有青光眼病史的标本中视神经萎缩的平均直径为 3.30 ± 0.34 毫米，明显小于无青光眼病史的对照标本（共 47 例）的平均直径 3.86 ± 0.37 毫米（P  < 10 –5）（Park 等人，2021 年）。因此，青光眼标本的视神经萎缩横截面积是对照标本的 73%，与青光眼性视神经萎缩相符。

3.2青光眼眼组织拉伸模量的线性近似

图1显示了青光眼眼组织的应力-应变数据 。每条曲线终止于发生故障的极限应力，所有实验的平均曲线都显示在同一组织样本中的最小极限应变。

前巩膜在 3% 应变下的切线模量为 28.5 ± 7.3 MPa，与赤道部巩膜的切线模量（23.4 ± 7.6 MPa）相似，但仅为后巩膜的切线模量（14.2 ± 5.0 MPa）的一半。视乳头周围巩膜的切线模量为 7.4 ± 8.0 MPa，ON 鞘的切线模量为 5.8 ± 2.0 MPa。ON 的切线模量最小，为 1.3 ± 1.0 MPa。

在 7% 高应变下，不同标本的切线模量略有不同（图 1）。对于前巩膜，7% 应变下的切线模量为 63.0 ± 25.6 MPa，是 3% 应变下 28.5 ± 7.3 MPa 的两倍多，并且远大于赤道部和后部巩膜的切线模量（图 1）。赤道部、后部和视乳头周围巩膜的切线模量低于前部巩膜，但也随着应变而增加（变硬）（图 1）。

3.3青光眼与对照眼的比较

将患有青光眼的捐献者的数据与我们之前研究中使用包括预处理在内的相同方法获得的无青光眼病史的组织的对照数据进行了比较（Park 等人，2021 年）。图 2比较了每个解剖区域的青光眼组织和健康组织的平均应力-应变曲线，以及切线模量±均值标准误差。对于前巩膜，有一个高达 4% 应变的低牵引区域，其中青光眼和对照巩膜的表现相似，超过此区域时，青光眼巩膜比对照巩膜更硬。赤道巩膜高达 2% 的应变和后巩膜 4% 的应变也是如此（图 2）。然而，青光眼视乳头周围巩膜几乎没有表现出低趾区域，尽管对照眼中一个高达 1.5% 的应变明显。在整个应变范围内，青光眼标本的视乳头周围巩膜都比对照组更硬，在 4% 和 7% 应变下，切线模量几乎是对照组的两倍。

使用 t 检验对青光眼与对照组织之间的切线模量进行统计学比较。从表1中可以看出 ，仅在 7% 应变时青光眼视乳头周围巩膜较硬（P  = 0.043），以及 3% 应变时顺应性更好的 ON 鞘（P  = 0.033）时，供体组之间的切线模量存在显著差异。虽然青光眼 ON 的切线模量有降低的趋势，但可用于比较的对照标本较少，青光眼的差异未达到显著性（P  = 0.063）。此外，使用 GEE 统计学比较两个供体组右眼和左眼的所有值，但两组的任何组织区域的右眼和左眼之间均无显著差异（P  > 0.09）。

 Lace 1988；Geraghty 等人2012；Park 等人2021 ），并且与之前报告的对照眼（Park 等人2021 ）仅有微小的差异（图 2）。与对照眼一样，青光眼患者眼的巩膜硬度趋于在更后部区域逐渐降低，因此视乳头周围巩膜的顺应性最高。与之前的研究一样，巩膜硬度从前部到后部逐渐降低，在视乳头周围区域最低（Park 等人，2021 年）。然而值得注意的是，青光眼标本的赤道部和视乳头周围巩膜在应力-应变曲线上大于对照组（图 2），并且青光眼标本在 7% 应变下的切线模量明显大于对照组（表 1）。这一发现与最近的观点一致，即组织硬化是青光眼的一个标志，经审查（Downs，2015 年；Liu 等人，2018 年；Powell 等人，2023 年）并由 Grytz 等人（Grytz 等人， 2014 年）和 Fazio 等人（Fazio 等人，2014 年）进行了量化。然而，之前有人提出，与青光眼相关的巩膜变化可能是该疾病的结果，而不是原因（Coudrillier 等人，2012 年）。在青光眼中，视乳头周围巩膜的弹性模量比正常情况更具可变性（表 1），这或许反映了个体眼睛中疾病的贡献或后果的差异。

4.2视神经鞘

ON 鞘是一种双层结构，同轴环绕 ON（Le 等人，2020b；Shin 等人，2020），大概是为了保护它免受机械损伤，因为鞘的弹性模量至少是 ON 的三倍（图 2）。ON 鞘的内层明显比外层硬（Shin 等人，2020）。当前的研究报告了新的证明，即青光眼 ON 鞘的硬度明显低于对照组。青光眼鞘在 7% 应变下的切线模量仅为对照组的 54%（表 1）。这表明青光眼鞘在眼球运动期间可能对 ON 提供的保护较少；如果是这样，这种缺陷可能会导致青光眼的发展。但是，ON 鞘的软化可能是青光眼的结果，而不是原因。

4.3视神经

与本文发现的与对照组织一样硬或更硬的青光眼巩膜不同，青光眼性视神经的硬度低于正常组织。青光眼引起的视神经萎缩可能是青光眼性视神经硬度较低的原因。然而，视神经正常包含一个重要的内部结缔组织网络，与周围致密的软脑膜紧密相关，这使得视神经比中枢神经系统任何其他白质束（视神经所属的部分）都要硬得多（Garcia 和 Demer 2023；Karim 等人2004）。除非青光眼性视神经轴突萎缩也导致至少相当的结缔组织萎缩，否则由于轴突损失，线性弹性模量预计会增加而不是减少，因为模量已根据组织横截面标准化。这表明，ON 僵硬性降低本身可能是青光眼的诱发因素，尽管目前的数据不能排除 ON 僵硬性降低可能是青光眼引起的组织重塑的结果的可能性。

本文报道的青光眼性眼球张力刚度较低，这似乎预示着在眼球大幅度内收时，眼球张力在系留过程中会异常地增大而非减小。在大幅度内收过程中，MRI 显示正常的眼球张力会伸长约 0.8 毫米（Clark 等人，2021 年），拉伸应变沿眼眶内眼球的长度均匀分布，导致眼球仅回缩约 0.5 毫米（Lim 和 Demer，2023 年）。然而，在从 26° 到 32° 的增量内收过程中进行的 MRI 检查（其中眼球路径为直线）显示，无论患者有正常（Clark 等人，2021 年；Demer 等人，2017 年）还是升高眼压（Demer 等人，2020 年），原发性开角型青光眼均没有出现眼球张力伸长，因此眼球回缩幅度更大。有几个因素可能有助于解释这种看似矛盾的情况。由于本研究中 ON 鞘的硬度比它环绕和保护的 ON 大约高三倍，因此体内 ON 牵引过程中的拉伸负荷主要由鞘承担。由于超过约 3% 的应变会导致 ON 鞘变硬（Lim 等人2024），青光眼标本中的 ON 鞘的切线模量在较高应变下接近正常模量，而视乳头周围巩膜的模量在整个应变范围内保持在正常模量的两倍左右（图 2）。视乳头周围巩膜的弹性模量通常约为 ON 鞘的三分之一（图 2）。相比之下，在青光眼中，视乳头周围巩膜比 ON 鞘更硬。这表明，正常受试者在内收束缚过程中眼球没有回缩而眼球轴伸长是由于多种组织的机械变化的复杂相互作用造成的，这些组织可能还包括眼球的悬韧带组织，以及眼球轴鞘内脑脊液的影响。通过建立包含眼外肌和所有相关支持组织的眼球和眼球轴的有限元模型，可以定量分析这种相互作用。到目前为止，已经开发出仅包含水平直肌的半对称模型（Jafari 等人2024；Park 等人2022；Shin 等人2017a；Wang 等人2017；Wang 等人2016），但需要大量计算资源才能扩展到必要的程度，以阐明眼球旋转过程中眼球轴负荷的所有机械含义。

4.4年龄的影响

本研究采用 GEE 的统计建模来证明青光眼对巩膜、ON 和 ON 鞘的机械特性有显著影响，而与年龄对除赤道巩膜之外的所有特性的显著影响无关（表 2）。这一结果证实并扩展了 Coudrillier 及其同事的研究结果，他们使用数字图像相关法进行后眼膨胀测试，以测量死后人眼在升高的眼压下膨胀的生物力学反应（Coudrillier 等人，2012 年）。我们同意 Coudrillier 等人的双重发现，即年龄有显著影响，但青光眼还有显著的额外影响。然而，本结果与 Coudrillier 等人的结果不同，他们没有观察到中后巩膜与正常的差异（Coudrillier 等人，2012 年）。我们怀疑这可能是边界条件对仅后眼膨胀的影响的结果。

4.5区域刚度相关性

虽然线性切线模量不能完全代表超弹性，但这些线性刚度测量对于眼睛之间的统计相关性仍然有用。图 3中的相关矩阵表明，单个青光眼各个区域之间的弹性特性通常相关性较低，甚至低于之前报告的对照眼 (Park et al. 2021 )。最强的区域相关性为 0.63，位于后巩膜和赤道巩膜之间，这表明后巩膜切线模量的变化中只有 63% 在统计上可归因于赤道巩膜模量的变化。前巩膜的弹性模量与任何后组织（包括 ON 及其鞘和视乳头周围巩膜）的模量之间相关性较低。这意味着，临床上可获得的前巩膜的体内硬度测量可能平均反映视乳头周围巩膜硬度变化的约 48%、视神经鞘的 32% 和视神经鞘的 31%。视神经鞘的弹性模量之间只有 12% 的相关性，这表明这些解剖相关组织的材料特性存在明显不一致。如前对对照眼所证明的那样（Park et al. 2021），不可能根据眼球其他部位测量的值准确估计某个眼球区域的弹性行为。相反，眼部生物力学的 FEM 研究可以合理地推测，所有可能的局部硬度值都可能出现在一只眼睛中。如下所述，某些组合在某些情况下可能导致视神经病变。

4.6对病理学的影响

眼球旋转过程中，视神经鞘和视神经鞘产生的牵引力最近被确认为眼球的重要机械负荷 (Demer 2016 )。光学成像显示，即使在轻微和适度的外展和内收眼球运动中，视盘也会发生跷跷板变形 (Chang et al. 2017b ; Sibony 2016 ; Suh et al. 2017 )。MRI 已证明，当内收超过约 26° 时，视神经鞘的长度不足以避免束缚眼球 (Suh et al. 2017 )。在约 40° 眼球运动范围内进一步内收需要眼球也平移，在健康受试者中主要向鼻侧平移，因为 ON 本身会伸展（Clark 等人，2021），但在正常眼压性青光眼 (NTG) 中，眼球会病理性回缩 (Demer 等人，2017 )，此时 ON 不会伸展（Clark 等人，2021）。所有眼球旋转都会将反作用力集中在视神经乳头、视乳头周围视网膜和巩膜上。OCT（Chang 等人，2017b）和扫描激光检眼镜（Le 等人，2020a；Park 等人，2023a）成像显示，内收束缚会局部变形这些视觉关键组织，其应变“指纹”与青光眼和轴性近视的典型退化模式非常相似。Sibony 等人使用 OCT 显示了视乳头水肿中内收引起的延伸至黄斑的皱褶 (Sibony and Hou 2019 )。Park 等人还证实内收会导致视盘鼻侧视网膜和脉络膜之间发生剪切 (Park et al. 2023a )。

眼球运动相关变形已被提出作为 NTG 的另一种机械病因，可替代或补充 IOP（Demer 2016；Demer 等人2017；Shin 等人2017a；Wang 等人2017）。内收的作用被强调，因为 ON 长度不足以允许不受阻碍的旋转，将眼球束缚在内收（Demer 2016）大于约 26°（Suh 等人2017），但较小的内收和外展也会严重变形眼球。虽然健康的 ON 在内收束缚过程中会伸展，但在 NTG 中，ON 无法伸展，因此它会异常地缩回眼球（Clark 等人2021）并夸大视盘上的应变（Chuangsuwanich 等人2023）。眼球运动引起的视盘和 Bruch 膜变形超过了眼压相关变形，这些变形被认为对视网膜有损害 (Fortune 2019 )，并且是闭角型青光眼 (Wang et al. 2015 ) 和 NTG (Chuangsuwanich et al. 2023 )中眼压极度升高导致的变形的数倍。最近的一个线索是韩国基于人群的观察，未经治疗的大角度内斜视使青光眼风险比升高的眼压高出七倍，而外斜视则不会 (Kim et al. 2020 )。

最近的 FEM 为眼球运动与视神经盘和视乳头周围眼部组织的变形之间提供了有益的联系。这些计算模型结合了组织的结构解剖学和局部材料特性，只要这些特性是已知的，或者在没有数据的情况下是假设的。Wang 等人 (Wang et al. 2017 , 2016 ) 开发了一种在任意应用水平牵引过程中视神经盘变形的 FEM，但该 FEM 基于从各种来源和物种推断的组织特性 (Wang et al. 2017 , 2016 )。Shin 等人模拟了由于视神经在大型内收时束缚导致的视神经盘和巩膜变形，但采用测量的牛组织特性而不是人体组织特性，并约束眼球绕其几何中心任意旋转 (Shin et al. 2017b )。Park 等人开发了一种 FEM，用于在围绕其中心的较大任意内收范围内对视神经束缚进行分析，但更现实地结合了我们之前对无青光眼病史的死后人眼研究中测量的人体组织特性（Park 等人，2022 年）。Park 等人还使用 FEM 探索了在观察到的测量范围内局部眼组织特性变化对视神经和后巩膜中应力和应变的影响。该 FEM 敏感性分析预测，当后巩膜和视乳头周围巩膜非常坚硬，但视神经鞘相对柔顺时（病例 B），内收束缚期间颞侧视盘和视神经中会出现最高应力（Park 等人，2022 年）。这种材料特性组合与此处在有青光眼病史的眼部标本中观察到的材料特性组合相匹配（图 2），支持了以下假设：这组材料特性可能导致因累积内收而导致视神经损伤。FEM 研究预测，眼压升高仅会轻微增加内收束缚造成的病理影响（Park 等人，2022 年）。

4.7限制

由于死后捐献的样本通常来自有青光眼病史的人，因此本研究受到样本量的限制是可以理解的，尽管样本的积累需要数年时间。目前样本的青光眼病史临床信息有限，而且该病史无法区分侧向性或特定形式的青光眼，如开角型、闭角型或继发性青光眼。样本在死后三天内进行测试，但立即采集并立即储存在冷冻的林格氏乳酸盐溶液中；这个时间可能是人体组织可以达到的最佳时间。目前的数据包括单轴拉伸性能，无法捕捉潜在的各向异性行为，原则上可以通过双轴测试直接研究巩膜和 ON 鞘，或通过整个眼球或 ON 鞘膨胀测试间接研究；这些替代方法在生成适合 FEM 的数据方面存在实际限制。没有一种体外测试方法可以完全复制体内负荷情况。

虽然我们报告了超弹性材料的特性，但由于多个参数经常过度确定，曲线拟合的系数不直接适用于统计比较；选择拟合是为了与 FEM 软件兼容计算。因此，在任意低应变和高应变区域（3% 和 7%）对青光眼和对照眼的拉伸特性进行了统计比较，使用假设线性弹性正切模量的计算。当然，这并不意味着我们认为机械性能实际上是线性的。当前的研究也无法确定由于疾病的发生或发展导致的青光眼组织微观结构变化是否或如何改变线性或各向异性。尽管如此，当前的数据为理论研究提供了一个起点，例如 FEM 研究压力和眼球运动相关应力对青光眼人眼的机械影响。