编者按：中国科学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”研究团队在国家自然科学基金、中国科学院战略性先导科技专项（B类）和国家重点研发计划等项目资助下，开展了青光眼致病机理研究并取得了进展。本刊在此专文介绍，以飨读者。 

　　青光眼是以视神经乳头形成杯状凹陷、视神经萎缩、视野缺陷为共同特征的一组疾病。它是全球第一大不可逆性致盲眼病。2020年，全世界青光眼患病人数达到8000万。我国是青光眼病高发国家，2020年我国青光眼患者的人数达到2100万，占世界青光眼患者总数的1/4。其中，致盲人数达到567万。随着人口老龄化日益加剧，青光眼的患病率也将逐年增加。青光眼疾病不但严重影响患者的生活质量，而且给家庭与社会带来沉重的压力与负担。所以，搞清楚导致青光眼的机理，不仅是研究者责无旁贷的义务，也是老百姓翘首以待的愿望。 

　　首先来看一下眼球的结构示意（参见图1）。它的前半部分是接收光信号的，主要包括角膜、前房、虹膜、晶状体和睫状体等部分。视神经乳头（又称视神经盘，简称视盘）则位于玻璃体的后侧，是视网膜神经纤维的汇集处。它的边缘隆起，中央凹陷，其中有视网膜的中央动、静脉穿过。如前所说，青光眼致病部位就是视神经乳头。医学界根据前房角形态、病因机制及发病年龄，临床上通常将青光眼分为原发性青光眼、继发性青光眼与先天性青光眼三类。其中，根据房角开放与否，原发性青光眼又可分为开角(Open angle)与闭角(Closed angle)两种类型，它们发病时眼球形态如图2所示。 

　　各种类型的青光眼的临床表现及特点各不相同。例如，闭角型青光眼急性发作时，患者眼压会迅速升高，并通常伴随眼胀、眼痛、头痛、呕吐、虹视（看灯光出现“彩虹”样）、视力锐减等症状。但是，大多数青光眼的疾病进展会比较缓慢（如开角型青光眼），在早期没有任何警告症状，但视野逐渐缺损，到晚期时最终变为管状视野与颞侧视岛（参见如图3），此时患者才能通过认知感觉到。因此，青光眼又被形象地称为“无声的视力盗贼（Silent thief of sight）”。当患者出现视力模糊、眼胀、头痛等症状时，青光眼已发展到中期或者晚期，此时已错过了最佳治疗时期，导致视力的永久性不可逆损害。因此，早检查、早发现、早治疗是青光眼的防治原则。 

　　目前，青光眼的发病机理还没有完全明确，年龄、种族、近视眼、基因等以及一些继发因素都与青光眼发病有关。现在已经证实的是青光眼的原发部位是视乳头（ONH）内的结缔组织——筛板（Lamina cribrosa）。筛板周边与巩膜（Sclera）相连，由十余层连续的纤维薄板组成，各层薄板中的带孔胶质组织规律排列，形成管状孔道，即筛孔，血管和神经纤维从这些筛孔中穿过（参见图4）。筛板处于两个具有不同压力的腔室之间，其前方承受眼球内的压力，即眼内压（IOP），而后方承受颅内蛛网膜下腔的压力，即颅内压（ICP）。随着研究的不断深入，大量证据表明，青光眼的病因很大程度上归因于两个最重要的力学因素——眼内压及其诱导的筛板变形：高的眼内压会导致筛板的结构与形态发生变化，进而挤压穿过筛板的视觉神经，造成视觉神经损伤，产生不可逆的视觉损失。目前，通过药物治疗、激光治疗、手术治疗和辅助治疗来控制眼内压是缓解青光眼发展的唯一有效途径。由此可见，青光眼致病机制研究是一个不折不扣的力学问题。由于技术的限制，人们还无法对筛板进行实时原位观测。因此，如果能够构建眼内压作用下筛板变形及响应的力学模型，将对揭示青光眼发病机制、提高其临床诊治水平具有关键性意义。 

　　中国科学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，围绕青光眼视神经损伤机制问题，通过建立筛板力学模型，系统深入地开展了研究工作，并取得一系列研究成果。下面做一个科普性解说。 

　　首先，如上文所述，在生理条件下，筛板前、后分别承受IOP与ICP。二者形成的压差是造成筛板变形的关键力学因素。要研究力学环境变化对筛板变形的影响，就必须确定IOP与ICP之间的关系。医学临床上对于IOP与ICP的关系尚存争议，目前还没有确切关系表达式。从图5给出的实测结果来看，数据也相当分散。现有研究多采用分段模型来表征二者的关系（图5中的蓝色虚线所示）。但这个关系式存在奇异性，即在IOP = 20mmHg时ICP的变化率不连续。由于IOP与ICP均为液体导致的压力，二者的变化应具有连续性，因此分段模型并不能描述生理条件下IOP与ICP的变化规律。在对前期研究与临床实验数据分析的基础上，“生物及仿生材料力学”团队研究人员提出了修正关系式： 

　　ICP = 10erf(0.088×IOP） 

　　它可以描述IOP与ICP的连续变化关系。其中，erf (×××)表示误差函数。这个修正关系式不仅克服了分段关系式具有奇性的缺陷，而且与临床试验更加吻合。 

　　其次，团队研究人员采用考虑剪切变形的Reissner型平板理论，建立了一个研究筛板变形的力学模型，研究了在IOP与ICP共同作用下筛板的挠度、应力、应变、微观筛孔变形以及纤维板层间错动。图6将筛板挠度的理论模型计算结果与实验数据进行了对比，这里展示了三个不同理论模型的结果，其中的红色曲线是我们团队模型的计算结果，黑色圆点则是国外研究人员给出的实验结果。可以看出：我们的理论计算结果与实验结果吻合得最好，从而验证了我们提出的力学模型的正确性。 

　　基于这个力学模型，我们进一步分析筛板在变形前/后（before/after deformation）的性状。这里，筛板可以简化为厚度为h的层合板，它的前/后表面（anterior/posterior surface）分别承受眼内压和颅内压，并取一个含有两个圆孔（代表筛孔channel A，B）的扇面作为典型计算单元，筛孔内有视神经纤维（Optic nerve fiber）穿过（参见图7）。这个模型看来很简化，但它抓住了筛板的主要特征并可以给出重要的现象。通过分析筛板变形发现：(1)由于筛板各层径向变形存在差异，使得筛板各层间发生了变形移位。在横截面上，筛孔均变形成为扭曲的“喇叭”状，从而证明了持续了40年的关于筛孔形状变化的猜想。我们的计算揭示了筛孔形状变化的力学机制；(2)在筛板前、后表面上，中央区域孔口仍保存圆形，但边缘区域孔口形状变为椭圆，该结果为实验观测结果提供了理论解释；(3)计算还表明筛孔边缘存在应力集中。 

　　我们计算给出的这些筛板变形会挤压筛孔内的视神经纤维轴突，阻断轴浆运输，影响神经细胞的正常生理活动，进而损害视网膜神经节细胞及其轴突，引起视野损害，形成青光眼杯。这些结果进一步支持了青光眼视神经损害的机械学说，揭示了青光眼视神经损伤机制。此外，临床上的临界杯盘比（视杯与视盘的纵向尺寸比：0.6）仅仅为经验值。我们的研究结果表明：在临界杯盘比附近，筛板在径向方向r上的变形梯度最大，从而为临界杯盘比提供了物理解释。医学临床上，大多数的青光眼的眼内压都会升高，但是也有一种眼压是正常的青光眼，称之为正常眼压性青光眼。如何解释呢？我们的模型的计算结果显示：在相同压差情况下，眼内压IOP越小，筛板的挠度反而越大，对视神经的损害也越大，从而揭示了正常眼压青光眼发病机制。 

　　当然，关于青光眼致病机理，目前仍有诸多问题亟待解决，后续研究可重点关注如下研究方向：（1）构建力学模型，以准确反映视神经和毛细血管在高眼压下的损伤演变；（2）确定在杯盘比临界点附近，视神经和毛细血管变形与损伤的关系；（3）探索筛板变形中涉及的应力集中问题与流固耦合问题，确定筛板的各向异性粘弹性本构关系。这里还应当强调的是，筛板在高眼压作用下会涉及不同尺度的响应，不仅包括上述的筛板宏观变形（Mechanical deformation），还涉及筛板基质重构（LC remodeling）、细胞响应（Cellular response）以及分子机制（Molecular basis）等，它们覆盖了从10^-2米到10^-9米这样一个宽泛的尺度范围（参见图8）。为了全面揭示青光眼发病机制，提高其治疗、诊断水平，需要建立筛板的多尺度生物力学模型。 

　　通过上面的科普性解说可以知晓，针对青光眼这样一个常见病的机理问题，需要多学科（如医学、生物学、力学）参与才能完成。其实，在科学发展过程中，很多问题都不是单一学科能够解决的。现代科学发展到今天，也诞生了越来越多的交叉学科，例如生物力学、生物化学、物理化学、生物物理等。这些交叉学科的不断发展大大地推动了以往被专业学科所忽视的领域的研究，打破了专业化的垄断现象，增加了各学科之间的交流，形成了许多新的学科。以生物力学学科为例，它是应用力学原理与方法对生物体中的力学问题定量研究的交叉学科。通过学科交叉，同时推动了生物学与力学学科的发展，形成了心脏力学、血流动力学、骨软组织力学、细胞力学、口腔生物力学等多个学科分支。生物力学学科对于探索生命科学的奥秘、解决医学学科中的疑难问题发挥了重要作用。当前重要的新兴产业，如康复工程、人工器官、生物医学仪器等产业的迅速崛起无不与生物力学学科的贡献息息相关。随着现代科学技术的发展，越尖端、前沿的研究越需要突破单一学科的限制，多学科交叉和多领域协同研究的趋势会愈加明显。