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青光眼致病机理——筛板变形研究取得进展

作者:李龙 2020-09-02 14:35 来源:
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  青光眼是全球最大的不可逆性致盲眼病,又被形象地称为“无声的视力盗贼(silent thief of sight)”。2020年,全世界青光眼患病人数达到8000万。现已证实,青光眼的原发部位是视乳头内的结缔组织——筛板。目前,青光眼的发病机理尚未完全明确,但究其病因,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:高眼内压会导致筛板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,控制眼内压是控制青光眼发展的唯一有效途径。由于技术的限制,目前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”课题组宋凡研究员等,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,在生理条件下,筛板前、后分别承受眼内压(IOP)与颅内压(ICP)。二者形成的压差是造成筛板变形的关键力学因素。医学临床上对于IOPICP的关系尚存争议,无确切关系式。目前,现有研究多采用分段模型表征二者的关系(图1)。但该关系式存在奇异性,暗含ICP变化率不连续等与生理规律不符的特性。在对前期研究与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)来描述IOPICP的关系。该修正关系式不仅弥补了已有关系式的缺陷,而且与临床试验更加吻合(Theor. Appl. Mec. Lett., 2016, 6: 148-150) 

   图1  IOP 与ICP 的关系

  其次,采用考虑剪切变形的Reissner型平板理论,建立了一个筛板变形的力学模型。理论计算结果与实验结果吻合得很好(图2)。通过分析筛板变形发现:(1)在横截面上,筛孔均变形成为扭曲的“喇叭”状,从而解释了40年前提出的关于筛孔形状变化的临床结果的缘由; (2)在筛板上下表面,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)筛孔边缘存在应力集中。上述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,为临界杯盘比提供了物理解释(Acta Biomater., 2017, 55: 340-348) 

   图2  筛板理论模型计算挠度w 结果与实验结果对比

   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,宋凡研究员等在《国家科学评论》(National Science Review)发表文章,针对青光眼原发部位——筛板,分析了筛板生物力学研究中的科学问题、研究现状和发展机遇。首先对筛板结构、性质及所处的力学微环境进行了分析;随后介绍了相关力学模型构建的研究进展,并讨论了基于这些力学模型获得的高眼压作用下筛板在不同尺度上的响应。其中包括筛板的整体变形、基质重构、细胞响应以及分子机制(图4)。 

  在此基础上,针对目前青光眼致病机制研究及其诊断、治疗所面临的挑战,提出了应重点关注的研究方向: 

  ·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; 

  ·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; 

  ·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。 

  最后,提出建立筛板的多尺度生物力学模型,将为进一步揭示青光眼发病机制,提高其治疗、诊断水平做出重大贡献(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别为田晗菁博士(已毕业)(Theor. Appl. Mec. Lett., 2016; Acta Biomater., 2017)与李龙助理研究员(Natl. Sci. Rev, 2020),通讯作者为宋凡研究员。以上研究工作得到国家自然科学基金 (11472285, 11902327, 11972041)、中国科学院战略性先导科技专项(B类)(XDB22040102)、国家重点研发计划(2016YFA0501601)等项目资助。 

  
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