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青光眼致病機理——篩板變形研究取得進展

作者:李龍 2020-09-02 14:35 來源:
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  青光眼是全球最大的不可逆性致盲眼病,又被形象地稱爲“無聲的視力盜賊(silent thief of sight)”。2020年,全世界青光眼患病人數達到8000萬。現已證實,青光眼的原發部位是視乳頭內的結締組織——篩板。目前,青光眼的發病機理尚未完全明確,但究其病因,很大程度上歸因于兩個最重要的力學因素——眼內壓及其誘導的篩板變形:高眼內壓會導致篩板結構與形態發生變化,進而擠壓穿過篩板的視覺神經,造成視覺神經損傷,産生不可逆的視覺損失。目前,控制眼內壓是控制青光眼發展的唯一有效途徑。由于技術的限制,目前還無法對篩板進行實時原位觀測。因此,如果能夠構建眼內壓作用下篩板變形及響應的力學模型,將對揭示青光眼發病機制、提高其臨床診治水平具有關鍵性意義。 

  中國科學院力学研究所非线性力学国家重点实验室(LNM)“生物及仿生材料力学”课题组宋凡研究員等,围绕青光眼视神经损伤机制,通过建立筛板力学模型,逐层深入地开展了系统的研究工作,并取得系列研究成果。 

  首先,在生理條件下,篩板前、後分別承受眼內壓(IOP)與顱內壓(ICP)。二者形成的壓差是造成篩板變形的關鍵力學因素。醫學臨床上對于IOPICP的關系尚存爭議,無確切關系式。目前,現有研究多采用分段模型表征二者的關系(圖1)。但該關系式存在奇異性,暗含ICP变化率不连续等與生理规律不符的特性。在对前期研究與临床实验数据分析的基础上,我们提出了修正关系式:ICP = 10erf(0.088×IOP)來描述IOPICP的关系。该修正关系式不仅弥补了已有关系式的缺陷,而且與临床试验更加吻合(Theor. Appl. Mec. Lett., 2016, 6: 148-150) 

   图1  IOP 與ICP 的关系

  其次,采用考慮剪切變形的Reissner型平板理论,建立了一个筛板变形的力学模型。理论计算结果與实验结果吻合得很好(图2)。通過分析篩板變形發現:(1)在橫截面上,篩孔均變形成爲扭曲的“喇叭”狀,從而解釋了40年前提出的關于篩孔形狀變化的臨床結果的緣由; (2)在篩板上下表面,中央區域孔口仍保存圓形,但邊緣區域孔口形狀變爲橢圓,該結果爲實驗觀測結果提供了理論解釋; (3)篩孔邊緣存在應力集中。上述結果進一步支持了青光眼視神經損害的機械學說,揭示了青光眼視神經損傷機制。此外,爲臨界杯盤比提供了物理解釋(Acta Biomater., 2017, 55: 340-348) 

   图2  筛板理论模型计算挠度w 结果與实验结果对比

   图3  基于Reissner型平板理论得到的筛板变形结果

  基于前期研究基础,宋凡研究員等在《国家科学评论》(National Science Review)發表文章,針對青光眼原發部位——篩板,分析了篩板生物力學研究中的科學問題、研究現狀和發展機遇。首先對篩板結構、性質及所處的力學微環境進行了分析;隨後介紹了相關力學模型構建的研究進展,並討論了基于這些力學模型獲得的高眼壓作用下篩板在不同尺度上的響應。其中包括篩板的整體變形、基質重構、細胞響應以及分子機制(圖4)。 

  在此基礎上,針對目前青光眼致病機制研究及其診斷、治療所面臨的挑戰,提出了應重點關注的研究方向: 

  ·構建力學模型,以准確反映視神經和毛細血管在高眼壓下的損傷演變; 

  ·确定在杯盘比临界点附近,视神经和毛细血管变形與损伤的关系; 

  ·探索筛板变形中涉及的应力集中问题與流固耦合问题,确定筛板的各向异性粘弹性本构关系。 

  最後,提出建立篩板的多尺度生物力學模型,將爲進一步揭示青光眼發病機制,提高其治療、診斷水平做出重大貢獻(Natl. Sci. Rev, 2020, 7: 1277-1279) 

  

 

  图4  高眼压下筛板的多尺度力学响应

  上述文章第一作者分別爲田晗菁博士(已畢業)(Theor. Appl. Mec. Lett., 2016; Acta Biomater., 2017)與李龙助理研究員(Natl. Sci. Rev, 2020),通讯作者为宋凡研究員。以上研究工作得到国家自然科学基金 (11472285, 11902327, 11972041)、中國科學院战略性先导科技专项(B類)(XDB22040102)、國家重點研發計劃(2016YFA0501601)等項目資助。 

  
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